DTL120 型礦用帶式輸送機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)性能研究

馮艷山

（山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)公司， 山西 交城 030500）

引言

隨著國家工業(yè)水平的快速發(fā)展，不同類型的帶式輸送機(jī)憑借其運(yùn)輸方便、生產(chǎn)效率高、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到了煤礦開采領(lǐng)域[1]。而滾筒作為帶式輸送機(jī)上的關(guān)鍵部件，保證其具有較高的結(jié)構(gòu)性能及較長的使用壽命，對(duì)提高礦用帶式輸送機(jī)的作業(yè)效率及安全具有重要作用[2]。隨著滾筒在帶式輸送機(jī)上的長時(shí)間運(yùn)行，加上經(jīng)常受到較大的外界沖擊，導(dǎo)致出現(xiàn)滾筒磨損嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)變形或開裂故障，滾筒一旦出現(xiàn)故障失效，將會(huì)造成設(shè)備的停產(chǎn)維修，這將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，找到滾筒使用中薄弱部位，掌握其結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，提高滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，已成為當(dāng)前企業(yè)及設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。而采用有限元分析方法來從理論方面開展?jié)L筒的理論研究，成為當(dāng)前最為經(jīng)濟(jì)、有效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和發(fā)展趨勢(shì)。

1 滾筒的分類

滾筒作為帶式輸送機(jī)中的關(guān)鍵部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由軸承座、輪轂、筒殼、滾筒軸等組成，根據(jù)其加工生產(chǎn)方式的不同，可將其分為全焊接結(jié)構(gòu)和鑄焊接結(jié)構(gòu)等形式。全焊結(jié)構(gòu)主要是將筒殼、輪轂、輪輻等部件進(jìn)行焊接，而鑄焊接結(jié)構(gòu)主要是將輪輻和輪轂鑄造為一體式結(jié)構(gòu)。全焊接式滾筒具有承受載荷力小、制造方便、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，已在帶式輸送機(jī)中廣泛應(yīng)用。根據(jù)軸與輪轂的連接特點(diǎn)，滾筒又分為了鍵連接和靜配合連接，其中配合連接具有傳動(dòng)扭矩大、定心性能好、承載能力高、承受沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)。另外，根據(jù)滾筒的功能特點(diǎn)，將其分為了改向滾筒和傳動(dòng)滾筒，與改向滾筒相比，傳動(dòng)滾筒能承受較大的外力作用，其表面也能承受較大的反向壓力和切向摩擦力作用；為提高其結(jié)構(gòu)的扭矩傳遞效果，傳動(dòng)滾筒的軸主要通過脹套方式與輪轂進(jìn)行連接，在帶式輸送機(jī)中應(yīng)用的較為普遍。傳動(dòng)滾筒由于采用了全焊接方式，在其使用過程中，極易在焊縫位置處出現(xiàn)焊接開裂，以及滾筒磨損嚴(yán)重、內(nèi)部軸承損壞等問題，需要對(duì)其維護(hù)或拆卸更換，極大影響了帶式輸送機(jī)的正常作業(yè)，失效嚴(yán)重時(shí)，也將給設(shè)備及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)成嚴(yán)重的安全威脅。因此，實(shí)時(shí)掌握滾筒在不同工況條件下的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，對(duì)有效采用相關(guān)措施來防止事故發(fā)生具有重要作用。

2 滾筒結(jié)構(gòu)分析模型建立

為進(jìn)一步分析傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)合DTL120 型礦用帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了該輸送機(jī)中傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)分析模型。傳動(dòng)滾筒的外形結(jié)構(gòu)如圖所示，所建立的滾筒外殼直徑為780 mm，筒殼厚度為20 mm，輪轂430 mm，輪轂長度為140 mm，輻板厚度為20 mm。同時(shí)，ABAQUS 軟件將所建立的滾筒模型材料設(shè)置為Q235 材料鋼，其材料的主要性能參數(shù)如下頁表1 所示。對(duì)滾筒進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm。由于滾筒除了受到膠帶的張力和滾筒自身重力作用外，也受到軸端的扭矩作用，故在模型建立過程中，可通過軟件自帶的SURF154 來法向正壓力和切向摩擦力進(jìn)行設(shè)置。另外，利用球坐標(biāo)約束方式對(duì)軸外表面進(jìn)行了約束，而利用輸入端耦合自由度的方法對(duì)滾筒繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度進(jìn)行約束限制。滾筒1/2 模型法向正壓力圖如下頁圖2 所示。

3 傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)性能分析

結(jié)合帶式輸送機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境，開展了傳動(dòng)滾筒在無裝配預(yù)應(yīng)力和有裝配預(yù)應(yīng)力條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化分析研究。

圖1 傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)簡圖

表1 傳動(dòng)滾筒材料主要參數(shù)

