張宏建

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 036000）

引言

礦用帶式輸送機(jī)是煤礦開(kāi)采中的關(guān)鍵設(shè)備，而滾筒軸與滾筒一起組成了帶式輸送機(jī)的傳遞裝置，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)及皮帶的共同作用下，可完成將煤炭運(yùn)輸至指定區(qū)域的操作[1]。但由于礦井環(huán)境相當(dāng)惡劣，加上皮帶經(jīng)常會(huì)受到無(wú)規(guī)律的較大外界載荷作用及預(yù)緊力作用，導(dǎo)致滾筒及滾筒軸在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)滾筒磨損嚴(yán)重、滾筒軸結(jié)構(gòu)變形、軸承區(qū)域磨損嚴(yán)重等失效現(xiàn)象，一旦滾筒軸及滾筒出現(xiàn)故障，將會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)帶式輸送機(jī)的作業(yè)效率及煤礦輸送安全。掌握滾筒軸在不同工況下的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及薄弱點(diǎn)，是保證設(shè)備高效作業(yè)的重要任務(wù)[2]。為此，采用有限元分析方法，利用ABAQUS 軟件開(kāi)展了滾筒軸在預(yù)緊力和預(yù)緊力及外載荷共同作用等條件下的結(jié)構(gòu)性能研究，得出滾筒軸的中部及兩端較小直徑處為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，提出了滾筒軸的優(yōu)化改進(jìn)措施，這對(duì)提高滾筒軸的使用壽命及設(shè)備的工作效率具有重要意義。

1 帶式輸送機(jī)及滾筒軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

帶式輸送機(jī)的整機(jī)主要部件包括皮帶、驅(qū)動(dòng)裝置、滾筒、滾筒軸、托輥、張緊裝置、漏斗、清掃器等，其中，滾筒及滾筒軸安裝固定在支架上，皮帶則纏繞在滾筒上，通過(guò)張緊裝置實(shí)現(xiàn)皮帶的拉緊[3]。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下，皮帶開(kāi)展運(yùn)行，采煤機(jī)所開(kāi)采的煤炭掉入皮帶上后，利用滾筒的旋轉(zhuǎn)，可將煤石運(yùn)輸至漏斗及指定位置，實(shí)現(xiàn)煤炭的運(yùn)輸。托輥為帶式輸送機(jī)主要的承力機(jī)構(gòu)，對(duì)較小皮帶運(yùn)行阻力具有重要作用。輸送機(jī)的運(yùn)輸距離越長(zhǎng)，所布置的托輥就越多。在此期間，由于皮帶受到無(wú)規(guī)律的較大沖擊作用，皮帶、滾筒及滾筒軸則會(huì)因外界載荷而發(fā)生不同程度的變形、開(kāi)裂及斷裂等失效現(xiàn)象。而此失效現(xiàn)象是無(wú)法避免的，僅能通過(guò)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)來(lái)減小零件的損壞[4]。為此，將根據(jù)滾筒軸的實(shí)際使用工況，對(duì)滾筒軸不同工況下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，以提高其結(jié)構(gòu)性能。

2 滾筒軸模型建立

為進(jìn)一步分析帶式輸送機(jī)中滾筒軸在使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)性能，需建立模型，以掌握其結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。因此，采用了PROE 軟件，按照模型的1∶1 比例，對(duì)滾筒軸進(jìn)行了三維模型建立，主要建立了滾筒軸的階梯、軸承安裝座等特征，為提高滾筒軸的分析精度，在建模時(shí)將軸上的過(guò)渡圓弧、圓角及倒角等特征進(jìn)行了簡(jiǎn)化[5]，以保證軸的分析質(zhì)量，所建立的滾筒軸三維模型如圖1 所示。

圖1 滾筒軸三維模型

3 滾筒軸仿真模型建立

將所建立的滾筒軸導(dǎo)入ABAQUS 軟件中，對(duì)其進(jìn)行仿真模型建立。首先，根據(jù)滾筒軸的實(shí)際使用材料情況，在軟件中將其材料設(shè)置為Q235 材料，其材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa[6]，具體參數(shù)如下頁(yè)表1 所示。同時(shí)，將滾筒軸的左右兩端較小直徑處進(jìn)行固定約束，軸中間施加向下的作用力，向下載荷設(shè)置為120 kN。根據(jù)滾筒軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在軟件中將其設(shè)置為實(shí)體單元類型，在網(wǎng)格劃分時(shí)將其設(shè)置為四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為8 mm。主要分析了滾筒軸在預(yù)緊力載荷及預(yù)緊力與外載荷共同作用下的結(jié)構(gòu)性能變形研究。

表1 Q235 材料參數(shù)

