楚 瑤

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備科大機(jī)械有限公司，山西 大同 037000）

引言

礦用帶式輸送機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，由于其具有輸送效率高、操作方便、運(yùn)輸量大等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[1]。由于煤炭輸送過程中會(huì)掉落較多的煤石并聚集在設(shè)備的各類部件縫隙中，加上單位面積上皮帶經(jīng)常處于超負(fù)荷運(yùn)輸狀態(tài)，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)皮帶磨損嚴(yán)重、滾筒嚴(yán)重變形、電機(jī)燒壞等失效問題。帶式輸送機(jī)由于與其他設(shè)備是串聯(lián)同步作業(yè)，一旦此設(shè)備出現(xiàn)故障問題，將極可能使得整個(gè)工作面的煤礦開采處于停機(jī)狀態(tài)[2]。滾筒作為帶式輸送機(jī)中的關(guān)鍵設(shè)備，減少其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變形、局部開裂或斷裂等故障問題，對(duì)提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸效率意義重大。為此，對(duì)滾筒在不同脹套結(jié)構(gòu)下的綜合性能進(jìn)行研究。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)及滾筒特點(diǎn)分析

帶式輸送機(jī)作為煤礦中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置、滾筒、托輥、張緊裝置、漏斗、清掃器等，具有運(yùn)量大、爬坡能力強(qiáng)、使用方便、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]。帶式輸送機(jī)工作過程中，主要通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)將掉至皮帶上煤礦運(yùn)輸至下一個(gè)工位的運(yùn)輸作業(yè)。其中，滾筒是帶式輸送機(jī)上的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)主要包括筒殼、輪轂、輻板、滾筒軸等，各部件之間通過焊接及間隙配合的方式進(jìn)行連接[4]。帶式輸送機(jī)中一般所使用的滾筒包括驅(qū)動(dòng)滾筒和改向滾筒，其中，驅(qū)動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，作業(yè)時(shí)承受著徑向和軸向載荷作用，而改向滾筒則主要負(fù)責(zé)改變皮帶及運(yùn)輸煤礦的運(yùn)動(dòng)方向，結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單。滾筒在使用過程中主要會(huì)出現(xiàn)筒殼表磨損嚴(yán)重、輻板變形嚴(yán)重、筒殼兩端變形或開裂等失效類型，一旦滾筒發(fā)生了結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，將會(huì)使得帶式輸送機(jī)無(wú)法正常作業(yè)，嚴(yán)重影響煤礦的生產(chǎn)量[5]。為此，有必要對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究。

2 模型建立

2.1 不同結(jié)構(gòu)脹套分析

由于滾筒與不同結(jié)構(gòu)的脹套相匹配安裝將表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)性能，故首先對(duì)不同結(jié)構(gòu)的脹套進(jìn)行分析。

2.1.1 脹套1結(jié)構(gòu)分析

脹套1結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用了內(nèi)外斜錐面的配合方式，利用了楔形原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等特點(diǎn)，斜錐面角度將根據(jù)不同的受力情況進(jìn)行任意角度調(diào)整設(shè)計(jì)。避免了內(nèi)圈與外圈之間通過過盈方式進(jìn)行配合連接的弊端，可完成較大載荷的傳遞。脹套1結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 脹套結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 脹套2結(jié)構(gòu)分析

脹套2結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用了開口式的雙錐面內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)，主要由一個(gè)內(nèi)環(huán)、2個(gè)外環(huán)及螺栓組成，內(nèi)環(huán)上設(shè)計(jì)了1個(gè)開口結(jié)構(gòu)，外環(huán)上設(shè)計(jì)了2個(gè)開口結(jié)構(gòu)，通過螺栓進(jìn)行固定連接，在固定后，能產(chǎn)生較大徑向壓緊力作用，傳遞較大的外界載荷。為方便零件的拆卸，在壓緊環(huán)上設(shè)計(jì)了拆卸螺栓。脹套2的結(jié)構(gòu)示意圖如下頁(yè)圖2所示。

圖2 脹套2結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 滾筒仿真模型建立

為進(jìn)一步分析滾筒在不同脹套零件配合情況下的結(jié)構(gòu)性能，材料了Solidworks軟件，建立包含滾筒、脹套及輻板等結(jié)構(gòu)在內(nèi)的帶式輸送機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)，并將滾筒中的倒角、圓角、過渡圓弧等特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化。在完成滾筒及脹套的模型裝配后，導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，對(duì)其了進(jìn)行仿真模型建[6]立。在軟件中，采用了六面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，模型實(shí)體單元類型。同時(shí)，根據(jù)滾筒及脹套的實(shí)際結(jié)構(gòu)材料情況，在軟件中將其材料設(shè)置為Q235材料，材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。另外，在滾筒的兩端施加55 kN·m的旋轉(zhuǎn)扭矩，以模擬滾筒的實(shí)際運(yùn)行情況。由此，完成了滾筒的結(jié)構(gòu)分析模型建立。所建立的滾筒及脹套網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

