礦用帶式輸送機滾筒及軸結構的性能研究

劉 鑫

（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

煤礦資源作為推動國家經濟快速發展的重要能源之一，不斷加大對煤礦資源的開采力度，已成為當前政府及企業的重點任務。帶式輸送機則是煤礦生產中的關鍵設備之一，保證其高效、安全運行，則是提高煤礦開采量的關鍵[1]。帶式輸送機中的滾筒及軸作為設備中的重要部件，由于經常會出現超負荷及粉煤灰、碎石的夾雜，導致其部件在井下長時間的作業過程中經常出現滾筒外殼變形嚴重、局部開裂、脹套及軸承磨損嚴重等問題。滾筒一旦失效，輕則影響煤礦的正常運輸開采，重則引起相對的安全生產事故。不斷提高滾筒及軸的結構強度，保證各部件的安全運行顯得十分重要[2]。為此，利用當前成熟的有限元分析方法，通過建立滾筒及軸的結構模型，開展了其在不同工況下的結構性能研究，找到了其結構性能變化規律，這對提高設備的使用壽命及作業效率起到了重要支撐作用。

1 帶式輸送機結構特點

礦用帶式輸送機一般根據作用、表面包膠形式、承載能力進行劃分，根據滾筒在運輸過程中的作用進行分類，可將其劃分為傳動滾筒和改向滾筒兩種類型。其結構主要包括驅動電機、皮帶、滾筒及軸、支架等，利用驅動電機輸出的旋轉扭矩帶動皮帶運轉，實現皮帶上不同重量及大小的煤塊運輸[3]。輸送機在作業時經常會出現電機因超負荷作業而出現燒壞故障、皮帶磨損嚴重、皮帶開裂、滾筒嚴重變形、滾筒軸斷裂等故障類型，這些故障的發生，將直接導致設備出現停機維修狀態。其中，滾筒是帶式輸送機上的關鍵部件之一，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]。不斷提高滾筒及軸在使用過程中的結構性能，降低其結構發生的故障概率，已成為當前提高帶式輸送機綜合性能的重要任務之一。

2 滾筒及軸模型建立

2.1 三維模型建立

根據DTIIA型礦用帶式輸送機的結構性能特點，采用SOLIDWORKS軟件對滾筒及軸進行三維模型建立。在建模過程中主要采用旋轉功能及拉伸功能，建立了滾筒中外殼、左右輪轂及筋板、外脹套、階梯軸等特征在內的三維模型，為實現滾筒的輕量化設計，在輪轂及筋板上還設計了減輕孔[5]。為防止模型上的圓角、倒角等對仿真結果的影響，在模型中對這些特征進行了簡化，僅保留了滾筒及軸上的關鍵特點。由此，完成了帶式輸送機中滾筒及軸的三維模型建立，如圖1所示。

圖1 滾筒及軸三維模型

2.2 仿真模型建立

在建立了滾筒及軸的三維模型后，采用ABAQUS軟件，對滾筒及軸進行了仿真模型建立。在軟件中，將其設置為實體類型，根據軟件功能，對模型進行了裝配及定位。同時，將滾筒及軸的材料設置為Q235[6]，其材料的屈服強度為235 MPa、彈性模量為206 GPa。模型的仿真時間設置為10 s，仿真步長為0.1 s，并對模型進行了應力參數及位移參數設置。采用實體單位類型，利用四面體網格類型，對模型進行了網格劃分，網格大小設置為10 mm。另外，對軸的兩端進行了滾動約束，滾筒上施加旋轉約束。根據作用條件，對滾筒進行預緊力或外界載荷（正壓力及摩擦力）施加，以此分析滾筒及軸在不同工況下的結構性能。所建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 滾筒及軸仿真模型

