肖旭輝

（山西潞安集團(tuán)蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041204）

引言

帶式輸送機(jī)主要由兩個(gè)端點(diǎn)滾筒以及緊套于其上的輸送帶組成，結(jié)構(gòu)相對簡單且具有運(yùn)輸能力大、噪音小、能耗低、安裝與拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦開采、化工、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)[1]。

帶式輸送機(jī)運(yùn)輸距離較長，維護(hù)比較方便，但其滾筒由于常受到物料的不斷沖擊載荷容易產(chǎn)生故障。為研究提高帶式輸送機(jī)的可靠性，從滾筒的材料使用入手，分析采用鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒與焊接結(jié)構(gòu)滾筒的結(jié)構(gòu)性能差異，為提高滾筒的可靠性研究提供參考[2]。

1 帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒介紹

本文將對TD150 型帶式輸送機(jī)的兩種滾筒進(jìn)行性能對比分析，分別為鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒，如圖1-1 所示；焊接結(jié)構(gòu)滾筒如圖1-2 所示。兩滾筒直徑均為630 mm，滾筒長度1 150 mm，下面分別對其做簡要介紹。

1.1 鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒

鑄焊結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是滾筒軸與輪轂之間依靠脹套進(jìn)行連接，使得結(jié)構(gòu)在輪轂與副板之間連接，避免使用焊縫。由于焊縫的過量使用可能會(huì)導(dǎo)致滾筒內(nèi)部應(yīng)力集中比較明顯，且不容易消除，在使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)問題。

1.2 焊接結(jié)構(gòu)滾筒

圖1 兩種不同制造工藝的滾筒

焊接結(jié)構(gòu)滾筒顧名思義，在滾筒內(nèi)連接處均使用了焊縫連接，其優(yōu)點(diǎn)是制造工藝相對簡單，價(jià)格相對便宜。但由于其輪轂、輻板和筒體拼焊而成，焊縫引入的不確定因素較多，焊縫的質(zhì)量無法保證，難免會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷，引起焊接變形及內(nèi)應(yīng)力現(xiàn)象。

2 滾筒有限元分析模型建立

2.1 滾筒模型建立

2.1.1 三維模型

首先基于CATIA 軟件分別建立了兩種滾筒的三圍模型，CATIA 具有強(qiáng)大的建模能力，且有限元軟件之間文件對接比較方便，模型參數(shù)互通，具有自主網(wǎng)格劃分的優(yōu)勢。

根據(jù)TD150 型帶式輸送機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，創(chuàng)建兩種滾筒的三維模型，已知輸送機(jī)送能力為Q=1 500 t/h，主要輸送介質(zhì)為散煤，煤料的堆積密度為ρ=900 kg/m3，該型輸送機(jī)機(jī)長L=125 m，最大提升高度H=7.5 m，帶寬B=1 000 mm，帶速v=5 m/s，滾筒的摩擦系數(shù)μ=0.35，輸送帶上單位長度煤炭質(zhì)量qB=14 kg/m[4]。

2.1.2 材料屬性

輸送帶滾筒各部件的材料參數(shù)如表1 所示。

2.1.3 網(wǎng)格劃分

利用CATIA 自帶有限元前處理模塊劃分網(wǎng)格，對兩種滾筒的網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置相同，兩種滾筒的網(wǎng)格劃分略有差異，但不影響計(jì)算。設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸10 mm，采用四面體單元類型，焊接滾筒共生成315 712 個(gè)單元，生成112 076 個(gè)節(jié)點(diǎn)；鑄焊滾筒生成419 240 個(gè)單元，生成133 571 個(gè)節(jié)點(diǎn)，由于篇幅所限，不再對一一例舉[5]。

2.2 載荷工況與邊界條件

表1 傳動(dòng)滾筒的材料參數(shù)

2.2.1 載荷

在對滾筒載荷進(jìn)行計(jì)算時(shí)，對模型所有的載荷進(jìn)行近似處理。滾筒所受徑向載荷沿軸向方向的分布可以視為均布，可以將滾筒包圍角滑動(dòng)弧部分劃分為11 個(gè)區(qū)域，每段區(qū)域內(nèi)所受的壓力取平均值。

皮帶與滾筒接觸區(qū)域如圖2 所示，已知此時(shí)的皮帶緊邊張力S1=30.5 kN，將皮帶與滾筒接觸區(qū)域劃分為11 份，每小弧段角度為14.6°，根據(jù)皮帶接觸角度與軸向力的關(guān)系，可以確定在各個(gè)弧段的壓力值大小，每個(gè)弧段內(nèi)再取平均值，即得到了皮帶對滾筒不同角度的作用力。由于篇幅所限，在此不再對每個(gè)區(qū)域平均作用力計(jì)算做詳細(xì)說明，如表2 所示，為皮帶與滾筒接觸區(qū)，11 個(gè)區(qū)域的等效平均作用力。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

表2 滾筒不同位置壓力值

2.2.2 邊界條件

根據(jù)滾筒所受的實(shí)際邊界條件進(jìn)行施加約束，在靜強(qiáng)度分析時(shí)，視滾筒為靜止部件，在滾筒軸設(shè)置支撐固定約束，設(shè)置自由度為0。

3 兩種滾筒對比分析

如圖3 所示，計(jì)算得到了兩種滾筒的Von Mises應(yīng)力分布情況，根據(jù)應(yīng)力分布結(jié)果來看，兩種材料的最大應(yīng)力值均出現(xiàn)于輸送帶繞入滾筒的切點(diǎn)附近，鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒最大應(yīng)力為3.13 MPa，焊接結(jié)構(gòu)滾筒最大應(yīng)力值為4.62 MPa。

由于帶式輸送機(jī)在工作中驅(qū)動(dòng)滾筒需依靠摩擦帶動(dòng)皮帶，可知滾筒應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)闈L筒與輻板內(nèi)側(cè)接觸環(huán)形區(qū)域內(nèi)，如圖4 所示，為θ=146°～190°時(shí)，沿軸向方向的位移值。

圖3 不同滾筒壓力分布情況

圖4 不同滾筒位移沿軸向分布情況（θ=146°～190°）

在分析得到的位移云圖匯總發(fā)現(xiàn)最大位移值出現(xiàn)在11 區(qū)域θ=146°～190°沿軸向的位移值，鑄焊結(jié)構(gòu)最大位移值為0.013 5 mm，焊接結(jié)構(gòu)最大位移值為0.020 9 mm。

綜合分析兩種制造工藝的滾筒，可以知道無論是結(jié)構(gòu)應(yīng)力還是應(yīng)變，鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒性能明顯要優(yōu)于焊接結(jié)構(gòu)滾筒。主要是由于鑄造結(jié)構(gòu)滾筒與焊接結(jié)構(gòu)滾筒相比，焊縫少、內(nèi)部存在的應(yīng)力集中的情況較小，通過仿真分析，也驗(yàn)證了鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒性能比焊接結(jié)構(gòu)滾筒力學(xué)性能更優(yōu)的結(jié)論。

4 結(jié)論

基于有限元靜力分析，研究鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒與焊接結(jié)構(gòu)滾筒力性能差異性，分析結(jié)果顯示鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒相較于焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值、位移值均較小，分析也驗(yàn)證了鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒具有更優(yōu)性能的結(jié)論，為輸送機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。