基于不同脹套連接下的礦用帶式輸送機滾筒結構性能研究

楚 瑤

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備科大機械有限公司，山西 大同 037000）

引言

礦用帶式輸送機作為煤礦開采中的關鍵設備，由于其具有輸送效率高、操作方便、運輸量大等特點，得到了廣泛應用[1]。由于煤炭輸送過程中會掉落較多的煤石并聚集在設備的各類部件縫隙中，加上單位面積上皮帶經常處于超負荷運輸狀態，導致帶式輸送機運行時經常出現皮帶磨損嚴重、滾筒嚴重變形、電機燒壞等失效問題。帶式輸送機由于與其他設備是串聯同步作業，一旦此設備出現故障問題，將極可能使得整個工作面的煤礦開采處于停機狀態[2]。滾筒作為帶式輸送機中的關鍵設備，減少其結構出現的結構變形、局部開裂或斷裂等故障問題，對提高帶式輸送機的運輸效率意義重大。為此，對滾筒在不同脹套結構下的綜合性能進行研究。

1 帶式輸送機結構及滾筒特點分析

帶式輸送機作為煤礦中的關鍵設備，其結構主要包括輸送帶、驅動裝置、滾筒、托輥、張緊裝置、漏斗、清掃器等，具有運量大、爬坡能力強、使用方便、維護成本低等優點[3]。帶式輸送機工作過程中，主要通過電機的驅動來帶動皮帶運轉，以實現將掉至皮帶上煤礦運輸至下一個工位的運輸作業。其中，滾筒是帶式輸送機上的關鍵部件，其結構主要包括筒殼、輪轂、輻板、滾筒軸等，各部件之間通過焊接及間隙配合的方式進行連接[4]。帶式輸送機中一般所使用的滾筒包括驅動滾筒和改向滾筒，其中，驅動滾筒結構相對較為復雜，作業時承受著徑向和軸向載荷作用，而改向滾筒則主要負責改變皮帶及運輸煤礦的運動方向，結構相對較簡單。滾筒在使用過程中主要會出現筒殼表磨損嚴重、輻板變形嚴重、筒殼兩端變形或開裂等失效類型，一旦滾筒發生了結構失效現象，將會使得帶式輸送機無法正常作業，嚴重影響煤礦的生產量[5]。為此，有必要對滾筒結構性能進行分析研究。

2 模型建立

2.1 不同結構脹套分析

由于滾筒與不同結構的脹套相匹配安裝將表現出不同的結構性能，故首先對不同結構的脹套進行分析。

2.1.1 脹套1結構分析

脹套1結構的設計采用了內外斜錐面的配合方式，利用了楔形原理進行設計，具有結構簡單、安裝方便等特點，斜錐面角度將根據不同的受力情況進行任意角度調整設計。避免了內圈與外圈之間通過過盈方式進行配合連接的弊端，可完成較大載荷的傳遞。脹套1結構示意圖如圖1所示。

圖1 脹套結構示意圖

2.1.2 脹套2結構分析

脹套2結構的設計采用了開口式的雙錐面內環設計，主要由一個內環、2個外環及螺栓組成，內環上設計了1個開口結構，外環上設計了2個開口結構，通過螺栓進行固定連接，在固定后，能產生較大徑向壓緊力作用，傳遞較大的外界載荷。為方便零件的拆卸，在壓緊環上設計了拆卸螺栓。脹套2的結構示意圖如下頁圖2所示。

圖2 脹套2結構示意圖

2.2 滾筒仿真模型建立

為進一步分析滾筒在不同脹套零件配合情況下的結構性能，材料了Solidworks軟件，建立包含滾筒、脹套及輻板等結構在內的帶式輸送機滾筒結構，并將滾筒中的倒角、圓角、過渡圓弧等特征進行了模型簡化。在完成滾筒及脹套的模型裝配后，導入至ABAQUS軟件中，對其了進行仿真模型建[6]立。在軟件中，采用了六面體網格類型，網格大小設置為10 mm，模型實體單元類型。同時，根據滾筒及脹套的實際結構材料情況，在軟件中將其材料設置為Q235材料，材料的屈服強度為235 MPa，彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。另外，在滾筒的兩端施加55 kN·m的旋轉扭矩，以模擬滾筒的實際運行情況。由此，完成了滾筒的結構分析模型建立。所建立的滾筒及脹套網格劃分圖如圖3所示。

