帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒軸強(qiáng)度分析與輕量化設(shè)計(jì)

田建鋒

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

1 概 況

帶式輸送機(jī)是煤炭掘進(jìn)工作中必不可少的設(shè)備之一，承擔(dān)著煤炭井下輸送至井上的重任，可靠性非常重要，一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致井下煤炭掘進(jìn)工作的停滯停工，影響生產(chǎn)效率。傳動(dòng)滾筒是帶式輸送機(jī)的重要組件，主要由傳動(dòng)滾筒筒殼、滾筒軸和輻板輪轂組成，其中滾筒軸作為滾筒連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐與傳動(dòng)部件，是傳動(dòng)滾筒正常工作的關(guān)鍵，必須保證其運(yùn)行穩(wěn)定可靠。滾筒軸屬于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，結(jié)構(gòu)笨重會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)能耗高、提速緩慢等情況，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的能耗也會(huì)增加。針對(duì)王坡煤業(yè)SSJ1000/180 型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒能耗較高的問(wèn)題，采用ANSYS 仿真計(jì)算軟件對(duì)其滾筒軸開展強(qiáng)度分析與輕量化設(shè)計(jì)。

2 有限元仿真分析

王坡煤業(yè)SSJ1000/180 型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒為單端驅(qū)動(dòng)滾筒，結(jié)構(gòu)組成形式如圖1 所示，包括滾筒軸、軸承、輻板、脹套、筒殼和輪轂等。

圖1 傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure of transmission drum

2.1 三維模型建立

帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，三維模型的建立直接在ANSYS workbench 有限元仿真計(jì)算軟件內(nèi)部完成，為了提高滾筒軸仿真計(jì)算的效率，對(duì)滾筒軸不影響仿真計(jì)算結(jié)果的特征進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如倒角、圓角、溝槽、凸臺(tái)等。

2.2 材料屬性設(shè)置

將建立完成的帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒三維模型進(jìn)行材料屬性設(shè)置。傳送滾筒軸的技術(shù)資料顯示，滾筒軸材料牌號(hào)為45 號(hào)鋼，彈性模量193 GPa，泊松比0.28；輻板輪轂材料牌號(hào)為ZG230-450，彈性模量207 GPa，泊松比0.28；脹套材料牌號(hào)為40Cr，彈性模量206 GPa，泊松比0.3；筒殼材料牌號(hào)為q235，彈性模量200 GPa，泊松比0.29。

2.3 網(wǎng)格劃分

材料屬性設(shè)置完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實(shí)體原件包括滾筒軸、輻板輪轂和脹套，選擇SOLID185 六面體網(wǎng)格形式，將網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為4 mm；薄壁殼體結(jié)構(gòu)僅有滾筒筒殼，選擇SHELL181 網(wǎng)格形式劃分，將網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為7 mm。

2.4 約束和載荷

根據(jù)王坡煤業(yè)SSJ1000/180 型帶式輸送機(jī)實(shí)際使用工況進(jìn)行傳動(dòng)滾筒約束與載荷設(shè)置。對(duì)滾筒軸的兩端設(shè)置軸承約束，滾筒連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所受的載荷包括自重、軸端輸入扭矩和輸送帶張力3 部分。自重載荷方向與重力方向相反；軸端輸入扭矩轉(zhuǎn)換為沿滾筒切線方向的切向力；滾筒所受的張緊力轉(zhuǎn)換成垂直于軸線的作用力。施加完載荷和約束的傳動(dòng)滾筒如圖2 所示。

圖2 傳動(dòng)滾筒有限元仿真模型Fig.2 Finite element simulation model of transmission drum

2.5 仿真結(jié)果

設(shè)置完傳動(dòng)滾筒軸的有限元分析參數(shù)之后啟動(dòng)ANSYS workbench 仿真計(jì)算軟件自帶求解器，開始傳動(dòng)滾筒軸的強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算完成之后進(jìn)行后處理，提取滾筒軸的等效應(yīng)力和位移分布云圖，如圖3 和圖4 所示。

圖3 滾筒軸等效應(yīng)力分布云圖Fig.3 Cloud map of equivalent stress distribution of roller shaft

圖4 滾筒軸位移分布云圖Fig.4 Cloud map of drum shaft displacement distribution

由圖3 滾筒軸的等效應(yīng)力分布云圖可以看出，最大應(yīng)力數(shù)值為142.09 MPa，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，位置處于軸與脹套接觸處，應(yīng)力集中出現(xiàn)的原因是滾筒軸工作時(shí)屬于簡(jiǎn)支梁，兩端由脹套支撐，中間部位受力，同時(shí)，軸與脹套接觸位置存在截面尺寸的變化。