圖3 滾筒及脹套網(wǎng)格劃分圖

3 不同脹套結(jié)構(gòu)下的滾筒性能分析

3.1 脹套1結(jié)構(gòu)下的滾筒結(jié)構(gòu)性能分析

為更加準(zhǔn)確地對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，分別分析了滾筒上輻板及筒殼的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖。由圖4可知，滾筒上的輻板出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在輻板的內(nèi)徑表面，最大應(yīng)力值為161.74 MPa，沿著外徑方向，輻板上應(yīng)力呈逐漸減小的趨勢(shì)，到輻板外徑表面時(shí)的應(yīng)力又增大至114 MPa。由圖5可知，筒殼表面出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒殼兩端與輻板連接部位，最大值為114.433 MPa，筒殼的中部區(qū)域應(yīng)力值則相對(duì)較小。分析其原因?yàn)椋和矚啥伺c輻板進(jìn)行焊接，中部為空心設(shè)計(jì)，滾筒在受到外力作用時(shí)會(huì)將作用力傳遞至兩端，通過輻板傳遞至脹套，最終傳遞至軸上，此變形規(guī)律與滾筒的實(shí)際受力情況基本一致。為此，滾筒輻板的內(nèi)表面、輻板與筒殼相焊接部位是整個(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)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

圖4 滾筒中輻板的應(yīng)力（MPa）變化圖

圖5 滾筒中筒殼的應(yīng)力（MPa）變化圖

3.2 脹套2結(jié)構(gòu)下的滾筒結(jié)構(gòu)性能分析

按照相同的分析方法，通過建立脹套2結(jié)構(gòu)下的滾筒分析模型，得出了滾筒中輻板及筒殼的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖。由圖6可知，輻板的應(yīng)力變化與脹套1下的基本相同，在輻板的內(nèi)徑表面為最大應(yīng)力集中區(qū)域，最大應(yīng)力值為93.32 MPa，向著輻板的外徑方向，應(yīng)力呈逐漸減小的變化趨勢(shì)。由下頁(yè)圖7可知，筒殼在的兩端也出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值出現(xiàn)筒殼與輻板外表面的焊接區(qū)域，最大應(yīng)力值為38.9 MPa，其余區(qū)域應(yīng)力值則相對(duì)較小。與脹套1結(jié)構(gòu)條件下相比，脹套2條件下的滾筒具有更優(yōu)的結(jié)構(gòu)性能，滾筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，在實(shí)際使用過程中具有更高的安全性。

圖6 滾筒中輻板的應(yīng)力變化圖

圖7 滾筒中筒殼的應(yīng)力（MPa）變化圖

綜上分析，滾筒在脹套2下具有更高的結(jié)構(gòu)性能，更能滿足帶式輸送機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)使用需求。故在實(shí)際使用過程中，可考慮以脹套2為參考結(jié)構(gòu)，與滾筒進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，以提高滾筒的結(jié)構(gòu)性能。

4 滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

結(jié)合前文分析，得出滾筒的輻板內(nèi)徑表面及筒殼與輻板相焊接的區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在實(shí)際使用時(shí)，極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂或斷裂的失效現(xiàn)象，故需對(duì)其滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

1）將滾筒的材料由Q235改變?yōu)镼345材料，可使其材料的屈服強(qiáng)度增加至345 MPa，提高滾筒的材料強(qiáng)度；

2）增加滾筒輻板的厚度約2 mm，并在輻板上應(yīng)力集中附近開設(shè)直徑為2 mm的小孔，以使集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至小孔處，焊接輻板上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

3）可將輻板結(jié)構(gòu)由平面型改變?yōu)閳A弧外凸曲線，利用拱形受力原理，提高輻板在受力狀態(tài)下的支撐能力；

4）增加筒殼兩端的結(jié)構(gòu)厚度，并在筒殼內(nèi)部的非干涉區(qū)域焊接加強(qiáng)筋條，以增加筒殼兩端的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

5）增加輻板、輪轂及筒殼之間的焊接質(zhì)量，保證焊接部位不發(fā)生焊縫開裂現(xiàn)象，并定期對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，若發(fā)生滾筒發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或開裂現(xiàn)象，可及時(shí)采取措施來(lái)完成對(duì)滾筒的維修保養(yǎng)。

5 結(jié)論

利用有限元分析方法，對(duì)帶式輸送機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，是當(dāng)前最快、最經(jīng)濟(jì)的研究方法。通過對(duì)滾筒在脹套1和脹套2下的結(jié)構(gòu)性能研究，得出結(jié)論：滾筒的輻板內(nèi)徑表面及筒殼與輻板相焊接的區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，找到了滾筒在使用過程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，同時(shí)，滾筒在脹套2下具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，整體結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)；最后，從材料屬性、滾筒結(jié)構(gòu)尺寸及焊接等方面提出了滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施。