礦用帶式輸送機傳動滾筒結構輕量化設計研究

常 遠

（山西西山煤電股份有限公司東曲礦選煤廠， 山西 古交 030200）

引言

在煤礦惡劣的作業環境當中，帶式輸送機的傳動滾筒所受的載荷作用形式多樣，不僅將受到煤炭物料的載荷力，還將受到帶式傳送機構的張力，長期作用條件下容易使傳動滾筒結構發生破壞[1]。目前對傳統滾筒的結構設計僅從受力方面進行了考慮，優化傳動滾筒結構是煤礦企業技術人員所面臨的難題，整體的傳送系統需要多個傳動滾筒組成，如果能降低每個傳統滾筒的重量，在保證傳動滾筒結構工作強度的條件下將減小整個傳動系統的消耗能量，對于整個開采工藝生產線有積極的作用[2]。在現代化煤礦企業的發展中，綠色發展理念尤為重要，降低機械設備的能量消耗也是發展目標之一，傳動滾筒的結構輕量化設計是綠色發展理念的重要實踐。通過有限元仿真技術優化模塊，降低傳動滾筒質量，可有效提高傳動滾筒的使用壽命，保障煤礦生產企業經濟效益的最大化[3]。

1 傳動滾筒受力載荷分布

輸送機具有過載保護、減震緩沖的作用，在輸送煤炭物料的時候保證其安全。當驅動裝置運行的時候，將傳遞較大的扭矩給傳動滾筒的軸結構，傳動滾筒依據擬定的轉速進行旋轉，帶動整個皮帶對煤炭物料進行輸送。

經相關研究資料分析可知，傳動滾筒與皮帶接觸表面的載荷力可按照線性關系進行研究，煤炭物料一般均勻分布于皮帶上面，可假設皮帶傳遞給滾筒的力為均勻分布。但實際上皮帶中間所受的力要大，所以滾筒表面的受力載荷呈現為類似正弦函數分布狀態[4]，如圖1所示。

圖1 傳動滾筒表面載荷分布圖

2 仿真模型建立

2.1 三維模型建立

以煤礦企業常用的ZP60型帶式輸送機為研究對象，按照實際1∶1比例進行模型建立，傳動滾筒的相關模型參數如表1所示。

表1 傳動滾筒模型參數 mm

依據上述傳動滾筒的模型參數建立三維立體模型，在建立模型前應對其結構進行簡化，以提高仿真計算的精確性，具體簡化原則如下[6]：

1）去除各零碎部件如倒角、圓角等并重新配重；

2）不考慮焊縫作用，將焊縫處視為與結構同材料；

3）注重主要影響結構性能的部件，對于一些不重要的零部件進行簡化；

4）忽略部分軸間高度，將軸視為等直徑軸；

5）將軸承座對滾筒軸的約束簡化為簡支梁形式；

6）不考慮脹套內、外環的接觸問題，將脹套看成一個統一實心體。

傳動滾筒的三維模型圖如下頁圖2所示。

2.2 仿真模型計算分析

2.2.1 仿真模型定義

通過ANSYS仿真軟件選取適合仿真計算的網格單元模型，為確保仿真結果的精確性，采用六面體四節點的單元結構，選取SOLID45單元類型作為本次劃分后網格單元類型。在確定的網格單元類型后，對傳動滾筒組成部件的材料進行選取，如表2所示。

按照20 mm×20 mm×20 mm網格大小分別對筒殼、接盤、脹套進行劃分，對于局部需要特別計算載荷力分布的地方進行網格細化，根據實際工況載荷在ANSYS軟件中對傳動滾筒施加力矩傳動作用，并對仿真模型設置邊界條件，輸入的扭矩引起輸送帶兩側張力的變化，可將其模擬為作用在傳動滾筒上的正壓力和摩擦力。傳動滾筒仿真模型如圖3所示。

表2 傳動滾筒部件材料參數

圖2 傳動滾筒模型

圖3 傳動滾筒仿真模型圖

2.2.2 仿真模型結果分析

圖4為傳動滾筒的應力分布狀況，可以看出銅殼結構已經發生了變形，在結構中部向下彎曲，最大應力值為37.476 MPa。在銅殼結構的中部出現了應力集中現象，整體的銅殼結構向內凹陷。但依據傳動滾筒的材料選取可知，最大應力沒有超過材料的安全工作極限應力，目前結構的安全性還是可以滿足實際工況要求。

3 結構輕量化優化結果

通過分析可知現有傳動滾筒的結構能夠滿足實際工況要求，如果能進一步優化傳動滾筒結構，實現輕量化設計，并且能滿足實際公共要求，將極大地提升傳動滾筒的使用壽命。

圖4 傳動滾筒應力（MPa）分布圖

通過ANSYS仿真軟件的數據優化模塊，將安全應力數值設置為目標參數，利用APDL的二次開發工具，通過編程語言對傳動滾筒的尺寸材料等參數進行二次開發，傳動滾筒在滿足其剛度、強度的條件下，以滾筒軸直徑d、滾筒殼厚度s、輻板厚度h為設計變量，滾筒總重量t最小為目標函數，優化后的相關參數如表3所示。

表3 優化前后參數對比

傳動滾筒軸徑逐漸減小，筒殼厚度和輻板厚度逐漸變薄，在結構設計上節省了材料。將優化后的結構參數重新建立仿真模型，按照原始仿真的相關參數進行定義，結果分析如圖5所示。

圖5 優化后傳動滾筒應力（MPa）分布圖

通過APDL二次開發工具多次迭代計算，在第9次迭代后得出了最優結果，優化后的傳動滾筒質量為5.98 t，整體的總質量減輕了23.6%，并且由圖5可知優化后的傳動滾筒的應力分布更加均勻，在滾筒下端相同位置，優化后的應力數值為26.433 MPa，相比原有應力值37.476 MPa下降了29.47%，應力集中現象明顯降低。因此，優化后的傳動滾筒不僅減輕了整體質量，還實現了結構的輕量化設計，有效降低了結構的應力集中現象，其效果較為明顯。

4 結語

通過有限元仿真技術的二次開發工具，制定結構輕量化的指標參數，通過多次迭代得出了最優的輕量化設計指標數據，形成了各個指標的最優組合。優化后的新型傳動滾筒不僅可以滿足日常開采作業設備結構強度的要求，還能降低自身質量，實現綠色發展理念，并減小煤礦企業的生產成本。傳動滾筒的輕量化設計理念為煤礦其他開采設備的優化設計提供了依據。