張春生

（霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 034000）

引言

煤礦的現(xiàn)場(chǎng)開采任務(wù)中，礦用帶式輸送機(jī)是所開采煤礦負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，其設(shè)備的高效性能直接影響著整個(gè)煤礦的開采效率[1]。但由于井下環(huán)境相對(duì)惡劣，經(jīng)常會(huì)有大量的粉煤灰聚集，加之所運(yùn)輸煤礦重量不統(tǒng)一，設(shè)備中的滾筒及皮帶經(jīng)常會(huì)有較大的沖擊載荷作用，導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)燒壞、皮帶磨損嚴(yán)重、滾筒變形或開裂等失效現(xiàn)象，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障無法運(yùn)轉(zhuǎn)，將嚴(yán)重影響煤礦的開采量及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全[2]。通過更加有效的方法對(duì)帶式輸送機(jī)中關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，已成為當(dāng)前的重要任務(wù)。為此，以滾筒為分析對(duì)象，采用了有限元分析方法，開展了滾筒在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能研究，并對(duì)滾筒的結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化改進(jìn)措施，這對(duì)提高滾筒的使用壽命、保證帶式輸送機(jī)的作業(yè)安全具有重要意義。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

帶式輸送機(jī)是煤礦開采中三大開采設(shè)備之一，其結(jié)構(gòu)主要包括了滾筒、驅(qū)動(dòng)電機(jī)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。其中，滾筒是帶式輸送機(jī)中的重要部件，與皮帶進(jìn)行配合，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下，能實(shí)現(xiàn)將皮帶上的煤礦運(yùn)輸至指定地點(diǎn)[3]。根據(jù)滾筒的功能特點(diǎn)，可將其分為驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒、輕型滾筒、中型滾筒、重型滾筒等類型。帶式輸送機(jī)中滾筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含各類脹套連接和焊接結(jié)構(gòu)，主要分為鍵連接、脹套連接全焊結(jié)構(gòu)，除此之外還包括鑄焊結(jié)構(gòu)。其中帶加強(qiáng)環(huán)柱焊結(jié)構(gòu)是目前常用的超重型滾筒類型，極大地提高了滾筒的輸送效率。滾筒在實(shí)際過程中會(huì)出現(xiàn)筒殼磨損嚴(yán)重、焊縫開裂、滾筒外殼磨損、輻板變形等失效現(xiàn)象，分析其原因?yàn)闈L筒在使用過程中受到了來自外部的不均勻沖擊載荷作用，導(dǎo)致滾筒的局部區(qū)域出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著帶式輸送機(jī)的作業(yè)效率[4]。為此，有必要采用有限元分析方法對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究。

2 滾筒模型建立

2.1 滾筒三維模型建立

滾筒作為帶式輸送機(jī)中的關(guān)鍵部件，掌握其結(jié)構(gòu)在使用中的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)保障帶式輸送機(jī)的高效運(yùn)行至關(guān)重要。為此，采用了SOLIWORKS 軟件，對(duì)滾筒進(jìn)行了三維模型建立，在建模過程中主要對(duì)滾筒的外殼、滾筒筋板、內(nèi)殼及軸承安裝座等特征進(jìn)行了模型建立，并對(duì)模型中的圓角、倒角、過渡圓弧等特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化[5]，僅保留了滾筒中的關(guān)鍵特征，按照滾筒的1∶1 模型比例，完成了滾筒的三維模型建立，如圖1 所示。

圖1 滾筒三維模型

2.2 滾筒仿真模型建立

在完成滾筒的三維模型建立后，采用了ABAQUS 軟件，開展了滾筒仿真模型的建立。在建模中，將滾筒的材料設(shè)置為了Q235 材料，其彈性模型為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，材料密度設(shè)置為7 850 kg/m3，材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa，并將材料的各項(xiàng)參數(shù)賦予至模型中[6]。同時(shí)，根據(jù)滾筒的模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其模型類型設(shè)置為solid 實(shí)體單元類型，并對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，同時(shí)，將滾筒中的旋轉(zhuǎn)軸添加至滾筒中，滾筒的網(wǎng)格劃分如圖2 所示。另外，根據(jù)滾筒的實(shí)際使用特點(diǎn)，在軟件中將其摩擦系數(shù)設(shè)置為了0.35，最大緊邊張緊力設(shè)置為1 950 kN，松邊張力設(shè)置為1 000 kN。由此完成了滾筒仿真模型的建立。

