關于TD150 型帶式輸送機傳動滾筒不同材料性能的研究

肖旭輝

（山西潞安集團蒲縣黑龍煤業有限公司， 山西 臨汾 041204）

引言

帶式輸送機主要由兩個端點滾筒以及緊套于其上的輸送帶組成，結構相對簡單且具有運輸能力大、噪音小、能耗低、安裝與拆卸方便等優點，被廣泛應用于煤礦開采、化工、交通運輸等行業[1]。

帶式輸送機運輸距離較長，維護比較方便，但其滾筒由于常受到物料的不斷沖擊載荷容易產生故障。為研究提高帶式輸送機的可靠性，從滾筒的材料使用入手，分析采用鑄焊結構滾筒與焊接結構滾筒的結構性能差異，為提高滾筒的可靠性研究提供參考[2]。

1 帶式輸送機傳動滾筒介紹

本文將對TD150 型帶式輸送機的兩種滾筒進行性能對比分析，分別為鑄焊結構滾筒，如圖1-1 所示；焊接結構滾筒如圖1-2 所示。兩滾筒直徑均為630 mm，滾筒長度1 150 mm，下面分別對其做簡要介紹。

1.1 鑄焊結構滾筒

鑄焊結構的主要特點是滾筒軸與輪轂之間依靠脹套進行連接，使得結構在輪轂與副板之間連接，避免使用焊縫。由于焊縫的過量使用可能會導致滾筒內部應力集中比較明顯，且不容易消除，在使用過程中可能會出現問題。

1.2 焊接結構滾筒

圖1 兩種不同制造工藝的滾筒

焊接結構滾筒顧名思義，在滾筒內連接處均使用了焊縫連接，其優點是制造工藝相對簡單，價格相對便宜。但由于其輪轂、輻板和筒體拼焊而成，焊縫引入的不確定因素較多，焊縫的質量無法保證，難免會出現焊接缺陷，引起焊接變形及內應力現象。

2 滾筒有限元分析模型建立

2.1 滾筒模型建立

2.1.1 三維模型

首先基于CATIA 軟件分別建立了兩種滾筒的三圍模型，CATIA 具有強大的建模能力，且有限元軟件之間文件對接比較方便，模型參數互通，具有自主網格劃分的優勢。

根據TD150 型帶式輸送機相關技術參數，創建兩種滾筒的三維模型，已知輸送機送能力為Q=1 500 t/h，主要輸送介質為散煤，煤料的堆積密度為ρ=900 kg/m3，該型輸送機機長L=125 m，最大提升高度H=7.5 m，帶寬B=1 000 mm，帶速v=5 m/s，滾筒的摩擦系數μ=0.35，輸送帶上單位長度煤炭質量qB=14 kg/m[4]。

2.1.2 材料屬性

輸送帶滾筒各部件的材料參數如表1 所示。

2.1.3 網格劃分

利用CATIA 自帶有限元前處理模塊劃分網格，對兩種滾筒的網格劃分參數設置相同，兩種滾筒的網格劃分略有差異，但不影響計算。設置網格單元尺寸10 mm，采用四面體單元類型，焊接滾筒共生成315 712 個單元，生成112 076 個節點；鑄焊滾筒生成419 240 個單元，生成133 571 個節點，由于篇幅所限，不再對一一例舉[5]。

2.2 載荷工況與邊界條件

表1 傳動滾筒的材料參數

2.2.1 載荷

在對滾筒載荷進行計算時，對模型所有的載荷進行近似處理。滾筒所受徑向載荷沿軸向方向的分布可以視為均布，可以將滾筒包圍角滑動弧部分劃分為11 個區域，每段區域內所受的壓力取平均值。

皮帶與滾筒接觸區域如圖2 所示，已知此時的皮帶緊邊張力S1=30.5 kN，將皮帶與滾筒接觸區域劃分為11 份，每小弧段角度為14.6°，根據皮帶接觸角度與軸向力的關系，可以確定在各個弧段的壓力值大小，每個弧段內再取平均值，即得到了皮帶對滾筒不同角度的作用力。由于篇幅所限，在此不再對每個區域平均作用力計算做詳細說明，如表2 所示，為皮帶與滾筒接觸區，11 個區域的等效平均作用力。

圖2 模型網格劃分示意圖

表2 滾筒不同位置壓力值

2.2.2 邊界條件

根據滾筒所受的實際邊界條件進行施加約束，在靜強度分析時，視滾筒為靜止部件，在滾筒軸設置支撐固定約束，設置自由度為0。

3 兩種滾筒對比分析

如圖3 所示，計算得到了兩種滾筒的Von Mises應力分布情況，根據應力分布結果來看，兩種材料的最大應力值均出現于輸送帶繞入滾筒的切點附近，鑄焊結構滾筒最大應力為3.13 MPa，焊接結構滾筒最大應力值為4.62 MPa。

由于帶式輸送機在工作中驅動滾筒需依靠摩擦帶動皮帶，可知滾筒應力集中區域為滾筒與輻板內側接觸環形區域內，如圖4 所示，為θ=146°～190°時，沿軸向方向的位移值。

圖3 不同滾筒壓力分布情況

圖4 不同滾筒位移沿軸向分布情況（θ=146°～190°）

在分析得到的位移云圖匯總發現最大位移值出現在11 區域θ=146°～190°沿軸向的位移值，鑄焊結構最大位移值為0.013 5 mm，焊接結構最大位移值為0.020 9 mm。

綜合分析兩種制造工藝的滾筒，可以知道無論是結構應力還是應變，鑄焊結構滾筒性能明顯要優于焊接結構滾筒。主要是由于鑄造結構滾筒與焊接結構滾筒相比，焊縫少、內部存在的應力集中的情況較小，通過仿真分析，也驗證了鑄焊結構滾筒性能比焊接結構滾筒力學性能更優的結論。

4 結論

基于有限元靜力分析，研究鑄焊結構滾筒與焊接結構滾筒力性能差異性，分析結果顯示鑄焊結構滾筒相較于焊接結構的應力值、位移值均較小，分析也驗證了鑄焊結構滾筒具有更優性能的結論，為輸送機滾筒結構設計提供參考。