帶式輸送機重型滾筒承載應力分析

陳 澤

（晉能控股集團虎龍溝煤業公司技措隊， 山西 朔州 038300）

引言

隨著煤炭開采自動化技術的提高，煤炭開采效率的提高，對帶式輸送機的輸送能力也提出了更高的要求，具有較大的承載能力的帶式輸送機被逐漸應用到煤礦開采中。滾筒作為帶式輸送機的主要傳動部件，隨著載重的增加，滾筒的承載也需要隨之增加，避免出現滾筒的損壞[1]。重型滾筒是為滿足這一要求而設計的，滾筒結構復雜，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對重型滾筒的承載應力進行分析，確定其受力及變形狀態，可保證重型滾筒安全穩定地工作。

1 滾筒有限元模型的建立

滾筒的結構形式多樣，對于重型滾筒采用帶有加強環的鑄焊結構，結構形式如圖1 所示，在筒體內部焊接加強環，降低筒體在傳動過程中的變形，提高承載能力，傳動軸與筒體之間采用脹套進行連接，使接盤的應力分布更加均勻，滾筒的承載增加[2]。

圖1 滾筒結構示意圖（單位：mm）

采用SolidWorks 建立滾筒的三維模型，為便于展示滾筒的內部結構，采用剖面圖的形式展示滾筒模型，如圖2 所示。將滾筒直接導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench 中，進行有限元分析的前處理。

圖2 滾筒剖面模型

對滾筒的承載應力進行分析，選取接觸類型為摩擦（frictional）來得到接觸周邊的應力變化，脹套采用設定偏移量的方式來模擬脹套的過盈量。采用ANSYS Workbench 對滾筒模型進行網格劃分處理，使用處于模型中心的正方形網格，提高網格劃分的質量，便于進行滾筒的應力計算。對軸承所在滾筒的位置處施加圓柱型約束對滾筒實現徑向及軸向的固定約束，滾筒的軸向保持自由狀態，對傳動軸同樣施加圓柱約束[3]，實現軸向位置的約束。對筒體表面施加相應的載荷，為進一步分析滾筒應力及變形的產生過程，分別添加預緊力載荷及工作載荷，對滾筒的應力及變形進行分析。

2 滾筒有限元應力應變的分析

依據上述的模型設置，采用ANSYS Workbench有限元分析軟件對模型進行計算，對計算得到的結果進行后處理并輸出。在分析過程中，針對預緊力載荷及工作載荷采用不同的時間進行加載，首先加載預緊力，得到滾筒在預緊力作用下的應力應變；然后在此基礎上，加載工作載荷進行分析，得到滾筒在預緊力載荷和工作載荷共同作用下的應力應變，即滾筒在工作過程中的狀態[4]。

對于得到的結果進行對比分析，滾筒的應變位移變化如下頁圖3 所示，從圖3 中可以看出，滾筒在預緊力作用下的最大位移量為0.28 mm，最大位移的位置出現在脹套與筒體的接觸位置處，在預緊力作用下，筋板向外形變，筒體在各個筋板的位置處均產生變形；在預緊力載荷和工作載荷的共同作用下，滾筒的變形量明顯增加[5]，最大變形量為1.4 mm，最大變形位置出現在筒體的中心位置處，這是由于筒體在工作載荷作用下旋轉產生的變形。

圖3 不同載荷下滾筒的變形位移（mm）圖

滾筒的應力狀態分布如圖4 所示，從圖4 中可以看出，在僅有預緊力載荷的作用下，筒體的最大應力值為274 MPa，最大應力的位置位于與脹套相連接的輪轂位置處，在預緊力載荷及工作載荷共同作用下的最大應力值為295 MPa，位置同樣是與脹套相連接的輪轂。在數值上，輪轂的材料采用ZG275鋼，其屈服強度為275 MPa，最大應力值與屈服強度接近并略有增加，在輪轂的位置處產生一定的塑性變形，由于輪轂面加工精度較高，存在冷作硬化，會提高該位置處的強度，且不會造成輪轂位置處的破壞[6]。在預緊力載荷及工作載荷共同作用下的最大應力值增加量不大，說明滾筒的應力主要是由預緊力載荷作用引起的。

3 結論

1）通過對重型滾筒在預緊力載荷及工作載荷作用下的應力應變分析，結果表明，在兩種不同的載荷加載作用下，滾筒的最大變形量在數值上相差較大，并且最大變形的位置不同，說明滾筒的變形主要是由工作載荷引起的，在工作狀態下的旋轉運動，成為變形的主要原因。在兩種不同的載荷加載作用下，滾筒的最大應力值相差不大，并且出現最大應力的位置相同，說明滾筒的應力主要是由預緊力載荷引起的，工作載荷對于應力的影響不大，在預緊力載荷作用下，滾筒的輪轂位置處產生一定的塑性硬化，可以提高輪轂的強度，滿足重型滾筒的使用需求。

圖4 不同載荷下滾筒的應力（MPa）分布圖

2）對重型滾筒的應力應變進行分析，由于重型滾筒采用焊接的方式進行加工，在進行分析時，對焊縫采用統一性材料進行處理，在進行生產過程中，要提高焊接的工藝，保證焊縫的質量，避免焊縫位置處出現開焊、氣孔等現象損壞重型滾筒的使用，對帶式輸送機的運行穩定性造成障礙。