圖2 滾筒的網(wǎng)格劃分圖

3 滾筒結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 滾筒應(yīng)力變化分析

根據(jù)所建立的滾筒仿真結(jié)果，得到了滾筒在使用過程中的應(yīng)力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，整個(gè)滾筒結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布相對(duì)不均勻，在滾筒的外殼的中部及左右兩側(cè)的加強(qiáng)筋板上均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在滾筒的內(nèi)殼體及兩端的軸承安裝座上也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但相對(duì)較低。滾筒出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)闈L筒的外殼中部在使用時(shí)受到了較大的外界載荷作用，由于滾筒中部為中空結(jié)構(gòu)，故作用力傳遞至了滾筒的左右兩端筋板及內(nèi)殼上。此受力規(guī)律與理論分析結(jié)果基本相似。由此可知，滾筒的左右筋板及外殼中部是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在設(shè)計(jì)及實(shí)際使用時(shí)需重點(diǎn)考慮。

圖3 滾筒的應(yīng)力變化圖

3.2 滾筒結(jié)構(gòu)位移分析

通過仿真分析，得到了滾筒在使用過程中的位移變形圖，如圖4 所示。由圖可知，滾筒整體也出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形，最大變形位移發(fā)生在滾筒外殼的中部區(qū)域，呈現(xiàn)向內(nèi)壓變形狀態(tài)，外殼的其他區(qū)域變形量也相對(duì)較大；沿著滾筒軸中心方向，變形量呈逐漸減少的變化趨勢(shì)，滾筒的左右筋板外端變形量也相對(duì)較大。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)闈L筒在運(yùn)行過程中首先是外殼受到較大的外部沖擊作用而發(fā)生了向內(nèi)變形，通過外殼傳遞至滾筒的其他區(qū)域，此規(guī)律與滾筒的應(yīng)力變化規(guī)律相同，也驗(yàn)證了此研究的正確性。由此可知，滾筒的外殼在使用過程中將首先在外殼率先接觸區(qū)域出現(xiàn)較大幅度的變形，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位。一旦滾筒外殼出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形或開裂等失效現(xiàn)象，滾筒將無法運(yùn)行，甚至?xí)蛊С霈F(xiàn)斷裂風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)滾筒進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖4 滾筒的位移變化圖

4 滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)前文分析，滾筒在實(shí)際使用過程中，其滾筒的外殼中部接觸區(qū)域及左右筋板均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為提高滾筒的使用壽命，需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1）將滾筒外殼的厚度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加2 mm，并在滾筒外殼與內(nèi)殼之間的中間區(qū)域增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，保證外殼中部具有一定的支撐作用，提高外殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）將左右筋板的厚度增加2 mm，將筋板的高度增加2 mm，并根據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適當(dāng)增加筋板的數(shù)量，以保證左右筋板具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

3）將滾筒的材料由Q235 改為Q345 材料，增加滾筒材料的屈服強(qiáng)度，在同等設(shè)計(jì)條件下可有效增加滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及受力情況。

4）針對(duì)滾筒外殼，可在其滾圓加工時(shí)對(duì)其進(jìn)行淬火及調(diào)質(zhì)處理，以提高材料的結(jié)構(gòu)剛度，減少外殼的整體變形；

5）與滾筒配套的軸承選用承力更好的軸承，并定時(shí)對(duì)軸承及中間軸等區(qū)域添加潤滑油，減小滾筒與軸承之間的摩擦，降低滾筒的摩擦損壞。

5 結(jié)語

由于煤礦井下環(huán)境惡劣，時(shí)刻會(huì)因各類因素影響而發(fā)生無規(guī)律的變化，這對(duì)設(shè)備中部件的使用壽命造成了重要影響，可能大大降低部件的壽命。采用最有效的有限元分析方法對(duì)部件的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，掌握其部件的變化規(guī)律，已是當(dāng)前提高設(shè)備壽命的重要手段。為此，通過建立礦用帶式輸送機(jī)中滾筒的仿真模型，開展了滾筒在使用過程中的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)位移研究，得出“滾筒的外殼接觸部位及左右筋板是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先發(fā)生失效現(xiàn)象”的結(jié)論。由此從結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)布局、材料屬性、熱處理加工工藝等方面提出了滾筒的優(yōu)化改進(jìn)措施，這對(duì)以后提高滾筒的結(jié)構(gòu)性能及使用壽命起到了重要指導(dǎo)參考。