劉 鑫

（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

煤礦資源作為推動國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要能源之一，不斷加大對煤礦資源的開采力度，已成為當(dāng)前政府及企業(yè)的重點(diǎn)任務(wù)。帶式輸送機(jī)則是煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，保證其高效、安全運(yùn)行，則是提高煤礦開采量的關(guān)鍵[1]。帶式輸送機(jī)中的滾筒及軸作為設(shè)備中的重要部件，由于經(jīng)常會出現(xiàn)超負(fù)荷及粉煤灰、碎石的夾雜，導(dǎo)致其部件在井下長時(shí)間的作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)滾筒外殼變形嚴(yán)重、局部開裂、脹套及軸承磨損嚴(yán)重等問題。滾筒一旦失效，輕則影響煤礦的正常運(yùn)輸開采，重則引起相對的安全生產(chǎn)事故。不斷提高滾筒及軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證各部件的安全運(yùn)行顯得十分重要[2]。為此，利用當(dāng)前成熟的有限元分析方法，通過建立滾筒及軸的結(jié)構(gòu)模型，開展了其在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能研究，找到了其結(jié)構(gòu)性能變化規(guī)律，這對提高設(shè)備的使用壽命及作業(yè)效率起到了重要支撐作用。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

礦用帶式輸送機(jī)一般根據(jù)作用、表面包膠形式、承載能力進(jìn)行劃分，根據(jù)滾筒在運(yùn)輸過程中的作用進(jìn)行分類，可將其劃分為傳動滾筒和改向滾筒兩種類型。其結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動電機(jī)、皮帶、滾筒及軸、支架等，利用驅(qū)動電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)扭矩帶動皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)皮帶上不同重量及大小的煤塊運(yùn)輸[3]。輸送機(jī)在作業(yè)時(shí)經(jīng)常會出現(xiàn)電機(jī)因超負(fù)荷作業(yè)而出現(xiàn)燒壞故障、皮帶磨損嚴(yán)重、皮帶開裂、滾筒嚴(yán)重變形、滾筒軸斷裂等故障類型，這些故障的發(fā)生，將直接導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)停機(jī)維修狀態(tài)。其中，滾筒是帶式輸送機(jī)上的關(guān)鍵部件之一，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]。不斷提高滾筒及軸在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能，降低其結(jié)構(gòu)發(fā)生的故障概率，已成為當(dāng)前提高帶式輸送機(jī)綜合性能的重要任務(wù)之一。

2 滾筒及軸模型建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)DTIIA型礦用帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，采用SOLIDWORKS軟件對滾筒及軸進(jìn)行三維模型建立。在建模過程中主要采用旋轉(zhuǎn)功能及拉伸功能，建立了滾筒中外殼、左右輪轂及筋板、外脹套、階梯軸等特征在內(nèi)的三維模型，為實(shí)現(xiàn)滾筒的輕量化設(shè)計(jì)，在輪轂及筋板上還設(shè)計(jì)了減輕孔[5]。為防止模型上的圓角、倒角等對仿真結(jié)果的影響，在模型中對這些特征進(jìn)行了簡化，僅保留了滾筒及軸上的關(guān)鍵特點(diǎn)。由此，完成了帶式輸送機(jī)中滾筒及軸的三維模型建立，如圖1所示。

圖1 滾筒及軸三維模型

2.2 仿真模型建立

在建立了滾筒及軸的三維模型后，采用ABAQUS軟件，對滾筒及軸進(jìn)行了仿真模型建立。在軟件中，將其設(shè)置為實(shí)體類型，根據(jù)軟件功能，對模型進(jìn)行了裝配及定位。同時(shí)，將滾筒及軸的材料設(shè)置為Q235[6]，其材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa、彈性模量為206 GPa。模型的仿真時(shí)間設(shè)置為10 s，仿真步長為0.1 s，并對模型進(jìn)行了應(yīng)力參數(shù)及位移參數(shù)設(shè)置。采用實(shí)體單位類型，利用四面體網(wǎng)格類型，對模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm。另外，對軸的兩端進(jìn)行了滾動約束，滾筒上施加旋轉(zhuǎn)約束。根據(jù)作用條件，對滾筒進(jìn)行預(yù)緊力或外界載荷（正壓力及摩擦力）施加，以此分析滾筒及軸在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能。所建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 滾筒及軸仿真模型

