徐 博

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)梵王寺煤礦籌備處， 山西 朔州 036002）

引言

帶式輸送機(jī)是進(jìn)行煤炭連續(xù)輸送的主要設(shè)備，在煤礦的生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。帶式輸送機(jī)的輸送帶支撐在托輥上，輸送帶依靠滾筒提供的摩擦力進(jìn)行物料的輸送。帶式輸送機(jī)的輸送效率高、噪聲較小[1]，適用于對(duì)煤炭、礦產(chǎn)等的長(zhǎng)距離輸送。在帶式輸送機(jī)的布置中，不同輸送距離的設(shè)置對(duì)滾筒形成的輸送帶的包角不同，在進(jìn)行輸送的過程中，不同的包角對(duì)滾筒形成的作用力不同[2]，從而對(duì)滾筒的使用性能產(chǎn)生一定的影響。采用有限元分析的方式對(duì)帶式輸送機(jī)滾筒在不同包角下受到的應(yīng)力作用進(jìn)行分析，從而為長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)布置時(shí)滾筒的位置設(shè)計(jì)提供參考[3]，減小滾筒受到的應(yīng)力作用，提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，保證煤炭生產(chǎn)中的高效輸送。

1 帶式輸送機(jī)滾筒不同包角分析模型的建立

帶式輸送機(jī)的滾筒通過與輸送帶之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，保證輸送帶的運(yùn)行。輸送帶與滾筒傳遞扭矩時(shí)，相互接觸形成的包角為輸送帶與滾筒接觸弧所對(duì)的圓心角，可以分為靜止弧與滑動(dòng)弧，包角結(jié)構(gòu)的不同[4]，使得輸送帶對(duì)滾筒的正壓力產(chǎn)生變化[5]，從而影響滾筒的使用性能。

采用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)滾筒進(jìn)行分析模型的建立，依據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)采用SolidWorks 三維建模軟件進(jìn)行實(shí)體模型的建立，在建模過程中，為便于后續(xù)的網(wǎng)格劃分及分析，對(duì)滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理[6]，對(duì)細(xì)小的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行忽略。忽略滾筒的焊縫結(jié)構(gòu)將滾筒作為圓柱形柱面進(jìn)行建模，將滾筒兩端簡(jiǎn)化為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)滾筒的單側(cè)進(jìn)行建模分析[7]，得到滾筒的實(shí)體模型，如圖1 所示。

圖1 滾筒的實(shí)體結(jié)構(gòu)模型

將滾筒的實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，對(duì)傳動(dòng)軸、輻板及輪轂部分采用較強(qiáng)適應(yīng)范圍的solid186 實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[8]，對(duì)筒體部分，由于筒體的厚度較薄，采用8 節(jié)點(diǎn)的shell281 殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[9]。采用映射的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分的分析精度較高，但對(duì)于輻板及輪轂邊界不規(guī)則的區(qū)域進(jìn)行劃分模擬的能力要低于自由網(wǎng)格的形式，因此對(duì)滾筒模型的筒體采用映射方法[10]，輻板及輪轂、傳動(dòng)軸等采用自由網(wǎng)格的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由此完成對(duì)滾筒模型的網(wǎng)格劃分處理。

對(duì)滾筒的模型進(jìn)行載荷約束的添加，對(duì)滾筒的約束施加于節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有六個(gè)方向的自由度，滾筒的軸承約束是滾筒模型的邊界條件，限制軸與軸承表面的自由度即可完成對(duì)滾筒模型的約束[11]。滾筒的軸承采用調(diào)心軸承，在軸承端限制繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度及三個(gè)方向的移動(dòng)自由度。對(duì)滾筒進(jìn)行載荷的添加，在輸送帶作用的滑動(dòng)弧范圍內(nèi)，滾筒受到沿軸向的半正弦的法向正壓力及沿切向的摩擦力，在輸送帶作用的靜止弧范圍內(nèi)，滾筒僅受到沿軸向的半正弦的法向正壓力作用，改變滾筒的包角時(shí)，僅對(duì)施加的載荷方向進(jìn)行相應(yīng)的改變即可[12]。滾筒同時(shí)受到重力載荷的作用，通過施加重力加速度的形式對(duì)滾筒的重力進(jìn)行加載。滾筒的傳動(dòng)軸采用45 鋼，設(shè)定其彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269；筒體及輻板等結(jié)構(gòu)采用Q235A，設(shè)定其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.288，由此對(duì)滾筒受到的應(yīng)力進(jìn)行分析。

