皮帶機托輥的有限元分析與優化設計

郭 剛

（山西華實礦山設備有限公司，山西 太原 030024）

引言

帶式輸送機為工作面的關鍵運輸設備，為滿足生產需求，帶式輸送機朝著大運量、長距離以及高運速的方向發展。托輥作為帶式輸送機的關鍵承載部件，其結構及布置數量直接決定設備的運行狀態和運營成本。對于長距離帶式輸送機而言，托輥數量隨著運輸距離的增加而增多，導致帶式輸送機的成本增加[1]。此外，需對托輥的薄弱環節進行結構改進，提升托輥的強度和剛度。本文著重對帶式輸送機的托輥進行優化設計。

1 皮帶機托輥結構研究

本文以皮帶機普通托輥為研究對象，普通托輥的結構如圖1 所示：

圖1 皮帶機托輥結構

如圖1 所示，皮帶機托輥主要由五部分組成。托輥作為皮帶機的主要承載部件，當皮帶機運轉時，在皮帶與托輥皮摩擦力的作用下使得托輥皮、軸承座以及密封裝置等隨著皮帶的旋轉而旋轉，而托輥軸與軸承內圈固定不動[2]。一般的，皮帶機托輥軸所采用材質為Q235 冷拔鋼；托輥皮為無縫鋼管；托輥軸承為滾動軸承；軸承座可通過沖壓或鑄造兩種加工方式所得；密封裝置以迷宮式密封方式為主。

2 皮帶機托輥的模型建立與有限元分析

2.1 皮帶機托輥模型搭建及參數設置

本文將從理論上分析當前普通托輥結構在實際運輸過程中的應力和應變情況，掌握皮帶機普通托輥結構的薄弱環節，為后續托輥結構的改進和優化設計提供依據。本文將基于ANSYS 軟件對托輥進行有限元分析。以某型皮帶機托輥為仿真對象，其關鍵參數如表1 所示。

表1 皮帶機托輥結構參數 mm

鑒于托輥及其軸承座為曲面薄壁結構，建模仿真時需采用SHELL63 殼單元。將所搭建的三維模型導入ANSYS 有限元分析軟件中，并在有限元分析軟件中對托輥及軸承座的密度、彈性模量、泊松比等參數進行設置（托輥皮密度及軸承座的密度為7 850 kg/m3、托輥皮的彈性模型為210 MPa、軸承座的彈性模量為200 MPa[3]；托輥皮及軸承座的泊松比為0.3）；對模型完成參數設置后對其模型進行網格劃分，并施加相應的載荷和約束（根據皮帶機的運行工況，為模型所施加的載荷為0.265 MPa）。

2.2 皮帶機托輥的有限元分析

完成上述各項設置后，對皮帶機托輥進行有限元分析，具體結果如下：

1）在托輥皮中部位置的四周各存在一個最大應力點，托輥皮的最大應力為91.6 MPa，小于其所采用材料的需用應力113 MPa；托輥皮的最大變形量為0.165 mm。

2）軸承座的最大應力值為76.4 MPa，小于其所選材料的許用應力值99 MPa；軸承座的最大變形量為0.022 1 mm，小于其所選材料的需用變形量0.255 mm。

3）托輥軸的最大應力值為32.9 MPa，遠小于其所選材料的屈服強度值235 MPa；托輥軸的最大變形量為0.010 8 mm，根據托輥長度為497 mm 其對應許用應變為0.994 mm。此外，在托輥軸的兩端出現應力集中的現象。

3 皮帶機托輥結構的改進及優化設計

3.1 皮帶機托輥結構的改進

皮帶機在實際運輸過程中托輥皮的中間位置常出現斷裂、變形較大的失效，從而導致皮帶機跑偏、輸送帶磨損嚴重等問題的出現。結合“2”中對皮帶機托輥結構有限元分析的結果，得出皮帶機出現上述問題的主要原因為托輥皮中部出現應力集中，對應變形增大的現象所導致[4]。

為解決由于托輥皮中間位置應力集中所導致的問題，采用在托輥皮中部焊接圓環的方式對托輥結構進行改進。從理論上分析，托輥皮中部焊接圓環的數量越多，托輥皮中部的強度和剛度會越好，即托輥皮中部的應力集中現象會隨之消除且應變會減小。但是，隨著圓環焊接數量的增加，托輥皮的數量也會隨之增大。為確定托輥皮中部所焊接圓環的最佳數量，分別對比托輥皮中部分別焊接1、2、3、4、5 個圓環時對應托輥皮中部的應力值、應變情況，對比結果如表2 所示。

表2 托輥皮中部應力及應變隨焊接圓環數量的變化情況

如表2 所示，隨著焊接圓環數量的增加，托輥皮中部的最大應力值和最大應變值均在減小。而且，當焊接圓環數量達到3 個后，隨著圓環數量的增加托輥皮中部最大應力值和應變值的減小速度減緩。因此，綜合分析，采用托輥皮中部焊接三個圓環的方式對其結構進行改進。

3.2 皮帶機托輥的優化設計

目前，針對托輥尺寸的設計主要以基礎理論和經驗為主。一般情況，為保證托輥的可靠性和安全性，常選用較大的安全系數，導致托輥存在設計過量的問題，不僅造成托輥材料的浪費，而且還增大托輥運行中的阻力[5]。

在保證托輥強度和剛度要求的基礎上，為避免材料浪費，減少皮帶機運行阻力，以托輥質量為目標函數，以托輥皮和軸承座強度和剛度為約束條件，對托輥壁厚和軸承座壁厚兩項參數進行優化設計。

約束條件：要求托輥皮強度不低于113 MPa；托輥皮剛度不小于0.232 5 mm；軸承座強度不低于99 MPa；軸承座剛度不小于0.025 5 mm。

目標函數表達式如式（1）所示：

式中：T1為托輥皮的壁厚；T2為軸承座的壁厚；m 為托輥的質量。

經優化設計后，托輥皮的最佳壁厚為3.048 7 mm，圓整為3 mm；軸承座的最佳壁厚為2.715 5 mm，圓整為2.8 mm。對優化后托輥進行有限元分析可得：托輥皮最大應力為109 MPa，最大應變值為0.19 mm；軸承座最大應力值為82 MPa，最大應變值為0.024 9 mm；優化后托輥質量減少了6.2%。

4 結論

隨著長距離、大運量以及大運速皮帶機的出現對其托輥提出了更高的要求。皮帶機常出現輸送帶斷裂、跑偏等事故，經分析導致上述事故的主要原因為托輥皮中部應力集中現象以及托輥質量較大。對皮帶機托輥結構進行改進及優化設計后，得出如下結論：

1）采用在托輥皮中部焊接3 個圓環的方式對其結構進行改進，且改進后托輥皮的應力和應變值均得到有效降低；

2）對托輥皮、軸承座壁厚進行優化，優化后，托輥皮的最佳壁厚為3 mm，軸承座的最佳壁厚為2.8 mm。優化后托輥皮及軸承座的剛度和強度滿足要求，重量減少6.2%。