3 滾筒及軸結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 不同工況下應(yīng)力變化分析

結(jié)合所建立的模型，得到了滾筒及軸在兩種工況下的應(yīng)力變化圖。由圖3可知，在預(yù)緊力作用下，滾筒及軸發(fā)生了較為明顯的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在滾筒左右脹套與軸接觸的中心區(qū)域，最大應(yīng)力值達(dá)到274.08 MPa，并由中心區(qū)域向脹套外徑方向呈逐漸減小趨勢；在滾筒外殼與腹板接觸處也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但相對較小。滾筒其他區(qū)域基本未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖4可知，滾筒及軸在預(yù)緊力及外載荷共同作用下也出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了295.33MPa，同樣出現(xiàn)在左右脹套與軸接觸區(qū)域，但應(yīng)力值相對更高，其他區(qū)域應(yīng)力值則相對較小，整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律與預(yù)緊力工況下基本相同，而軸則基本無結(jié)構(gòu)位移變化。由此可知，滾筒及軸在不同工況下，其左右腹板與軸接觸的中心區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，且所受載荷越大，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中更為嚴(yán)重。出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因?yàn)闈L筒上的預(yù)緊力向下壓。因此，在實(shí)際使用過程中需重點(diǎn)考慮這些區(qū)域的受力情況。

圖3 預(yù)緊力作用下的應(yīng)力變化圖

圖4 預(yù)緊力及外載荷作用下應(yīng)力變化圖

3.2 不同工況下位移變化分析

根據(jù)仿真結(jié)果，得到了滾筒及軸在不同工況下的位移變化結(jié)果。由圖5可知，滾筒及軸在預(yù)緊力作用下發(fā)生了較為明顯的位移變化，最大變形位移發(fā)生在左右脹套與軸相接觸區(qū)域，最大位移值0.2847mm；沿著滾筒外殼方向，結(jié)構(gòu)的位移變化呈逐漸減小趨勢；在外殼的左右兩側(cè)處位移變形量相對較小，外殼中部區(qū)域基本無位移變化。由圖6可知，滾筒及軸在預(yù)緊力及正壓力雙重載荷作用下發(fā)生了較為明顯的結(jié)構(gòu)位移變形，此工況下最大位移發(fā)生在外殼的一側(cè)，最大位移變形值為1.369 5 mm，另一側(cè)則相對較??；并沿中心區(qū)域位移呈逐漸減小趨勢，而左右腹板與軸接觸區(qū)域的變形量則相對較小，軸則基本無結(jié)構(gòu)位移變化。其原因?yàn)椋瑵L筒的自身旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致其發(fā)生了較大的位移變形。由此可知，滾筒及軸在作業(yè)時(shí)，滾筒外殼是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，極容易率先發(fā)生較大幅度的位移變形，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，需對其進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)。

圖5 預(yù)緊力作用下的位移變化圖

圖6 預(yù)緊力及外載荷作用下位移變化圖

4 滾筒及軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施

根據(jù)滾筒及軸的分析結(jié)果，得出滾筒上左右脹套與軸接觸區(qū)域、滾筒外殼等區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用過程中極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。為此，從多個(gè)角度開展了滾筒及軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)研究，具體如下：

1）增加滾筒左右脹套處的圓環(huán)大小，具體可增加5 mm寬，并將脹套的寬度增加5 mm，以從結(jié)構(gòu)尺寸方面提高滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2）筋板的長度減少2 mm，同時(shí)增加滾筒外殼的厚度2 mm，并在滾筒內(nèi)部焊接相應(yīng)的加強(qiáng)筋板，以提高滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3）可將滾筒的材料由Q235增加至Q345，以使其結(jié)構(gòu)的材料屈服強(qiáng)度由235 MPa增加至345 MPa，從材料源頭提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4）增加滾筒上左右筋板的數(shù)量，具體考慮增加三根，并在應(yīng)力集中區(qū)域開設(shè)直徑約2 mm的小孔，以使集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至小孔處，減緩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

5）定時(shí)對滾筒及軸的接觸區(qū)域進(jìn)行潤滑，保證其接觸處具有更高的潤滑性能，減少結(jié)構(gòu)的摩擦損耗。

5 結(jié)論

滾筒及軸作為帶式輸送機(jī)中的關(guān)鍵部分，采用當(dāng)前更加快捷、成熟的分析方法提高滾筒及軸的結(jié)構(gòu)性能，已成為當(dāng)前重要的研究方向。為此，采用有限元分析方法，開展了滾筒及軸在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能分析，得出滾筒及軸的左右脹套與軸接觸區(qū)域、滾筒外殼等區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象；從材料屬性、結(jié)構(gòu)組成及尺寸等方面提出了滾筒及軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施。這對提高滾筒及軸的結(jié)構(gòu)性能及使用壽命、保證帶式輸送機(jī)的高效作業(yè)具有重要作用，實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值較大。