4 滾筒軸不同工況條件下結(jié)構(gòu)性能分析

4.1 應(yīng)力變化

結(jié)合所建立的滾筒軸仿真模型，得到了其結(jié)構(gòu)在預(yù)緊力和預(yù)緊力及外載荷共同作用工況下的應(yīng)力變化結(jié)果，分別如圖2 和圖3 所示。由圖2 可知，滾筒軸在預(yù)緊力作用工況下，整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，在滾筒軸左右兩端較小直徑處的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，最大應(yīng)力值為103.09 MPa，沿著兩端應(yīng)力值呈逐漸減小的變化趨勢(shì)；而由圖3 可知，滾筒軸在兩種載荷共同作用時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更加不均勻，且較大應(yīng)力區(qū)域更大，最大應(yīng)力值為121.83 MPa，在滾筒軸的左右較小直徑處的應(yīng)力分布范圍也更大。與第一種工況條件相比，滾筒軸的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。由此可說(shuō)明：滾筒軸在預(yù)緊力及外載荷共同作用下具有更低的結(jié)構(gòu)性能，更容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，為此，在滾筒軸總體設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)，需考慮惡劣工況，以保證其結(jié)構(gòu)的綜合性能。

圖2 滾筒軸在預(yù)緊力下的應(yīng)力變化

圖3 滾筒軸在預(yù)緊力及外載荷共同作用下的應(yīng)力變化

4.2 結(jié)構(gòu)位移變化

根據(jù)仿真結(jié)果得到了滾筒軸在預(yù)緊力和預(yù)緊力與外載荷共同作用兩種工況條件下的結(jié)構(gòu)位移變化結(jié)果。由圖4 可知，滾筒軸整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了分布不均勻的結(jié)構(gòu)位移變化，最大變化位移為0.078 mm，相對(duì)較大并集中在左右兩端的較小直徑處，沿著滾筒軸中部方向，變形值呈逐漸減小趨勢(shì)，但整體變形量相比其他區(qū)域也相對(duì)較高；滾筒軸的左右兩端幾乎未發(fā)生結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象。由圖5 可知，滾筒軸在預(yù)緊力及外載荷共同作用條件下出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形，最大變形位移發(fā)生在軸的中部區(qū)域，最大變形量達(dá)到了0.256 mm，沿著左右兩端方向，變形量呈逐漸減小趨勢(shì)，在左右兩端較小直徑處的變形量也相對(duì)較大。與單一受力工況相比，滾筒軸在此工況下具有更低的結(jié)構(gòu)剛度，更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或局部開(kāi)裂等失效現(xiàn)象，分析其原因主要是滾筒軸受到了更大的外界載荷作用。因此，滾筒軸在兩種載荷共同作用下作業(yè)相對(duì)更危險(xiǎn)，需重點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 滾筒軸在預(yù)緊力下的結(jié)構(gòu)位移變化

圖5 滾筒軸在預(yù)緊力及外載荷共同作用下結(jié)構(gòu)位移變化

5 滾筒軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)及應(yīng)用

根據(jù)前文分析可知，滾筒軸在不同工況下均出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，其中，滾筒軸的中部及兩端較小直徑處是整個(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。滾筒軸一旦發(fā)生斷裂，將會(huì)使整個(gè)滾筒無(wú)法正常運(yùn)行，為此，需對(duì)滾筒軸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。具體改進(jìn)內(nèi)容如下：

1）根據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸，增加滾筒軸的中部結(jié)構(gòu)直徑及兩端的直徑，可考慮將各處直徑均勻增加4 mm，以保證滾筒軸具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）對(duì)滾筒軸進(jìn)行淬火及調(diào)質(zhì)等處理，通過(guò)熱處理方式提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

3）在滾筒軸應(yīng)力集中區(qū)域，設(shè)計(jì)直徑約為2 mm的小孔，可將集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至小孔處，減小整個(gè)軸的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

4）定期對(duì)滾筒軸與軸承等部件之間的接觸區(qū)域添加潤(rùn)滑油，保證軸運(yùn)行時(shí)具有更低的摩擦力，提高其結(jié)構(gòu)使用壽命。

根據(jù)以上優(yōu)化改進(jìn)思路，按照此措施生產(chǎn)加工了新型滾筒軸，并將其在帶式輸送機(jī)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，在運(yùn)行的半年里，滾筒軸整體結(jié)構(gòu)在同等工況條件下具有更低的結(jié)構(gòu)變形，滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)更加靈活，軸的磨損程度也相對(duì)較低，能更好地滿足滾筒軸在兩種工況條件下使用需求，達(dá)到了預(yù)期效果。由此，提高了滾筒的使用壽命。

6 結(jié)論

1）滾筒軸在兩種工況下均具有較為明顯的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，且滾筒軸的中部區(qū)域及兩端較小直徑處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

2）提出了滾筒軸的優(yōu)化改進(jìn)措施，通過(guò)生產(chǎn)新型滾筒軸結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施的有效性。此研究對(duì)提高滾筒軸的使用壽命及帶式輸送機(jī)的開(kāi)采效率具有重要意義。