煤礦帶式輸送機(jī)滾筒的優(yōu)化設(shè)計

李 戈

（同煤集團(tuán)忻州窯礦 ，山西 大同 037000）

0 引言

近年來，帶式輸送機(jī)逐漸趨向于大寬帶的方向發(fā)展，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的帶式輸送機(jī)滾筒跨因距大,致使軸撓度及變形量較大，材料利用率較低且難以安裝等眾多缺陷。本文利用有限元分析技術(shù)對忻州窯礦皮帶改向滾筒進(jìn)行了輕量化設(shè)計改造，在確保高強(qiáng)度的前提下降低了滾筒重量，實際運行安全可靠性高，降低了滾筒的停機(jī)檢修率，延長了大型膠帶機(jī)滾筒的使用壽命，同時還大大提高了輸送機(jī)的啟動和制動性能，解決了煤炭運輸問題對煤炭生產(chǎn)效率的影響。

1 井下滾筒使用現(xiàn)狀分析

忻州窯礦皮帶運輸機(jī)改向滾筒的皮帶為標(biāo)準(zhǔn)DTII1200型皮帶，其帶寬為1800mm，帶速為4m/s,運距1800m，運量約為2200t/h，其傳動方式為電動機(jī)→偶合器→減速機(jī)。該滾筒的重量比較大，是同功率的國外進(jìn)口滾筒的2-3倍，因此轉(zhuǎn)動的慣性力也非常大，運輸機(jī)的啟動和制動都比較難耗能較大，當(dāng)進(jìn)行人工檢修時更換或者搬運滾筒十分費勁。基于此，根據(jù)本礦的實際生產(chǎn)情況，需要將改向滾筒進(jìn)行輕量化改造。

2 滾筒的材料選用及受力分析

2.1 材料選用

目前皮帶輸送機(jī)滾筒的材料大多采用的是下表1所示材料。

表1 滾筒材料屬性

2.2 受力分析

改向滾筒所受到的載荷主要是滾筒自身的重量；還有滾筒筒體表面的法向壓力，可以在改向滾筒中將法向壓力視為均布載荷。通過對現(xiàn)場實際進(jìn)行計算，改向滾筒上皮帶各個張力均為79000N，滾筒只受均布壓力沒有摩擦力作用。且滾筒的設(shè)計半徑為650mm，帶寬為1800mm，因此均布壓力載荷=0.068。

3 滾筒各結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

改向滾筒的主要有五部分結(jié)構(gòu)組成分別是輪轂（輻板）、軸、筒體及軸座等。

3.1 輪轂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

本次優(yōu)化改造將輻板與輪轂合為一體，這樣制造簡易，可以延長滾筒的使用期限，同時還能夠提高輸送機(jī)的工作效率，其優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

3.2 筒體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

筒體的設(shè)計厚度主要與筒體長度、直徑、運輸帶的張力及制動磨損等因素相關(guān)。在計算筒體厚度中通常計算數(shù)值都會偏小，考慮到滾筒磨損等因素情況，筒體的厚度一般選取的較厚。在滾筒焊接工藝中為了確保筒體質(zhì)量應(yīng)選用預(yù)熱工件抑或是對稱同時施焊的措施，在焊接工作完成后需要整體加熱失效處理或者局部加熱緩慢冷卻以消除殘余應(yīng)力作用。

3.3 軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

皮帶輸送機(jī)改向滾筒的軸材料選用的是40Cr，在滾筒設(shè)計中軸為不轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)態(tài)，所以對于軸的約束采用兩端部分拋光，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后軸結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 軸座的優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合軸的約束方式及整個滾筒質(zhì)量優(yōu)化減輕的情況下，在滿足強(qiáng)度的要求下針對滾筒的軸座進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，其改進(jìn)后的軸座如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的軸座示意圖

4 有限元分析

在確保滾筒強(qiáng)度不變的提前下，利用高強(qiáng)度輕量化材料對滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減輕了滾筒的重量，利用Solidworks多實體建模和ANSYS有限元分析法對滾筒的受力強(qiáng)度情況進(jìn)行了模擬分析，其改進(jìn)后的滾筒和傳動軸的應(yīng)力云圖和變形情況如圖5～7所示。

通過圖5～圖7可知，滾筒和傳動軸的最大變形量，以及傳動軸在脹套和軸承段的應(yīng)力情況均滿足相關(guān)的變形和應(yīng)力要求。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過優(yōu)化改造后滾筒軸承及脹套承載處的應(yīng)力和位移變化并不大，符合設(shè)計要求。其主要原因是滾筒軸采用的是40Cr材料強(qiáng)度較高，并且軸承承載與脹套的間距較短，相對于整段軸較小，同時滾筒受到的張緊合力所引起的轉(zhuǎn)矩對軸承的作用力也相對較小。

圖4 滾筒變形示意圖

圖5 滾筒von mises應(yīng)力云圖

圖6 傳動軸變形示意圖

圖7 傳動軸von mises應(yīng)力云圖

5 效益分析

忻州窯礦皮帶改向滾筒的經(jīng)過優(yōu)化改造后，滾筒重量減少了近30%，皮帶運輸機(jī)運行中的轉(zhuǎn)動慣量明顯降低，運輸機(jī)的啟動和制動性能也明顯提高，極大地降低了能耗，延長了滾筒的使用壽命。此外在皮帶輸送機(jī)檢修方面，一方面滾筒的故障率明顯減少，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益；另一方面檢修時跟換滾筒更加方便，保障了工作人員的人身安全。

我礦在完成皮帶改向滾筒輕量化改造后，對滾筒的運行狀況進(jìn)行了為期半年的運轉(zhuǎn)監(jiān)測。經(jīng)實際運行后可知，改造后的滾筒運轉(zhuǎn)正常，未見筒體表面及輪輻處產(chǎn)生裂紋狀況，軸承運轉(zhuǎn)正常無異響。軸承座的強(qiáng)度符合生產(chǎn)要求，無開裂現(xiàn)象發(fā)生。因此，證明本次皮帶改向滾筒輕量化改進(jìn)設(shè)計符合生產(chǎn)要求，有效提高了我礦的生產(chǎn)效率。