帶式輸送機不同包角對滾筒受力的影響作用分析

徐 博

（晉能控股煤業集團梵王寺煤礦籌備處， 山西 朔州 036002）

引言

帶式輸送機是進行煤炭連續輸送的主要設備，在煤礦的生產中具有廣泛的應用。帶式輸送機的輸送帶支撐在托輥上，輸送帶依靠滾筒提供的摩擦力進行物料的輸送。帶式輸送機的輸送效率高、噪聲較小[1]，適用于對煤炭、礦產等的長距離輸送。在帶式輸送機的布置中，不同輸送距離的設置對滾筒形成的輸送帶的包角不同，在進行輸送的過程中，不同的包角對滾筒形成的作用力不同[2]，從而對滾筒的使用性能產生一定的影響。采用有限元分析的方式對帶式輸送機滾筒在不同包角下受到的應力作用進行分析，從而為長距離帶式輸送機布置時滾筒的位置設計提供參考[3]，減小滾筒受到的應力作用，提高帶式輸送機的運行穩定性，保證煤炭生產中的高效輸送。

1 帶式輸送機滾筒不同包角分析模型的建立

帶式輸送機的滾筒通過與輸送帶之間的摩擦力實現驅動，保證輸送帶的運行。輸送帶與滾筒傳遞扭矩時，相互接觸形成的包角為輸送帶與滾筒接觸弧所對的圓心角，可以分為靜止弧與滑動弧，包角結構的不同[4]，使得輸送帶對滾筒的正壓力產生變化[5]，從而影響滾筒的使用性能。

采用ANSYS 有限元分析軟件對滾筒進行分析模型的建立，依據滾筒的結構采用SolidWorks 三維建模軟件進行實體模型的建立，在建模過程中，為便于后續的網格劃分及分析，對滾筒的結構進行一定的簡化處理[6]，對細小的結構特征進行忽略。忽略滾筒的焊縫結構將滾筒作為圓柱形柱面進行建模，將滾筒兩端簡化為對稱結構，對滾筒的單側進行建模分析[7]，得到滾筒的實體模型，如圖1 所示。

圖1 滾筒的實體結構模型

將滾筒的實體模型導入ANSYS 中進行網格劃分處理，對傳動軸、輻板及輪轂部分采用較強適應范圍的solid186 實體單元進行網格劃分[8]，對筒體部分，由于筒體的厚度較薄，采用8 節點的shell281 殼單元進行網格劃分[9]。采用映射的方法進行網格劃分的分析精度較高，但對于輻板及輪轂邊界不規則的區域進行劃分模擬的能力要低于自由網格的形式，因此對滾筒模型的筒體采用映射方法[10]，輻板及輪轂、傳動軸等采用自由網格的形式進行網格劃分，由此完成對滾筒模型的網格劃分處理。

對滾筒的模型進行載荷約束的添加，對滾筒的約束施加于節點上，每個節點上有六個方向的自由度，滾筒的軸承約束是滾筒模型的邊界條件，限制軸與軸承表面的自由度即可完成對滾筒模型的約束[11]。滾筒的軸承采用調心軸承，在軸承端限制繞軸線的轉動自由度及三個方向的移動自由度。對滾筒進行載荷的添加，在輸送帶作用的滑動弧范圍內，滾筒受到沿軸向的半正弦的法向正壓力及沿切向的摩擦力，在輸送帶作用的靜止弧范圍內，滾筒僅受到沿軸向的半正弦的法向正壓力作用，改變滾筒的包角時，僅對施加的載荷方向進行相應的改變即可[12]。滾筒同時受到重力載荷的作用，通過施加重力加速度的形式對滾筒的重力進行加載。滾筒的傳動軸采用45 鋼，設定其彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269；筒體及輻板等結構采用Q235A，設定其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.288，由此對滾筒受到的應力進行分析。

2 帶式輸送機滾筒不同包角承載應力分析結果

2.1 滾筒受到應力的仿真分析

對滾筒受到的應力作用進行仿真分析，以包角為190°為例，經過計算分析，得到筒體的應力分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出，此時筒體受到的最大應力值為30.8 MPa，最大應力位置在筒體與輻板的連接位置處，筒體的最大應力值小于許用應力56 MPa，筒體受到的應力滿足滾筒的強度需求。

圖2 筒體的應力（Pa）分布

在包角為190°時，經過計算分析，得到傳動軸的應力分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出，此時傳動軸受到的最大應力值為46.2 MPa，最大應力位置在傳動軸伸出的臺階位置處，傳動軸的最大應力值小于許用應力60 MPa，傳動軸受到的應力滿足滾筒的強度需求。

圖3 傳動軸的應力（Pa）分布

2.2 不同包角下滾筒受到的應力

輸送帶的拉力作用與包角的大小密切相關，隨著包角度數的增加，輸送帶與滾筒之間的接觸面增大，則產生的摩擦力增加，帶式輸送機的輸送能力增加，由此，滾筒受到的應力增加，對滾筒的承載能力具有較高的要求。針對滾筒的包角值，選擇包角范圍在90°～270°之間，以間隔10°對滾筒受到的應力作用進行分析。

針對滾筒受到的應力作用，對筒體及傳動軸的最大應力值進行分析，在不同的包角作用下，筒體及傳動軸受到的最大應力值分別如圖4-1、圖4-2 所示。從圖4-1 中可以看出，在包角變化的過程中，滾筒筒體受到的最大應力值呈先增加后緩慢減小再增加的趨勢，在包角為270°時受到的應力作用最大，應力值為33.4 MPa；在包角增加的過程中，當包角為90°時，受到的應力作用最小，應力值為28.5 MPa。

圖4 不同包角滾筒的筒體及傳動軸的應力變化

從圖4-2 中可以看出，在包角變化的過程中，滾筒傳動軸受到的最大應力值整體呈先增加后減小的趨勢，但減小的幅度值小于增加的幅度值，在最大應力值變化的過程中，呈現反復振蕩的變化趨勢。當包角為190°時，受到的應力作用最大，應力值為46.2 MPa；當包角為90°時，受到的應力作用最小，應力值為36.1 MPa。

通過上述的分析可知，在滾筒包角變化的過程中，滾筒的筒體及傳動軸受到的應力作用呈現不同的變化趨勢，但總體上在包角為90°時的應力作用最小，在包角增加的過程中，筒體的應力存在先增加后緩慢減小再增加的趨勢，傳動軸的應力反復振蕩。帶式輸送機設計的過程中，在滿足使用需求的同時，應盡量選擇較小應力范圍內的滾筒包角，從而在整體上降低滾筒的應力作用。

3 結論

帶式輸送機是煤炭輸送中的重要設備，在長距離輸送的過程中，滾筒布置的位置不同，與輸送帶形成不同的包角對滾筒受到的應力作用具有重要的影響。為研究包角對滾筒應力的影響，采用ANSYS 有限元分析軟件建立滾筒的模型，通過改變載荷作用的方向對不同包角作用時滾筒的應力作用進行分析。結果如下：

1）在滾筒的包角變化時，滾筒的筒體及傳動軸受到的應力作用呈現不同的變化趨勢；

2）當包角為90°時的應力作用最小；

3）在包角增加的過程中，筒體的應力存在先增加后緩慢減小再增加的趨勢，傳動軸的應力反復振蕩。

在進行帶式輸送機的設計使用過程中，應盡量選擇滾筒受到應力作用較小的包角，從而在整體上提高帶式輸送機的性能，保證煤礦的高效輸送。