2 帶式輸送機(jī)滾筒不同包角承載應(yīng)力分析結(jié)果

2.1 滾筒受到應(yīng)力的仿真分析

對(duì)滾筒受到的應(yīng)力作用進(jìn)行仿真分析，以包角為190°為例，經(jīng)過計(jì)算分析，得到筒體的應(yīng)力分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出，此時(shí)筒體受到的最大應(yīng)力值為30.8 MPa，最大應(yīng)力位置在筒體與輻板的連接位置處，筒體的最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力56 MPa，筒體受到的應(yīng)力滿足滾筒的強(qiáng)度需求。

圖2 筒體的應(yīng)力（Pa）分布

在包角為190°時(shí)，經(jīng)過計(jì)算分析，得到傳動(dòng)軸的應(yīng)力分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出，此時(shí)傳動(dòng)軸受到的最大應(yīng)力值為46.2 MPa，最大應(yīng)力位置在傳動(dòng)軸伸出的臺(tái)階位置處，傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力60 MPa，傳動(dòng)軸受到的應(yīng)力滿足滾筒的強(qiáng)度需求。

圖3 傳動(dòng)軸的應(yīng)力（Pa）分布

2.2 不同包角下滾筒受到的應(yīng)力

輸送帶的拉力作用與包角的大小密切相關(guān)，隨著包角度數(shù)的增加，輸送帶與滾筒之間的接觸面增大，則產(chǎn)生的摩擦力增加，帶式輸送機(jī)的輸送能力增加，由此，滾筒受到的應(yīng)力增加，對(duì)滾筒的承載能力具有較高的要求。針對(duì)滾筒的包角值，選擇包角范圍在90°～270°之間，以間隔10°對(duì)滾筒受到的應(yīng)力作用進(jìn)行分析。

針對(duì)滾筒受到的應(yīng)力作用，對(duì)筒體及傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力值進(jìn)行分析，在不同的包角作用下，筒體及傳動(dòng)軸受到的最大應(yīng)力值分別如圖4-1、圖4-2 所示。從圖4-1 中可以看出，在包角變化的過程中，滾筒筒體受到的最大應(yīng)力值呈先增加后緩慢減小再增加的趨勢(shì)，在包角為270°時(shí)受到的應(yīng)力作用最大，應(yīng)力值為33.4 MPa；在包角增加的過程中，當(dāng)包角為90°時(shí)，受到的應(yīng)力作用最小，應(yīng)力值為28.5 MPa。

圖4 不同包角滾筒的筒體及傳動(dòng)軸的應(yīng)力變化

從圖4-2 中可以看出，在包角變化的過程中，滾筒傳動(dòng)軸受到的最大應(yīng)力值整體呈先增加后減小的趨勢(shì)，但減小的幅度值小于增加的幅度值，在最大應(yīng)力值變化的過程中，呈現(xiàn)反復(fù)振蕩的變化趨勢(shì)。當(dāng)包角為190°時(shí)，受到的應(yīng)力作用最大，應(yīng)力值為46.2 MPa；當(dāng)包角為90°時(shí)，受到的應(yīng)力作用最小，應(yīng)力值為36.1 MPa。

通過上述的分析可知，在滾筒包角變化的過程中，滾筒的筒體及傳動(dòng)軸受到的應(yīng)力作用呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，但總體上在包角為90°時(shí)的應(yīng)力作用最小，在包角增加的過程中，筒體的應(yīng)力存在先增加后緩慢減小再增加的趨勢(shì)，傳動(dòng)軸的應(yīng)力反復(fù)振蕩。帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的過程中，在滿足使用需求的同時(shí)，應(yīng)盡量選擇較小應(yīng)力范圍內(nèi)的滾筒包角，從而在整體上降低滾筒的應(yīng)力作用。

3 結(jié)論

帶式輸送機(jī)是煤炭輸送中的重要設(shè)備，在長(zhǎng)距離輸送的過程中，滾筒布置的位置不同，與輸送帶形成不同的包角對(duì)滾筒受到的應(yīng)力作用具有重要的影響。為研究包角對(duì)滾筒應(yīng)力的影響，采用ANSYS 有限元分析軟件建立滾筒的模型，通過改變載荷作用的方向?qū)Σ煌亲饔脮r(shí)滾筒的應(yīng)力作用進(jìn)行分析。結(jié)果如下：

1）在滾筒的包角變化時(shí)，滾筒的筒體及傳動(dòng)軸受到的應(yīng)力作用呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)；

2）當(dāng)包角為90°時(shí)的應(yīng)力作用最小；

3）在包角增加的過程中，筒體的應(yīng)力存在先增加后緩慢減小再增加的趨勢(shì)，傳動(dòng)軸的應(yīng)力反復(fù)振蕩。

在進(jìn)行帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)使用過程中，應(yīng)盡量選擇滾筒受到應(yīng)力作用較小的包角，從而在整體上提高帶式輸送機(jī)的性能，保證煤礦的高效輸送。