王素玲

（山西省節(jié)能中心有限公司，山西 太原 030045）

引言

帶式輸送機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，具有輸送效率高、噪聲小、運(yùn)輸穩(wěn)定、輸送量大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到了煤礦開采中。由于設(shè)備在運(yùn)行過程中會運(yùn)輸較大煤塊，承受較大外界沖擊載荷作用，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)部分部件在運(yùn)行時出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開裂等失效現(xiàn)象，對帶式輸送機(jī)的高效安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響[1]。其中，滾筒作為帶式輸送機(jī)中的關(guān)鍵部分，由于持續(xù)處于高速運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致該部件經(jīng)常出現(xiàn)輻板變形、焊縫開裂等問題，采用當(dāng)前成熟的分析方法，對滾筒的綜合性能進(jìn)行分析研究顯得十分重要[2]。為此，在分析帶式輸送機(jī)及滾筒特點(diǎn)基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法，對滾筒在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析研究，并提出了滾筒的優(yōu)化改進(jìn)措施及改進(jìn)后結(jié)構(gòu)性能效果驗證。

1 帶式輸送機(jī)及滾筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

帶式輸送機(jī)作為井下煤礦開采中的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括皮帶、導(dǎo)向滾筒、拉緊滾筒、拉緊裝置、緊繩裝置、上托輥、下托輥、電機(jī)等組成[3]。其中，動滾筒位于機(jī)頭部位，通過3臺電機(jī)同時對滾筒進(jìn)行驅(qū)動。滾筒的結(jié)構(gòu)包括了筒殼、輻板、軸承座及輪轂等部件，兩端分別匹配了脹套，滾筒軸上安裝了軸承，通過軸承及螺栓等部件實現(xiàn)與帶式輸送機(jī)進(jìn)行固定連接[4]，滾筒及周邊部件組成示意圖如圖1所示。根據(jù)滾筒的功能特點(diǎn)，可將其分為驅(qū)動滾筒、改向滾筒、輕型滾筒、中型滾筒、重型滾筒等類型。滾筒在實際過程中會出現(xiàn)筒殼磨損嚴(yán)重、滾筒外殼磨損、輻板變形、焊縫開裂等失效現(xiàn)象，導(dǎo)致滾筒發(fā)生此變化的原因為驅(qū)動滾筒受到法向和切向載荷的同時作用，載荷也發(fā)生規(guī)律的變化，致使整個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)變形[5]。可以用科學(xué)、有效的方法對滾筒的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)研究，這對保證滾筒及設(shè)備的使用壽命意義重大。

圖1 滾筒及周邊部件組成示意圖

2 滾筒分析模型建立

2.1 滾筒三維模型建立

為進(jìn)一步驗證滾筒的結(jié)構(gòu)性能，采用了Solidworks軟件對其進(jìn)行了三維模型建立。由于驅(qū)動滾筒為復(fù)合式結(jié)構(gòu)，故在建模時對其進(jìn)行了模型簡化，主要省去了模型中次要構(gòu)件，包括軸端聯(lián)軸器、螺釘孔、膨脹螺釘孔、圓角、倒角、鍵槽及軸承座等特征，保留了整個滾筒中滾筒、脹套及輻板等特征結(jié)構(gòu)。另外對滾筒上的焊縫也進(jìn)行了模型簡化，在后期分析時不考慮焊縫對滾筒的影響，將滾筒中輻板及筒殼等部件設(shè)計為一體式結(jié)構(gòu)，以減少后期模型對分析結(jié)果的影響，提高仿真精度。

2.2 滾筒結(jié)構(gòu)分析模型建立

根據(jù)所建立的滾筒三維模型，將其保存為x-t格式后，導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，對其進(jìn)行了仿真模型建立。在模型中，對滾筒的輸入端及輸出端中滾筒軸與滾筒相接觸處進(jìn)行了轉(zhuǎn)動自由度設(shè)計。由于實際使用過程中滾筒主要使用了Q235材料[6]，故在軟件中對滾筒進(jìn)行了Q235材料設(shè)置，材料的主要性能參數(shù)如下頁表1所示。同時，根據(jù)滾筒的實際結(jié)構(gòu)尺寸，利用實體單元類型，對其進(jìn)行了六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為15 mm，所建立的滾筒網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。另外，在滾筒的兩端施加30 kN·m的旋轉(zhuǎn)扭矩，以模擬滾筒的實際運(yùn)行情況。由此，完成了滾筒結(jié)構(gòu)分析模型的建立。

表1 Q235材料主要性能參數(shù)

