SSJ680型帶式輸送機傳動滾筒結構強度的分析

王 智

(霍州煤電集團有限責任公司 龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

0 引言

帶式輸送機的結構比較簡單，主要包括皮帶、滾筒、托架等部件。帶式輸送機具有運輸能力強、工作噪聲小、故障率低、能耗小、安裝與使用方便等優點，被廣泛應用于煤礦開采、輕化工、交通運輸、汽車制造等行業。由于帶式輸送機的諸多優點，在社會經濟的發展中發揮著重要的作用，同時輸送機的結構、性能也在不斷改進與提高，積極地適應了經濟發展的需求。

輸送機結構雖然相對比較簡單，但是由于長期處于物料沖擊載荷的反復作用下，滾筒結構容易發生故障。滾筒結構中存在的焊縫容易在疲勞載荷的反復作用下萌生裂紋，微小裂紋在疲勞載荷的作用下不斷擴展，從而致使結構產生嚴重破壞。因此需要對滾筒的結構強度進行分析，以提高滾筒的性能[1]。

1 SSJ680型帶式輸送機滾筒

帶式輸送機的工作原理相對比較簡單，滾筒在運行時與傳輸皮帶產生一定的摩擦力，借助該摩擦力實現對輸送機傳送帶上物料的運輸。SSJ680型帶式輸送機滾筒運輸能力較大，屬于重型滾筒。其傳動滾筒的結構如圖1所示，主要包括筒皮、滾筒軸、輻板以及輪轂等部件。

圖1 傳動滾筒結構

滾筒表面形式多樣，SSJ680型帶式輸送機滾筒為包膠滾筒，可提供足夠大的表面摩擦力，有效地避免皮帶打滑，能適應工作環境較為復雜的情況。滾筒主要受皮帶正壓力和摩擦力的作用，摩擦力的大小與正壓力相關。在對滾筒強度進行分析時，皮帶對滾筒的正壓力并不是均勻分布的，其壓力的大小與接觸角之間有一定的函數關系[2]。

2 分析模型的建立

首先，根據SSJ680型帶式輸送機傳動滾筒的工程圖紙，基于Croe軟件建立其三維實體模型，為便于有限元的計算，簡化了模型中一些不影響應力分析的細小特征，如孔、凹槽等。然后，將三維實體模型以STP格式導入Hypermesh軟件中，對模型進行網格處理。

2.1 滾筒參數

根據SSJ680型帶式輸送機技術參數可知，輸送機輸送能力為Q=1 400 t/h；主要輸送介質為散煤，輸送機上煤料的堆積密度為ρ=970 kg/m3；滾筒直徑為1 250 mm；皮帶寬度為2 200 mm，皮帶運行速率為v=5 m/s；滾筒與皮帶之間的摩擦因數μ=0.35；輸送帶上單位長度煤炭質量QB=18 kg/m[3]。

2.2 材料屬性

輸送帶滾筒各部件的材料參數如下：滾筒軸與輪轂的材料均為Q235，該材料的屈服強度為235 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.26；鑄造接盤的材料為ZG230-450 H，其屈服強度為230 MPa，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27[4]。

2.3 網格劃分

由于Hypermesh軟件具有強大的網格處理功能，因此將滾筒三維模型導入軟件，采用六面體單元和掃掠網格劃分方法，得到滾筒的網格模型如圖2所示，滾筒筒體共生成132 572個單元和92 408個節點[5]。

圖2 滾筒網格模型

2.4 邊界與載荷

滾筒的約束條件相對比較簡單，僅需要對滾筒軸的X、Y、Z方向的位移進行限制，同時將X、Y方向的旋轉自由度設置為0。滾筒徑向所受的載荷情況由表面載荷與皮帶夾角之間的函數關系確定，對加載實際過程以及載荷計算在此不再一一贅述。

3 滾筒受力分析結果

根據ANSYS有限元分析計算結果，其應力分布情況與滾筒在實際使用中受力相似，如圖3所示，滾筒的最大應力出現在滾筒軸與軸承的接觸面，同時脹套與輪轂、輻板等位置應力都較大。滾筒面由于與皮帶直接接觸，具有一定的應力分布，但相對其他區域分布比較均勻，滾筒的最大應力值為37.304 3 MPa。校核滾筒的強度，滾筒的材料主要為Q235，其屈服強度為235 MPa，根據滾筒等效應力計算結果，核算滾筒滿足強度要求。但由于滾筒在工作時，皮帶對滾筒的載荷直接作用于滾筒，同時物料下降的沖擊載荷容易對滾筒造成損傷。而筒殼與輻板的連接位置存在焊縫，存在應力集中的情況，是滾筒結構中的薄弱區域。

圖3 滾筒應力分布圖

圖4為滾筒位移云圖。由圖4可以看出，滾筒的最大變形出現在筒皮的中部，最大位移值為0.537 mm，總體變形量較小，不影響滾筒的使用。因此可以考慮在不影響滾筒結構強度與剛度的基礎上對其進行減重優化，同時可以采用內部加筋的方式降低結構中存在應力集中的問題。

圖4 滾筒位移云圖

4 滾筒結構優化設計分析

滾筒作為帶式輸送機重要的承載部件，在使用過程中常出現不同的故障，如出現疲勞裂紋的萌生、關鍵零部件在沖擊載荷下折斷等現象。為了有效提高帶式輸送機的使用壽命與可靠性，現對SSJ680型帶式輸送機傳動滾筒結構優化改進提出兩點建議：

(1) 由于滾筒為焊接結構，不可避免地在滾筒內部存在較多的焊縫，根據滾筒強度分析結果，在輪轂與筒皮、滾筒軸與輪轂連接位置應進行合理的焊縫布置，通過改進工藝減少焊縫的數量，從而提高滾筒的可靠性。

(2) 由于仿真計算的結果顯示滾筒中部的變形較大，為了有效降低滾筒的變形量，可在滾筒內部輪轂之間設置加強筋板，增加滾筒的抗變形能力，同時可對應力分布較小的區域進行合理的減重優化，達到提高滾筒使用性能的目的。

5 結論

本文以SSJ680型帶式輸送機傳動滾筒為研究對象，分析滾筒的受力情況，根據該型帶式輸送機工程圖紙建立了滾筒的三維模型。基于ANSYS創建滾筒的有限元分析模型，通過計算分析得到了滾筒的應力、變形的分布情況。根據計算結果，滾筒的最大應力值為37.304 3 MPa，最大應力點位于輪轂與輻板連接位置；最大位移值位置在滾筒中部，最大位移為0.537 mm，最后核算強度與剛度均滿足設計要求。根據計算分析的結果對該型帶式輸送機滾筒結構提出兩點優化建議：①由于滾筒內部存在較多的焊縫，應力分布情況顯示在焊縫連接位置容易出現應力集中，為了提高滾筒的性能可減少滾筒內部焊縫數量；②增加滾筒的剛度，可在輪轂之間增加加強筋板，可有效提高滾筒的剛度。