圖2 滾筒1/2 模型法向正壓力圖

3.1 傳動(dòng)滾筒在無裝配預(yù)應(yīng)力的分析

通過建立的傳動(dòng)滾筒仿真模型，得到了滾筒在無裝配預(yù)應(yīng)力條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖，如圖3 所示。由圖可知，整個(gè)滾筒結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了無規(guī)則的應(yīng)力集中現(xiàn)場(chǎng)，主要集中在輻板與輪轂之間的過渡圓上，且內(nèi)圓左右兩側(cè)的應(yīng)力值最大，達(dá)到了55.307 MPa，并沿外圓呈逐漸降低趨勢(shì)，輻板上下兩端的應(yīng)力也相對(duì)較小。整個(gè)滾筒的最大應(yīng)力控制在其材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。由此，掌握了傳動(dòng)滾筒在無裝配預(yù)應(yīng)力條件下的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

圖3 滾筒中輻板與輪轂等效應(yīng)力（MPa）云圖

3.2 傳動(dòng)滾筒有裝配預(yù)應(yīng)力的分析

圖4 為滾筒在有裝配預(yù)應(yīng)力條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖。由圖可知，滾筒上的脹套、輪轂等不同部件均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中，輪轂上的最大應(yīng)力為148 MPa，脹套軸上的最大應(yīng)力為80 MPa，出現(xiàn)在脹套與軸之間的配合連接處，筒殼上的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在與輻板連接處，且沿配合區(qū)域呈逐漸減小趨勢(shì)。針對(duì)輻板結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力由一側(cè)向徑向呈逐漸減少趨勢(shì)，到滾筒殼體處呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。另外，滾筒輻板在預(yù)應(yīng)力作業(yè)下呈向外膨脹趨勢(shì)。由此可知，滾筒上的輪轂結(jié)構(gòu)是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦滾筒在較大外力且長時(shí)間的作業(yè)過程中，極容易率先在輪轂部位處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或開裂現(xiàn)象，這給滾筒的安全運(yùn)行構(gòu)成了重要威脅。

圖4 滾筒有裝配預(yù)應(yīng)力（MPa）圖

4 傳動(dòng)滾筒改進(jìn)措施及效果分析

4.1 傳動(dòng)滾筒改進(jìn)措施

結(jié)合前文對(duì)滾筒不同工況環(huán)境下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況分析可知，傳動(dòng)滾筒的輪轂及輻板是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，雖其應(yīng)力強(qiáng)度控制在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，但在其長期使用過程中，極容易率先在滾筒及輻板部位上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重中會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)開裂或斷裂等故障現(xiàn)象，這給滾筒及帶式輸送機(jī)的作業(yè)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為此，結(jié)合傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了如下改進(jìn)措施：

1）將滾筒的材料由當(dāng)前的Q235 材料改為Q345材料，雖在一定程度會(huì)增加材料成本，但與部件的作業(yè)安全及更換頻率相比，將降低設(shè)備的總體費(fèi)用；

2）在現(xiàn)有輻板厚度基礎(chǔ)上，將其厚度增加2mm，并在輻板應(yīng)力集中較大區(qū)域開設(shè)φ2mm 的較小圓孔，可有效將輻板上集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圓孔處，減小輻板的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

3）將輪轂的材料設(shè)置為45 號(hào)鋼，以此增加輪轂材料的耐磨性，減小與軸之間的接觸摩擦力；

4）將滾筒中的軸承由滾動(dòng)球軸承改為圓錐軸承，以提升軸承的受力情況及使用壽命；

5）定期對(duì)滾筒的磨損及變形情況進(jìn)行檢查維修，添加潤滑油，針對(duì)出現(xiàn)疲勞失效的滾筒，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修更換，以保證帶式輸送機(jī)的使用壽命及作業(yè)安全性。

4.2 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

結(jié)合所提出的傳動(dòng)滾筒改進(jìn)措施，生產(chǎn)了一批滾筒部件，并將其在DTL120 型礦用帶式輸送機(jī)上進(jìn)行了安裝使用。在為期6 個(gè)月的設(shè)備使用過程中，與原來的滾筒使用情況相比，改進(jìn)后的滾筒整體結(jié)構(gòu)的磨損程度及結(jié)構(gòu)變形程度明顯減少，滾筒運(yùn)行時(shí)的噪聲也明顯降低，滾筒的故障情況由原來的將近10 次降低至2 次，帶式輸送機(jī)也因設(shè)備維修故障率的降低而使其生產(chǎn)效率提高了將近50%。由此，驗(yàn)證了此研究思路及改進(jìn)措施具有一定的可靠性及可行性。

5 結(jié)論

采用最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法開展礦用帶式輸送機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)性能研究，成為當(dāng)前企業(yè)重點(diǎn)思考的方向。保證滾筒具有更高的結(jié)構(gòu)性能及降低的故障概率，是降低企業(yè)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵之一。本文的研究對(duì)提升帶式輸送機(jī)的生產(chǎn)效率具有重要作用，為其他部件的性能提升研究提供重要指導(dǎo)。