帶式輸送機不同結構形式傳動滾筒的性能分析

潘 虹

（晉能控股集團煤峪口礦，山西 大同 037041）

引言

帶式輸送機是進行散裝物料連續輸送的設備，通過輸送帶與傳動滾筒之間的摩擦力進行驅動，可以依據不同的應用場景及輸送線路對帶式輸送機進行布置。傳動滾筒實現對輸送帶的運動驅動，是帶式輸送機的重要部件，其壽命及使用性能對帶式輸送機具有直接的影響。采用有限元分析的形式對不同結構形式的傳動滾筒進行性能分析[1-2]，可以找出滾筒設計使用過程中的薄弱點，從而可以優化滾筒的結構，提高傳動滾筒的使用性能及壽命，保證煤礦的輸送效率。

1 傳動滾筒的兩種結構形式

傳動滾筒是帶式輸送機的關鍵部件，對帶式輸送機的運行起著重要的作用，其結構組成主要包括滾筒軸、輪轂、輻板及筒體等[3]。傳動滾筒的結構要滿足滾筒的承載要求及結構布置，常用的滾筒結構形式可以分為焊接結構和鑄焊結構[4]。

焊接結構的滾筒由其輪轂、輻板及筒體拼焊而成，滾筒軸與輪轂之間可采用單鍵聯接、過盈聯接或環形鎖緊器聯接。焊接形式的滾筒結構相對簡單，加工制造的過程簡單，但由于焊接的焊縫較多[5]，焊縫質量難以一致，容易引起焊接的變形及內應力的存在。

鑄焊結構滾筒是指其采用鑄造形式，將滾筒的輪轂、輻板及滾筒兩端筒體鑄造為一體，與中間的筒體進行焊接而成[6]。鑄焊結構形式的滾筒軸與輪轂之間采用脹套進行聯接。鑄焊結構的滾筒將輪轂、輻板及兩端的筒體作為一個部件，不需要焊縫進行連接，可以避免焊接過程中產生的應力及焊接變形的問題，有利于提高輪轂及輻板的強度。鑄造一體與中間的筒體部分焊接采用V型坡口的形式，坡口的位置易于焊接，有利于提高焊接的質量及滾筒的性能。

2 傳動滾筒仿真分析模型的建立

在兩種不同結構形式的滾筒中，對其進行設計要依據其自身的性能，滿足使用的要求。采用有限元仿真的形式對兩種結構形式的滾筒性能進行分析。作為結構分析的常用方法，有限元廣泛應用于結構的設計及分析中，采用離散化的處理方法對連續介質的問題進行分析處理，主要應用于對結構的靜力分析及動力分析中，適用于對傳動滾筒的性能進行分析[7-8]。

以某帶寬為1 000 mm的帶式輸送機傳動滾筒為例，對焊接結構及鑄焊結構的滾筒性能進行分析。帶式輸送機的輸送能力為1 500 t/h，最大的煤炭粒度為300 mm，長度為127 m，提升高度為7 m，帶速為5 m/s，傳動滾筒的直徑為630 mm。對兩種結構形式的滾筒進行建模分析，由于滾筒的主要失效形式為筒體的變形及焊縫的開裂，建模過程中對滾筒進行一定的簡化處理，僅考慮輪轂、輻板、鑄造接盤及筒皮等主要結構[9]。焊接結構的滾筒采用等截面的輻板形式，鑄造結構的滾筒采用變截面的輻板形式，依據滾筒的參數建立兩種結構形式的滾筒模型如圖1所示。對滾筒的材質進行設定，鑄造接盤采用ZG230-450焊接結構用碳素鋼，其泊松比為0.27，屈服極限為230 MPa，筒皮、輻板及輪轂等采用Q235碳素結構鋼，其泊松比為0.26，屈服極限為235 MPa。采用有限元分析模塊自帶的網格劃分功能，對兩種滾筒的模型進行網格劃分[10]，采用非線性結構的四面體單元進行網格劃分，設定網格尺寸為10 mm，對模型進行網格劃分處理。

圖1 不同結構形式的滾筒模型

在進行滾筒性能分析時，對傳動滾筒的徑向載荷看作沿軸向均勻分布，在軸向的范圍內，假設每段圓弧內輸送帶所受的張力即為該圓弧段內輸送帶對滾筒的平均壓力，帶寬為1 000 mm，滾筒直徑為630 mm，滾筒的長度為1 150 mm，受到的載荷作用繞入點張力為30.5 kN，繞出點張力為12.5 kN，摩擦系數設定為0.35，輸送帶的包角為190°，由此對滾筒進行載荷的施加，對兩種滾筒的性能進行模擬計算。

3 兩種結構形式的傳動滾筒性能分析

依據傳動滾筒的受力情況施加載荷，設定滾筒為靜止的部件，通過滾筒軸進行支撐固定，將滾筒的輪轂內表面固定約束，限制其自由度[11]。通過計算分析，得到焊接滾筒及鑄焊滾筒兩種結構形式滾筒的應力變化如圖2所示。

由圖2可知，在兩種結構形式的滾筒中，滾筒受到的應力較大的區域均位于輸送帶繞入點的位置處，并靠近輻板與筒體的接觸位置內側。兩種滾筒中，焊接滾筒的最大應力為4.6 MPa，鑄焊滾筒的最大應力為3.1 MPa，焊接滾筒受到的最大應力作用要大于鑄焊滾筒。由于滾筒在工作過程中處于不斷旋轉的狀態，滾筒受到的應力集中區域為滾筒與輻板內側接觸形成的環形區域。

圖2 傳動滾筒的應力分布

對兩種結構形式滾筒的位移進行分析，經過計算得到滾筒的位移分布如圖3所示。從圖3中可以看出，在兩種滾筒的位移中，最大位移量位于筒體的中間位置處。兩種滾筒中，焊接滾筒的最大位移值為0.021 mm，鑄焊滾筒的最大位移值為0.014 mm，焊接滾筒的位移量要大于鑄焊滾筒。

通過上述的分析可知，鑄焊結構的滾筒受力狀態要好于焊接滾筒，這是由于鑄焊滾筒的焊縫較少，產生的應力集中作用少，焊接滾筒拼焊的位置多，容易產生焊縫的應力集中，且產生的位移變形較大。鑄焊滾筒比焊接滾筒具有更好的性能，可承受較大的載荷作用，可用于重載帶式輸送機中。

圖3 傳動滾筒的位移分布

4 結語

傳動滾筒作為帶式輸送機的關鍵部件，其承載及受力性能對帶式輸送機的使用具有重要的影響。針對焊接滾筒及鑄焊滾筒的不同結構形式，采用有限元仿真的形式對兩種結構形式滾筒進行靜力學性能分析。結果表明，在同樣的受力條件下，鑄焊滾筒的受力狀態要好于焊接滾筒，且其產生的位移變形量較小。焊接滾筒由于焊縫較多，容易產生應力集中現象，不利于滾筒的長期使用。因此在重載及惡劣工況的情況下，可采用鑄焊滾筒的形式保證帶式輸送機運行的穩定性，保證煤礦的高效開采。