礦用高效卷帶機設計及仿真研究

董 華

(蒲縣應急管理局 山西 臨汾 041000)

膠帶運輸機具有輸送量大、運輸平穩、結構簡單、維修方便等優點,被廣泛應用于煤礦、港口、電廠、水泥廠、冶金礦山等領域[1]。礦用膠帶運輸機主要用于煤礦井下順槽和巷道運輸,是煤礦開采不可缺少的配套設備之一[2]。膠帶運輸機主要通過傳送帶轉動,帶動傳輸帶的運行[3]。在礦山運輸皮帶以及鋼纜運行達到一定壽命后,就需要對它們進行更換,而在地面回收皮帶或鋼纜時一般都是采用人力的方法進行拖拽折疊與纏繞,作業過程費時費力,并且有可能會伴隨安全事故的發生[4]。為了解放工人勞動力,提高作業效率以及安全性,有必要對回收皮帶或鋼纜的工作進行機械化與自動化的改進。

1 卷帶機設計

1.1 卷帶機工作原理

新型的皮帶夾軸套安裝在傳動軸上,將待回收的皮帶夾在皮帶夾軸并通過螺栓壓緊,通過電機將待回收皮帶不斷纏繞在皮帶夾軸套上,待回收完成后關閉電機,通過提升裝置抵消回收完成的皮帶給傳動軸向下的壓力,在機器一側將傳動軸抽出,最后通過吊機將皮帶取走,實現回收皮帶的機械化、自動化。

1.2 卷帶機設計

圖1為礦用高效卷帶機,包括機架、傳動軸、限位輪盤、皮帶夾軸套、提升裝置、動力與傳動裝置。動力通過電機、變速箱、聯軸器、傳動軸進行傳遞。限位輪盤、軸承以及傳動軸同步轉動,傳動軸可拆卸,方便將回收的皮帶取出,傳動軸下方設置有提升裝置,以防止回收的皮帶或鋼纜對傳動軸壓力過大而取不出的情況。液壓柱安裝在機架底座上,V形工字鋼焊接在提升架上,限位滑輪可以保證提升裝置穩定運行。皮帶夾軸套由軸套、皮帶壓板組成,兩者通過螺栓提供壓力將待回收的皮帶夾在中間。

圖1 卷帶機設計Fig.1 Design of belt winding machine

傳動軸采用方形來提高抗剪能力,使軸可以承受更大的扭力[5],傳動軸可從一端抽出,方便吊機將皮帶或鋼纜吊走。

皮帶夾軸套包括軸套和皮帶壓板,軸套斷面為異形階梯圓,皮帶壓板與軸套的異形階梯圓的階梯處鉸接,皮帶壓板靠近連接處的一端設有若干直槽孔,直槽孔內設有螺栓,軸套內設有與傳動軸匹配的方形通孔。軸套中間為方形通孔,方便與傳動軸進行拆裝,軸套斷面為異形階梯圓,異形階梯圓階梯處安裝皮帶壓板,軸套與皮帶壓板連接處的相互交替連接,通過轉軸鉸接,皮帶在螺栓的壓力下被夾在兩者之間,皮帶壓板的螺栓通孔采用直槽孔可以適用于不同厚度的皮帶的回收。

提升裝置由限位滑輪、提升架、V形工字鋼、液壓柱組成,液壓柱與機架底座連接,使限位滑輪與V形工字鋼向上運動,對回收的皮帶與鋼纜實現支撐作用,抵消對傳動軸的壓力。限位滑輪分別在三個面上設置兩個滾輪,在機架的導槽內進行滑動,使提升裝置平穩運行。限位滑輪通過機架對提升裝置的運動進行限制。

2 傳動軸模擬

卷帶機在收卷皮帶過程中傳動軸會旋轉受力,因此分析在不同轉速條件下傳動軸受力,便于對卷帶機進行優化設計,故采用ABAQUS有限元軟件進行模擬。ABAQUS作為一款大型通用有限元軟件,具有廣泛的模擬性能和龐大的求解功能,以及先進的非線性力學分析能力[6]。有限元分析軟件的分析問題由以下三個階段實現:前處理階段、分析問題階段和后處理階段,這三個步驟之間通過文件建立聯系[7]。

2.1 傳動軸建模

在前處理階段需要定義物理問題的模型,并生成一個ABAQUS輸入文件。所謂前處理就是建立分析問題的模型數據庫,在ABAQUS/CAE中完成前處理過程是通過部件、特性、裝配、分析步、相互作用、荷載、網格七個模塊實現,用戶利用這些模塊建立幾何模型,并定義模型的材料、材料性質、有限元分析網格、荷載和邊界條件等數據[8]。

根據設計的自動卷帶機,采用ABAQUS軟件對卷帶機傳動軸進行旋轉模擬,分析在不同轉速條件下,傳動軸的受力。傳動軸建模如圖2所示。長度1.2 m,半徑0.2 m,中間方孔邊長0.2 m。

圖2 傳動軸建模Fig.2 Transmission shaft modeling

模擬方案如圖3、4所示,選中傳動軸軸向中心一點設置為標志點,將軸曲面與標志點耦合[9],在標志點設定物體旋轉方向沿模型軸向旋轉,通過設置不同旋轉速度,模擬卷帶機在自動卷帶過程中的受力。

