礦用帶式輸送機滾筒結構性能的研究

張春生

（霍州煤電集團汾源煤業有限公司，山西 靜樂 034000）

引言

煤礦的現場開采任務中，礦用帶式輸送機是所開采煤礦負責運輸的重要設備，其設備的高效性能直接影響著整個煤礦的開采效率[1]。但由于井下環境相對惡劣，經常會有大量的粉煤灰聚集，加之所運輸煤礦重量不統一，設備中的滾筒及皮帶經常會有較大的沖擊載荷作用，導致設備在運行時經常出現電機燒壞、皮帶磨損嚴重、滾筒變形或開裂等失效現象，一旦設備出現故障無法運轉，將嚴重影響煤礦的開采量及現場作業安全[2]。通過更加有效的方法對帶式輸送機中關鍵部件結構性能進行分析研究，已成為當前的重要任務。為此，以滾筒為分析對象，采用了有限元分析方法，開展了滾筒在使用過程中的結構性能研究，并對滾筒的結構提出了優化改進措施，這對提高滾筒的使用壽命、保證帶式輸送機的作業安全具有重要意義。

1 帶式輸送機結構特點分析

帶式輸送機是煤礦開采中三大開采設備之一，其結構主要包括了滾筒、驅動電機皮帶、導向滾筒、拉緊滾筒、拉緊裝置、緊繩裝置、上托輥、下托輥、電機等組成。其中，滾筒是帶式輸送機中的重要部件，與皮帶進行配合，在驅動電機的驅動作用下，能實現將皮帶上的煤礦運輸至指定地點[3]。根據滾筒的功能特點，可將其分為驅動滾筒、改向滾筒、輕型滾筒、中型滾筒、重型滾筒等類型。帶式輸送機中滾筒結構復雜，包含各類脹套連接和焊接結構，主要分為鍵連接、脹套連接全焊結構，除此之外還包括鑄焊結構。其中帶加強環柱焊結構是目前常用的超重型滾筒類型，極大地提高了滾筒的輸送效率。滾筒在實際過程中會出現筒殼磨損嚴重、焊縫開裂、滾筒外殼磨損、輻板變形等失效現象，分析其原因為滾筒在使用過程中受到了來自外部的不均勻沖擊載荷作用，導致滾筒的局部區域出現了較大的結構變形現象，嚴重影響著帶式輸送機的作業效率[4]。為此，有必要采用有限元分析方法對其結構性能進行分析研究。

2 滾筒模型建立

2.1 滾筒三維模型建立

滾筒作為帶式輸送機中的關鍵部件，掌握其結構在使用中的結構性能，對保障帶式輸送機的高效運行至關重要。為此，采用了SOLIWORKS 軟件，對滾筒進行了三維模型建立，在建模過程中主要對滾筒的外殼、滾筒筋板、內殼及軸承安裝座等特征進行了模型建立，并對模型中的圓角、倒角、過渡圓弧等特征進行了模型簡化[5]，僅保留了滾筒中的關鍵特征，按照滾筒的1∶1 模型比例，完成了滾筒的三維模型建立，如圖1 所示。

圖1 滾筒三維模型

2.2 滾筒仿真模型建立

在完成滾筒的三維模型建立后，采用了ABAQUS 軟件，開展了滾筒仿真模型的建立。在建模中，將滾筒的材料設置為了Q235 材料，其彈性模型為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，材料密度設置為7 850 kg/m3，材料的屈服強度為235 MPa，并將材料的各項參數賦予至模型中[6]。同時，根據滾筒的模型結構特點，將其模型類型設置為solid 實體單元類型，并對其進行了網格劃分，網格大小設置為12 mm，同時，將滾筒中的旋轉軸添加至滾筒中，滾筒的網格劃分如圖2 所示。另外，根據滾筒的實際使用特點，在軟件中將其摩擦系數設置為了0.35，最大緊邊張緊力設置為1 950 kN，松邊張力設置為1 000 kN。由此完成了滾筒仿真模型的建立。