圖3 滾筒及脹套網格劃分圖

3 不同脹套結構下的滾筒性能分析

3.1 脹套1結構下的滾筒結構性能分析

為更加準確地對滾筒結構性能進行分析，分別分析了滾筒上輻板及筒殼的結構應力變化圖。由圖4可知，滾筒上的輻板出現了較為明顯的應力分布不均勻現象，最大應力出現在輻板的內徑表面，最大應力值為161.74 MPa，沿著外徑方向，輻板上應力呈逐漸減小的趨勢，到輻板外徑表面時的應力又增大至114 MPa。由圖5可知，筒殼表面出現了較為明顯的應力分布不均勻現象，最大應力出現在筒殼兩端與輻板連接部位，最大值為114.433 MPa，筒殼的中部區域應力值則相對較小。分析其原因為：筒殼兩端與輻板進行焊接，中部為空心設計，滾筒在受到外力作用時會將作用力傳遞至兩端，通過輻板傳遞至脹套，最終傳遞至軸上，此變形規律與滾筒的實際受力情況基本一致。為此，滾筒輻板的內表面、輻板與筒殼相焊接部位是整個結構的薄弱部位，在設計及實際使用時需重點對其進行結構加強設計。

圖4 滾筒中輻板的應力（MPa）變化圖

圖5 滾筒中筒殼的應力（MPa）變化圖

3.2 脹套2結構下的滾筒結構性能分析

按照相同的分析方法，通過建立脹套2結構下的滾筒分析模型，得出了滾筒中輻板及筒殼的結構應力變化圖。由圖6可知，輻板的應力變化與脹套1下的基本相同，在輻板的內徑表面為最大應力集中區域，最大應力值為93.32 MPa，向著輻板的外徑方向，應力呈逐漸減小的變化趨勢。由下頁圖7可知，筒殼在的兩端也出現了較為明顯的應力集中現象，最大應力值出現筒殼與輻板外表面的焊接區域，最大應力值為38.9 MPa，其余區域應力值則相對較小。與脹套1結構條件下相比，脹套2條件下的滾筒具有更優的結構性能，滾筒結構強度更高，在實際使用過程中具有更高的安全性。

圖6 滾筒中輻板的應力變化圖

圖7 滾筒中筒殼的應力（MPa）變化圖

綜上分析，滾筒在脹套2下具有更高的結構性能，更能滿足帶式輸送機的現場使用需求。故在實際使用過程中，可考慮以脹套2為參考結構，與滾筒進行匹配設計，以提高滾筒的結構性能。

4 滾筒結構優化措施

結合前文分析，得出滾筒的輻板內徑表面及筒殼與輻板相焊接的區域是整個結構的薄弱部位，在實際使用時，極容易率先出現結構開裂或斷裂的失效現象，故需對其滾筒進行結構優化改進。

1）將滾筒的材料由Q235改變為Q345材料，可使其材料的屈服強度增加至345 MPa，提高滾筒的材料強度；

2）增加滾筒輻板的厚度約2 mm，并在輻板上應力集中附近開設直徑為2 mm的小孔，以使集中的應力轉移至小孔處，焊接輻板上的應力集中現象；

3）可將輻板結構由平面型改變為圓弧外凸曲線，利用拱形受力原理，提高輻板在受力狀態下的支撐能力；

4）增加筒殼兩端的結構厚度，并在筒殼內部的非干涉區域焊接加強筋條，以增加筒殼兩端的結構強度；

5）增加輻板、輪轂及筒殼之間的焊接質量，保證焊接部位不發生焊縫開裂現象，并定期對滾筒結構進行檢查，若發生滾筒發生結構變形或開裂現象，可及時采取措施來完成對滾筒的維修保養。

5 結論

利用有限元分析方法，對帶式輸送機滾筒的結構性能進行分析研究，是當前最快、最經濟的研究方法。通過對滾筒在脹套1和脹套2下的結構性能研究，得出結論：滾筒的輻板內徑表面及筒殼與輻板相焊接的區域是整個結構的薄弱部位，找到了滾筒在使用過程中的結構變化規律，同時，滾筒在脹套2下具有更高的結構強度，整體結構性能更優；最后，從材料屬性、滾筒結構尺寸及焊接等方面提出了滾筒的結構優化改進措施。