圖2 滾筒網(wǎng)格劃分圖

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化分析

由于滾筒主要包括筒殼及輻板，故在分析時分別提及了此兩部件的應(yīng)力變化圖。由圖3可知，滾筒上的輻板出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)用分布不均勻現(xiàn)象，但分布規(guī)律相對較為明確，最大應(yīng)力值為152.125 MPa，出現(xiàn)在輻板的中間內(nèi)圈區(qū)域，沿著輻板的外徑方向，應(yīng)力呈逐漸減少趨勢，在輻板的外邊緣處應(yīng)力又有所增大。根據(jù)筒殼的應(yīng)力變化圖（見圖4）可知，筒殼端面與輻板相接觸的區(qū)域（即：輻板與筒殼實際焊接區(qū)域）出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為114 MPa，整體比輻板上的應(yīng)力值更小，沿著滾筒的軸向方向，應(yīng)力值呈逐漸減少趨勢。分析其原因為：滾筒兩端的輻板在與滾筒軸及脹套接觸過程中承受著較大的接觸外力，而滾筒上由于筒殼中部為中空設(shè)計，故筒殼上的應(yīng)力值則相對較小。雖整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值未超過材料的屈服強(qiáng)度，但幅板的中部內(nèi)圈處是整個結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，一旦此區(qū)域率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，將會嚴(yán)重影響整個帶式輸送機(jī)的作業(yè)效率及安全。故在實際設(shè)計及運(yùn)行過程中應(yīng)重點(diǎn)對此區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)計及維護(hù)保養(yǎng)。

圖3 輻板的應(yīng)力（MPa）變化圖

圖4 筒殼的應(yīng)力（MPa）變化圖

3.2 結(jié)構(gòu)變形變化分析

通過分析，得到了滾筒的結(jié)構(gòu)變化圖，如圖5所示。由圖可知，滾筒整體結(jié)構(gòu)的變形量相對均勻，但局部區(qū)域出現(xiàn)了彎曲變形現(xiàn)象，最大變形量為1.22 mm，變形量相對較小，出現(xiàn)在筒殼的靠近輻板區(qū)域。出現(xiàn)此現(xiàn)象原因為：滾筒為對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于兩端承受徑向載荷作用，使得筒殼的中部區(qū)域出現(xiàn)了彎矩受力。為有效保證整個滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有必要對筒殼發(fā)生變形量的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，以保證整個滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命。

圖5 滾筒結(jié)構(gòu)變形圖

4 滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合前文分析可知，在滾筒使用過程中，其結(jié)構(gòu)中的輻板中間內(nèi)圈及筒殼與輻板接觸焊接處均出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時，滾筒輻板兩端附近也出現(xiàn)了一定的結(jié)構(gòu)變形，故有必要對滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計。

4.1 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在滾筒改進(jìn)設(shè)計過程中，主要對輻板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)輻板的應(yīng)力變化特點(diǎn)可知，輻板內(nèi)側(cè)主要承受著壓力彎矩作用，并通過內(nèi)側(cè)與外側(cè)的相互作用實現(xiàn)拉力的傳遞，而輻板上的外側(cè)支架及輪廓由于與蒙皮之間形成了三角形，具有一定支撐力，故可將輻板的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計為三角支撐結(jié)構(gòu)，并將各部件的材料厚度增加2 mm，輻板外界輪廓均設(shè)計為外圓R結(jié)構(gòu)，以減少結(jié)構(gòu)上的局部應(yīng)力集中。輻板改進(jìn)設(shè)計圖如圖6所示。

圖6 輻板改進(jìn)設(shè)計圖

4.2 優(yōu)化后的滾筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化

采用相同的有限元仿真方法，對改進(jìn)后的滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能分析，得到了滾筒的應(yīng)力變化圖，如圖7所示。由圖可知，滾筒整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值明顯降低，最大應(yīng)力值為8.387 MPa，仍出現(xiàn)在滾筒幅板的中部區(qū)域，但應(yīng)力集中現(xiàn)象得到顯著的降低，筒殼與輻板接觸焊接處也明顯降低；滾筒的其他區(qū)域應(yīng)力值均相對較小。出現(xiàn)此結(jié)果的原因為滾筒上輻板利用三角支撐原理，有效將所承受外力進(jìn)行了軸向分解，減緩了應(yīng)力集中現(xiàn)象。優(yōu)化效果顯著，得到了結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果。

圖7 優(yōu)化后滾筒應(yīng)力（MPa）變化圖

5 結(jié)語

由于煤礦井下環(huán)境的惡劣性，不斷利用當(dāng)前成熟快捷的分析方法對帶式輸送機(jī)中滾筒及其他部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析研究，成為企業(yè)提高研究效率，降低成本的有效方法。為此，在分析帶式輸送機(jī)及滾筒特點(diǎn)基礎(chǔ)上，利用有限元分析方法及ABAQUS軟件，開展了滾筒在使用過程中的性能研究，得出滾筒的輻板中間內(nèi)圈及筒殼與輻板接觸焊接處均是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦此些區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，將對設(shè)備的運(yùn)行構(gòu)成重要影響。為此，在對輻板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計后，開展了改進(jìn)后滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，改進(jìn)后滾筒所承受的應(yīng)力值更小，整體結(jié)構(gòu)性能得到明顯提升，達(dá)到了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計要求。這對提高滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命具有重要意義，實際指導(dǎo)參考價值較大。