3 滾筒及軸結構性能分析

3.1 不同工況下應力變化分析

結合所建立的模型，得到了滾筒及軸在兩種工況下的應力變化圖。由圖3可知，在預緊力作用下，滾筒及軸發生了較為明顯的應力分布不均勻現象，最大應力值出現在滾筒左右脹套與軸接觸的中心區域，最大應力值達到274.08 MPa，并由中心區域向脹套外徑方向呈逐漸減小趨勢；在滾筒外殼與腹板接觸處也出現了一定的應力集中現象，但相對較小。滾筒其他區域基本未出現應力集中現象。由圖4可知，滾筒及軸在預緊力及外載荷共同作用下也出現了較為明顯的應力集中現象，最大應力值達到了295.33MPa，同樣出現在左右脹套與軸接觸區域，但應力值相對更高，其他區域應力值則相對較小，整個結構的應力變化規律與預緊力工況下基本相同，而軸則基本無結構位移變化。由此可知，滾筒及軸在不同工況下，其左右腹板與軸接觸的中心區域是整個結構的薄弱部位，極容易率先出現結構失效現象，且所受載荷越大，結構應力集中更為嚴重。出現此種現象的原因為滾筒上的預緊力向下壓。因此，在實際使用過程中需重點考慮這些區域的受力情況。

圖3 預緊力作用下的應力變化圖

圖4 預緊力及外載荷作用下應力變化圖

3.2 不同工況下位移變化分析

根據仿真結果，得到了滾筒及軸在不同工況下的位移變化結果。由圖5可知，滾筒及軸在預緊力作用下發生了較為明顯的位移變化，最大變形位移發生在左右脹套與軸相接觸區域，最大位移值0.2847mm；沿著滾筒外殼方向，結構的位移變化呈逐漸減小趨勢；在外殼的左右兩側處位移變形量相對較小，外殼中部區域基本無位移變化。由圖6可知，滾筒及軸在預緊力及正壓力雙重載荷作用下發生了較為明顯的結構位移變形，此工況下最大位移發生在外殼的一側，最大位移變形值為1.369 5 mm，另一側則相對較小；并沿中心區域位移呈逐漸減小趨勢，而左右腹板與軸接觸區域的變形量則相對較小，軸則基本無結構位移變化。其原因為，滾筒的自身旋轉導致其發生了較大的位移變形。由此可知，滾筒及軸在作業時，滾筒外殼是整個結構的薄弱區域，極容易率先發生較大幅度的位移變形，是整個結構的薄弱區域，需對其進行重點優化改進。

圖5 預緊力作用下的位移變化圖

圖6 預緊力及外載荷作用下位移變化圖

4 滾筒及軸的結構優化改進措施

根據滾筒及軸的分析結果，得出滾筒上左右脹套與軸接觸區域、滾筒外殼等區域是整個結構的薄弱部位，在使用過程中極容易率先發生結構失效現象。為此，從多個角度開展了滾筒及軸的結構優化改進研究，具體如下：

1）增加滾筒左右脹套處的圓環大小，具體可增加5 mm寬，并將脹套的寬度增加5 mm，以從結構尺寸方面提高滾筒的結構強度。

2）筋板的長度減少2 mm，同時增加滾筒外殼的厚度2 mm，并在滾筒內部焊接相應的加強筋板，以提高滾筒的結構強度。

3）可將滾筒的材料由Q235增加至Q345，以使其結構的材料屈服強度由235 MPa增加至345 MPa，從材料源頭提高結構強度。

4）增加滾筒上左右筋板的數量，具體考慮增加三根，并在應力集中區域開設直徑約2 mm的小孔，以使集中的應力轉移至小孔處，減緩結構的應力集中現象。

5）定時對滾筒及軸的接觸區域進行潤滑，保證其接觸處具有更高的潤滑性能，減少結構的摩擦損耗。

5 結論

滾筒及軸作為帶式輸送機中的關鍵部分，采用當前更加快捷、成熟的分析方法提高滾筒及軸的結構性能，已成為當前重要的研究方向。為此，采用有限元分析方法，開展了滾筒及軸在不同工況下的結構性能分析，得出滾筒及軸的左右脹套與軸接觸區域、滾筒外殼等區域是整個結構的薄弱部位，極容易率先發生結構失效現象；從材料屬性、結構組成及尺寸等方面提出了滾筒及軸的結構優化改進措施。這對提高滾筒及軸的結構性能及使用壽命、保證帶式輸送機的高效作業具有重要作用，實際指導價值較大。