圖2 滾筒的網格劃分圖

3 滾筒結構性能分析

3.1 滾筒應力變化分析

根據所建立的滾筒仿真結果，得到了滾筒在使用過程中的應力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，整個滾筒結構上的應力分布相對不均勻，在滾筒的外殼的中部及左右兩側的加強筋板上均出現了較大的應力集中現象，在滾筒的內殼體及兩端的軸承安裝座上也出現了一定的應力集中現象，但相對較低。滾筒出現此現象的原因為滾筒的外殼中部在使用時受到了較大的外界載荷作用，由于滾筒中部為中空結構，故作用力傳遞至了滾筒的左右兩端筋板及內殼上。此受力規律與理論分析結果基本相似。由此可知，滾筒的左右筋板及外殼中部是整個結構的薄弱部位，在設計及實際使用時需重點考慮。

圖3 滾筒的應力變化圖

3.2 滾筒結構位移分析

通過仿真分析，得到了滾筒在使用過程中的位移變形圖，如圖4 所示。由圖可知，滾筒整體也出現了較為明顯的結構變形，最大變形位移發生在滾筒外殼的中部區域，呈現向內壓變形狀態，外殼的其他區域變形量也相對較大；沿著滾筒軸中心方向，變形量呈逐漸減少的變化趨勢，滾筒的左右筋板外端變形量也相對較大。出現此現象的原因為滾筒在運行過程中首先是外殼受到較大的外部沖擊作用而發生了向內變形，通過外殼傳遞至滾筒的其他區域，此規律與滾筒的應力變化規律相同，也驗證了此研究的正確性。由此可知，滾筒的外殼在使用過程中將首先在外殼率先接觸區域出現較大幅度的變形，是整個結構的薄弱部位。一旦滾筒外殼出現了結構嚴重變形或開裂等失效現象，滾筒將無法運行，甚至會使皮帶出現斷裂風險，需對滾筒進行優化改進。

圖4 滾筒的位移變化圖

4 滾筒結構優化改進

根據前文分析，滾筒在實際使用過程中，其滾筒的外殼中部接觸區域及左右筋板均出現了較大的應力集中及結構變形，是整個結構的薄弱部位，為提高滾筒的使用壽命，需對其進行結構優化改進設計。

1）將滾筒外殼的厚度在現有基礎上增加2 mm，并在滾筒外殼與內殼之間的中間區域增加加強筋結構，保證外殼中部具有一定的支撐作用，提高外殼的結構強度；

2）將左右筋板的厚度增加2 mm，將筋板的高度增加2 mm，并根據滾筒的結構特點，適當增加筋板的數量，以保證左右筋板具有更高的結構強度；

3）將滾筒的材料由Q235 改為Q345 材料，增加滾筒材料的屈服強度，在同等設計條件下可有效增加滾筒的結構強度及受力情況。

4）針對滾筒外殼，可在其滾圓加工時對其進行淬火及調質處理，以提高材料的結構剛度，減少外殼的整體變形；

5）與滾筒配套的軸承選用承力更好的軸承，并定時對軸承及中間軸等區域添加潤滑油，減小滾筒與軸承之間的摩擦，降低滾筒的摩擦損壞。

5 結語

由于煤礦井下環境惡劣，時刻會因各類因素影響而發生無規律的變化，這對設備中部件的使用壽命造成了重要影響，可能大大降低部件的壽命。采用最有效的有限元分析方法對部件的結構性能進行分析研究，掌握其部件的變化規律，已是當前提高設備壽命的重要手段。為此，通過建立礦用帶式輸送機中滾筒的仿真模型，開展了滾筒在使用過程中的應力及結構位移研究，得出“滾筒的外殼接觸部位及左右筋板是整個結構的薄弱部位，極容易率先發生失效現象”的結論。由此從結構尺寸、結構布局、材料屬性、熱處理加工工藝等方面提出了滾筒的優化改進措施，這對以后提高滾筒的結構性能及使用壽命起到了重要指導參考。