圖3 模擬方案Fig.3 Simulation scheme

圖4 標志點與曲面耦合Fig.4 Coupling of marking points and curved surfaces

傳動軸的主要材質為鋼,設置參數如表1所示,不考慮模型損傷,設置為彈性模型[10]。固定邊界后指定標志點的旋轉速度,根據標準礦用卷帶機速度不超過1.8 m/s,模擬1.3 m/s、1.5 m/s、1.7 m/s不同旋轉速度。

表1 模型參數

2.2 結構靜力學方程

在軸的設計時要根據影響軸的失效形式的這些因素考慮設計準則。有限元中的靜態分析主要研究物體在隨時間變化中不變或緩慢變化的力的作用下處于平衡時候的規律,對結構線性方程等效可得。由式(1)和(2)可得模擬傳動軸上各個節點位移矢量。

[K]×{u}={F′}

(1)

[K]×{u}={F″}+{F′}

(2)

式中:[K]為總剛度矩陣;{u}為節點位移矢量;{F′}為之支反載荷矢量;{F″}為所受總外載荷。

2.3 運算求解

利用ABAQUS/CAE中的job模塊將建立的模型提交到ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explict進行求解。ABAQUS/CAE是ABAQUS的交互式圖形環境,可以用來方便快捷地構造模型,顯示分析結果[11]。

為了模型計算收斂和運算效率,模擬分析步選用動態顯示分析步,模擬時間長度為1 s,穩定增量步選用全局,質量縮放500倍,目標時間增量步達到10-9時達到平衡[12]。

2.4 模擬結果分析

進行后處理,當模型分析完畢后,使用ABAQUS/ CAE中的Visualization模塊進行后處理[13]。所謂后處理就是對模型分析結果的處理,例如繪制X-Y曲線圖、顯示云紋圖、顯示變形圖和顯示動畫等。

傳動軸在1.5 m/s旋轉速度情況下整個過程應力等值線如圖5所示,分為初始旋轉、旋轉平衡、旋轉穩定[14]三個階段。初始旋轉時,傳動軸表面應力較小,約2.383×10-10Pa,軸內部方孔四個尖角受力集中,約2.31×10-9Pa;旋轉平衡時,軸表面應力波動較為明顯,主要表現為軸中部位置波動大于軸兩端;旋轉穩定時,軸表面靠近方孔尖角位置應力較大,約6.91×10-9Pa。

圖5 應力等值線圖Fig.5 Stress contour map

1)應力對比。不同速度方案最大應力對比如圖6所示,不同速度方案應力最大的位置基本相同,都處于方孔尖角的軸表面。速度1.3 m/s時,軸最大應力3.19×10-9Pa;速度1.5 m/s時,軸最大應力6.82×10-9Pa;速度1.7 m/s時,軸最大應力7.49×10-9Pa。隨著轉動速度增大,軸表面最大應力也隨之增大[15]。

2)真應變對比。不同速度方案模型軸向真應變如圖7所示,真應變表示物體在變形過程中,其某一瞬間的應變[16]。其總變形程度(總真應變)是以對數表示[17]。由模型橫截面可以看出,方孔四個尖角位置到軸表面的真應變較大。速度1.3 m/s時,軸最大應變1.76×10-14;速度1.5 m/s時,軸最大應變1.9×10-14;速度1.7 m/s時,軸最大應變1.93×10-14。隨著轉動速度增大,真應變數值也在增大。

圖6 應力對比Fig.6 Stress comparison

3 現場應用

3.1 安全效益分析

對設計高效卷帶機進行現場應用,卷帶機實物如圖8所示。現場實用表明,礦用輸送帶機設計合理,結構靈巧,能夠實現送、卷連續機械化作業,易于安裝,對環境適應性強,提高了生產效率,減輕了勞動強度,有利于輸送帶的重復利用。

圖7 真應變對比Fig.7 True strain comparison

3.2 經濟效益分析

傳統卷帶機安裝時,體積重量大,安裝不易,需要8個人安裝,且勞動效率低,每班僅能安裝300 m左右。設計的高效卷帶機僅需4人就可操作,每班可安裝600 m左右。節省了人力物力,提高礦井經濟效益。

4 結論

1)設計一種礦用高效卷帶機,皮帶夾軸套安裝在傳動軸上,將待回收的皮帶夾在皮帶夾軸套上并通過螺栓壓緊,通過電機將待回收皮帶不斷纏繞在皮帶夾軸套上,待回收完成后關閉電機,通過提升裝置抵消回收完成的皮帶給傳動軸向下的壓力,在機器一側將傳動軸抽出,最后通過吊機將皮帶取走,實現回收皮帶的機械化、自動化。

2)通過ABAQUS軟件模擬傳動軸旋轉軸過程中受力,表明傳動軸在旋轉過程中經歷初始旋轉、旋轉平衡、旋轉穩定三個過程,方孔尖角表面呈現應力集中現象,產生真應變較大,后續應當對卷帶機傳動軸形狀進行優化設計,以減輕傳動軸的質量,提高其穩定性,進一步進行強度分析,以滿足設計要求。