由圖4 滾筒軸位移分布云圖可以看出，位移最大數(shù)值為0.118 mm，最大位移出現(xiàn)在滾筒軸中段位置上，并且沿著軸線向兩端逐漸減小，出現(xiàn)上述變形趨勢(shì)的原因同樣是簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)所致，同時(shí)，滾筒中間承受輸送帶的張緊力較大，變形方向與帶式輸送機(jī)張緊力方向相反。

滾筒軸的材料為45 號(hào)鋼，極限屈服強(qiáng)度為355 MPa，計(jì)算得出的安全系數(shù)為2.5，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用時(shí)滾筒軸安全系數(shù)約為1.5 的情況，表明滾筒軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全富裕度足夠，存在輕量化設(shè)計(jì)的條件。

3 輕量化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述傳動(dòng)滾筒軸強(qiáng)度分析結(jié)果，王坡煤業(yè)SSJ1000/180 型帶式輸送機(jī)滾筒軸強(qiáng)度安全系數(shù)高于實(shí)際應(yīng)用需求，雖然使用安全可靠但存在材料浪費(fèi)、能源消耗較高的問(wèn)題，因此有必要開展輕量化設(shè)計(jì)工作。經(jīng)過(guò)分析研究，將滾筒軸最大直徑從100 mm 減小至75 mm。修改滾筒軸三維模型之后再次設(shè)置仿真計(jì)算參數(shù)，驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)效果。

運(yùn)用ANSYS workbench 軟件對(duì)輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)后的滾筒軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，滾筒軸的等效應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖如圖5 和圖6 所示。

圖5 輕量化滾筒軸等效應(yīng)力分布云圖Fig.5 Equivalent stress distribution of lightweight roller shaft

圖6 輕量化滾筒軸位移分布云圖Fig.6 Displacement distribution of lightweight roller shaft

由圖5 滾筒軸的等效分布云圖可以看出，相同約束和載荷條件下，輕量化設(shè)計(jì)之后的滾筒軸最大應(yīng)力數(shù)值為149.27 MPa，相較于改進(jìn)之前的142.09 MPa 有所升高，但安全系數(shù)為2.24，仍然高于1.5的使用要求。應(yīng)力集中位置依然出現(xiàn)在軸與脹套接觸處，相較于滾筒軸材料45 號(hào)鋼的極限屈服應(yīng)力335 MPa，仍然保持了較高的安全性能。

由圖6 滾筒軸的位移分布云圖可以看出，滾筒軸的最大位移數(shù)值為0.29 mm，出現(xiàn)在滾筒軸中段位置上，相較于輕量化之前有所提高，但不明顯，滿足滾筒軸正常使用的要求。

經(jīng)計(jì)算可以得出，輕量化之前的滾筒軸質(zhì)量約為92.4 kg，直徑降低25 mm 之后的質(zhì)量約為51.99 kg，降低了43.73%，輕量化設(shè)計(jì)效果良好。

4 結(jié) 論

（1） 滾筒軸作為帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的重要組件之一，其工作的經(jīng)濟(jì)性直接關(guān)系煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)王坡煤業(yè)SSJ1000/180 型帶式輸送機(jī)，以其傳動(dòng)滾筒軸為研究對(duì)象，借助ANSYS 有限元仿真計(jì)算軟件，開展了傳動(dòng)滾筒軸的強(qiáng)度分析工作。結(jié)果表明，傳動(dòng)滾筒軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度的安全系數(shù)遠(yuǎn)高于實(shí)際使用要求，存在較大的安全裕度，因此將滾筒軸直徑由100 mm 降低至75 mm，通過(guò)仿真計(jì)算得出，傳動(dòng)滾筒軸的強(qiáng)度和剛度均能滿足使用要求，質(zhì)量降低了43.73%，取得了良好的輕量化設(shè)計(jì)效果。

（2） 由計(jì)算結(jié)果可以看出，滾筒軸強(qiáng)度安全系數(shù)依然存在較大的富余，還具有進(jìn)一步輕量化改進(jìn)的條件，但根據(jù)筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)降低滾筒軸直徑將會(huì)增加滾筒使用過(guò)程中出現(xiàn)其他故障的風(fēng)險(xiǎn)，因此未繼續(xù)開展進(jìn)一步的輕量化設(shè)計(jì)工作。