煤礦傳輸用帶式輸送機傳動滾筒的結構分析

石 磊

（晉能控股煤業集團大地選煤工程（大同）有限責任公司，山西 大同 037001）

引言

帶式輸送機是煤礦進行煤炭輸送的重要設備，保證了煤炭的高效輸送。在帶式輸送機的結構中，傳動滾筒是進行力矩傳遞的主要結構，對帶式輸送機的性能具有直接的影響。滾筒在工作過程中，滾筒表面的筒體與輸送帶進行相互作用[1]，且輸送帶在使用過程中存在著一定的彈性變形，從而造成滾筒的受力復雜，難以進行精確的描述，對滾筒結構的設計造成一定的困擾[2]。采用解析法結合有限元分析的方式對滾筒工作過程中的受力進行分析及模擬，從而可以避免解析法中對細節無法處理的問題[3]，并能提高有限元分析的精確性，為滾筒的結構設計提供參考。

1 傳動滾筒的受力分析

帶式輸送機在傳輸過程中，滾筒與輸送帶之間相互接觸，通過摩擦力的作用進行力矩的傳遞，實現煤炭等物料的輸送[4]。在帶式輸送機未啟動時，輸送帶在滾筒上靜置，此時滾筒受到的輸送帶兩邊作用力相等，當系統啟動時，則輸送帶與滾筒之間摩擦力作用，滾筒受到的張力作用如圖1 所示，其中輸送帶在摩擦力作用下產生變形，一邊拉緊一邊放松，T1為緊邊的拉力，T2為松邊的拉力[5]，輸送帶在滾筒上的包角為α，在包角的范圍內存在著滑動弧λ 和靜止弧γ，其中α=λ+γ，滾筒受到的輸送帶張力之差為T1-T2，拉力作用將輸送帶沿著abc 圓弧段伸長，在靜止弧內輸送帶無摩擦力。在分離點處，當拉力為定值時，靜止弧為變化的，當傳遞的扭矩不斷增加時[6]，滾筒及輸送帶之間的總摩擦力也逐漸增加，從而造成靜止弧的長度減小，滑動弧的長度增加。當總摩擦力達到一定的值時，彈性滑動的區域為整個包角的范圍，此時繼續增加傳遞扭矩，則會造成滾筒與輸送帶之間的打滑，影響帶式輸送機的運行[7]。

圖1 滾筒受力作用示意圖

輸送帶認定為理想的撓性體，不計其質量及厚度作用，在承受彎曲作用時不產生彎曲應力，則輸送帶與滾筒接觸位置進入點及分離點的張力按指數變化，以θ=0 時為起始，則輸送帶對滾筒的拉力作用隨滑動弧內角度的變化為[8]：

式中：T2為松邊的拉力；μ 為摩擦系數，取0.3。

依據帶式輸送機的運載能力，在額定的載荷工況下，T2=37 324 N，包角α 為178°，滑動弧內的張力呈指數變化，在進行有限元分析時，無法進行有效的加載。對滑動弧內進行等分處理，分別記為6 段內平均的張力作用[9]，從而可以對滾筒受到的張力作用進行計算。

2 傳動滾筒分析模型的建立

傳動滾筒的結構主要由筒體、輻板、輪轂及傳動軸組成，筒體與輻板采用焊接的結構組成，對滾筒進行建模分析[10]。傳動滾筒在剛啟動的時刻是最危險的工況，此時處于靜力平衡的狀態，依據滾筒的結構尺寸，建立三維模型，筒體的厚度為18 mm，輻板的殼體厚度為14 mm。設定滾筒的材質為Q235 A，其彈性模量為200 GPa，泊松比為0.28，抗拉強度為400 MPa，屈服強度為235 MPa。

由于滾筒的結構變化較大，采用自由網格的形式對其進行網格劃分處理，筒體與輻板的厚度較小采用殼單元的形式，輪轂及傳動軸采用實體單元的形式進行網格劃分[11]，設定網格的大小為30 mm，經過網格劃分處理后得到滾筒的模型如圖2 所示。滾筒采用對稱分析的形式，對筒體上施加對稱約束，在滾筒傳動軸軸承位置處施加軸承約束，滾筒在靜止弧內受到的正壓力為66 650 N，在滑動弧內受到的正壓力及摩擦力作用依照上述分析進行施加[12]，由此對傳動滾筒結構的強度及位移變形進行分析。

圖2 傳動滾筒的網格劃分模型

3 傳動滾筒的結構分析

3.1 傳動滾筒的強度

采用有限元仿真的方式對滾筒的結構強度進行計算，得到滾筒的應力分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出，滾筒受到的最大應力值為69.2 MPa，最大應力位于輻板與輪轂相接觸的位置，滾筒材質的屈服強度為235 MPa，則滾筒的最小安全系數為3.4，滾筒的強度滿足使用的要求，且具有較大的安全余量。

圖3 傳動滾筒的應力（MPa）分布云圖

3.2 傳動滾筒的位移

采用有限元仿真的方式對滾筒結構的位移變形進行計算，得到滾筒的位移變形分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，滾筒受到的最大位移變形量為1.1 mm，最大變形位于筒體周向分布的中間位置最大的位移變形值相對于滾筒的尺寸較小，滿足使用的需求。

圖4 傳動滾筒的位移（mm）變形分布云圖

通過上述的分析可知，滾筒上受到的最大應力為69.2 MPa，最小的安全系數為3.4，由于在滑動弧λ 內滾筒受到的輸送帶的張力作用呈指數形式不斷變化，在上述分析過程中，采用分割單元的平均值作為載荷進行施加，進一步對滾筒進行合力作用的校核。采用有限元分析對滾筒受到的反作用力進行計算，得到其合力作用為F=105 540 N，相對分段計算的合理誤差為2%，由于計算過程中滾筒的應力及變形具有較大的安全余量，則傳動滾筒的結構滿足使用的需求。

同時，可以看到，滾筒的結構存在著較大的安全余量，在另一方面上造成材料的浪費，不能充分發揮材料的性能，增加了傳動滾筒的制造成本，不利于帶式輸送機整體的經濟效益，可對傳動滾筒的結構進行進一步的優化設計，從而減少材料的浪費，在保證結構使用性的基礎上，降低滾筒的生產成本。

4 結論

1）傳動滾筒的最大應力值為69.2 MPa，最大位移變形量為1.1 mm，滿足傳動滾筒強度和剛度的使用需求，且與合力作用時相差不大。

2）傳動滾筒的結構具有較大的安全余量，可考慮對其進行優化設計，可在滿足使用需求的同時降低滾筒的生產成本，提高帶式輸送機的使用效益。