云崗礦中B1400型帶式輸送機繩輪支座結構性能研究

劉建英

（大同煤礦集團公司云岡礦運銷站 ，山西 大同 037017）

0 引 言

隨著國家綜合國力的不斷提升，對能源的需求量也逐漸增大，煤礦作為重要的能源，加大對其的開采力度，已成為當下煤礦領域的重點工作。帶式輸送機則是煤礦開采中的重要設備[1]。但由于井下作業環境的相對惡劣，加上帶式輸送機作業過程中經常有超載、瞬間煤石沖擊、作業時間較長等現象，導致帶式輸送機的故障發生率大大提高，影響影響著煤礦的開采進度及作業安全。其中，繩輪支座則是帶式輸送機中的重要部件，保證其具有較高的結構性能，已成為提高帶式輸送機較高作業效率的重要方向[2]。因此，以云崗礦中B1400型帶式輸送為研究對象，通過對繩輪支座重量較重、安裝不方便、結構易變形或斷裂等問題進行分析，開展了繩輪支座的結構性能分析及優化改進設計，得到改進后的支座具有更高的結構性能，結構重量明顯降低，解決了支座安裝難的問題。

1 繩輪支座結構特點及存在問題分析

目前，各煤礦中應用的帶式輸送機型號種類較大，但各類設備的結構組成基本相同。以云崗礦中B1400型帶式輸送機為例，該設備結構主要由皮帶、滾筒、機架、電機、液壓張緊裝置、清掃裝置等部分組成，通過皮帶的循環運動，完成對所開采煤礦的輸送任務[3]。其中，液壓張緊裝置中，包含了繩輪支座張緊小車、鋼絲繩、滑輪、繩輪支座等部件，而繩輪支座主要負責用于固定定滑輪，實現皮帶與張緊小車的連接，并保證了皮帶運動過程中具有較大張力作用，其安裝結構簡圖如圖1所示[4]。然而，在B1400型帶式輸送機上一般安裝了若干個繩輪支座，而該結構整體具有較大的重量，存在安裝不方便問題；且在其使用中，極容易出現結構變形或斷裂等故障問題，繩輪支座的安裝不牢靠、結構強度較弱等問題，很大程度上會對帶式輸送機及云崗煤礦的作業安全構成威脅[5]。因此，有必要對繩輪支座進行結構性能分析及改進設計，使其能更好的滿足B1400型帶式輸送機在云崗煤礦中的使用需要。

圖1 繩輪組件結構簡圖

2 繩輪支座結構分析模型建立

2.1 三維模型建立

根據B1400型帶式輸送機的結構特點，得到了繩輪支座的結構尺寸，如圖2所示。由圖可知，支座的結構主要由底板、豎板、筋板等組成，采用的是Q235材料。因此，采用Solidworks軟件，建立了繩輪支座的三維模型。為提高該模型在仿真過程中的仿真精度，對該結構中頂部螺紋孔、圓弧、圓角等特征進行了模型簡化，僅保留了該結構的主要部分，且支座的重量為21.5kg，由此，建立了簡化后的繩輪支座三維模型，如圖3所示。

圖2 繩輪支座結構尺寸圖

圖3 繩輪支座三維模型圖

2.2 仿真模型建立

根據前文建立的繩輪支座三維模型，將其導入至ABAQUS軟件中，進行仿真模型的建立。首先，對該結構進行了Q235材料的設置，其中，材料的屈服強度為235MPa，彈性模型為206GPa，泊松比為0.28，許用強度為180MPa[6]。同時，采用四面體網格類型，對該結構進行了網格劃分，網格大小設置為15mm，并對底板上的連接孔進行了加密處理。另外，根據支座的實際作用條件，對其底板下平面進行了固定約束，頂部通孔及底部通孔處施加了載荷，采用靜力學分析方式，完成了支座的仿真模型建立。

3 結構特性分析

3.1 應力分析

根據建立的帶式輸送機繩輪支座仿真模型，得到了其應力變化圖，如圖4所示。在該圖中，亮色部位代表應力集中區域，深藍色部位為應力較小區域。由此可知，在支座的不同位置發生了不同程度的應力集中現象，其中，支座底部的左右兩端應力集中相對較大，豎板的頂部及板腰部位也出現了較大程度的應力集中，此些部位成為繩輪支座上的薄弱部位，在支座長期使用中，極容易率先在此些部位發生疲勞失效現象，對支座及帶式輸送機的作用安全構成威脅。

圖4 繩輪支座應力分布圖

3.2 結構變形分析

通過仿真分析，得到了支座的結構變形圖，如圖5所示。圖中，紅色代表變形量最大區域，藍色代表變形量最小區域。由此可知，繩輪支座的整個結構出現了分布不均勻的結構變形現象，其中，豎板的通孔頂部變形量最大，且結構變形沿著豎板向下呈逐漸減小的變化趨勢，在底部的筋板及底板上也出現了較明顯的結構變形，由此確定了支座頂部為最容易發生結構變形部位，嚴重時會率先發生結構變形或斷裂等現象，因此，有必要對其結構進行結構加強設計。

圖5 繩輪支座結構變形圖

4 改進后繩輪支座結構特性分析

4.1 繩輪支座改進設計

結合前文分析，得到了繩輪支座豎板上的通孔周邊最容易發生結構變形及疲勞失效現象，是整個支座結構上的最為薄弱的部位，且其結構重量相對較重。因此，對現有繩輪支座進行了結構改進設計。在不影響結構裝配基礎上，主要將底板的長度尺寸減小至460mm，豎板高度減小至220mm，并在豎板及底板中部增添了筋板結構，其他尺寸保持不變，改后的支座重量減小至16.2 kg。由此，完成了繩輪支座的結構優化設計，具體結構如圖6所示。

圖6 改進后繩輪支座結構圖

4.2 改進后繩輪支座結構分析

結合改進后的繩輪支座，采用與原有繩輪支座相同的仿真條件設置方式，得到了改進后的繩輪支座應力分布及結構變形圖，如圖7、圖8所示。由圖可知，改進后的繩輪支座上集中應力由頂部向底部方向進行了較明顯的轉移，且筋板上也分散了整體結構上的部分應力。同時，支座頂部、底板上的結構變形程度也明顯減小，結構變形轉移到了三個筋板上。由此說明，改進后的繩輪支座改善了其結構上的應力集中及結構變形問題，整體結構的性能得到明顯提升，并且新支座的整體材料用量明顯減少，有效降低了支座的結構成本。

圖7 改進后繩輪支座應力分布圖

圖8 改進后繩輪支座結構變形圖

5 結 論

隨著煤礦開采量的增大，使帶式輸送機具有較好的綜合性能，是保障煤礦高效率開采的重點。其中，提高帶式輸送機中繩輪支座的結構性能成為重要的改進點。因此，以云崗礦中B1400型帶式輸送為研究對象，得到了該設備中繩輪支座存在重量較重、安裝不方便、結構易變形或斷裂等問題，開展了繩輪支座的結構性能分析，找到了其結構上的薄弱位置，以此為基礎，對繩輪支座的重量及結構進行了改進設計，改進后的支座具有更高的結構性能，能更好的滿足帶式輸送機的使用需求，且結構重量得到明顯減低，大大解決了支座的安裝困難問題，節約了結構材料。該研究對提高繩輪支座的結構性能具有重要作用，也為保障云崗煤礦中帶式輸送機的安全作業提供重要支撐。