基于ABQUS的礦用帶式輸送機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

王素玲

（山西省節(jié)能中心有限公司，山西 太原 030045）

引言

帶式輸送機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，具有輸送效率高、噪聲小、運(yùn)輸穩(wěn)定、輸送量大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到了煤礦開采中。由于設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)運(yùn)輸較大煤塊，承受較大外界沖擊載荷作用，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)部分部件在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開裂等失效現(xiàn)象，對(duì)帶式輸送機(jī)的高效安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響[1]。其中，滾筒作為帶式輸送機(jī)中的關(guān)鍵部分，由于持續(xù)處于高速運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致該部件經(jīng)常出現(xiàn)輻板變形、焊縫開裂等問題，采用當(dāng)前成熟的分析方法，對(duì)滾筒的綜合性能進(jìn)行分析研究顯得十分重要[2]。為此，在分析帶式輸送機(jī)及滾筒特點(diǎn)基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法，對(duì)滾筒在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析研究，并提出了滾筒的優(yōu)化改進(jìn)措施及改進(jìn)后結(jié)構(gòu)性能效果驗(yàn)證。

1 帶式輸送機(jī)及滾筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

帶式輸送機(jī)作為井下煤礦開采中的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括皮帶、導(dǎo)向滾筒、拉緊滾筒、拉緊裝置、緊繩裝置、上托輥、下托輥、電機(jī)等組成[3]。其中，動(dòng)滾筒位于機(jī)頭部位，通過3臺(tái)電機(jī)同時(shí)對(duì)滾筒進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。滾筒的結(jié)構(gòu)包括了筒殼、輻板、軸承座及輪轂等部件，兩端分別匹配了脹套，滾筒軸上安裝了軸承，通過軸承及螺栓等部件實(shí)現(xiàn)與帶式輸送機(jī)進(jìn)行固定連接[4]，滾筒及周邊部件組成示意圖如圖1所示。根據(jù)滾筒的功能特點(diǎn)，可將其分為驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒、輕型滾筒、中型滾筒、重型滾筒等類型。滾筒在實(shí)際過程中會(huì)出現(xiàn)筒殼磨損嚴(yán)重、滾筒外殼磨損、輻板變形、焊縫開裂等失效現(xiàn)象，導(dǎo)致滾筒發(fā)生此變化的原因?yàn)轵?qū)動(dòng)滾筒受到法向和切向載荷的同時(shí)作用，載荷也發(fā)生規(guī)律的變化，致使整個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)變形[5]?？梢杂每茖W(xué)、有效的方法對(duì)滾筒的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)研究，這對(duì)保證滾筒及設(shè)備的使用壽命意義重大。

圖1 滾筒及周邊部件組成示意圖

2 滾筒分析模型建立

2.1 滾筒三維模型建立

為進(jìn)一步驗(yàn)證滾筒的結(jié)構(gòu)性能，采用了Solidworks軟件對(duì)其進(jìn)行了三維模型建立。由于驅(qū)動(dòng)滾筒為復(fù)合式結(jié)構(gòu)，故在建模時(shí)對(duì)其進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，主要省去了模型中次要構(gòu)件，包括軸端聯(lián)軸器、螺釘孔、膨脹螺釘孔、圓角、倒角、鍵槽及軸承座等特征，保留了整個(gè)滾筒中滾筒、脹套及輻板等特征結(jié)構(gòu)。另外對(duì)滾筒上的焊縫也進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，在后期分析時(shí)不考慮焊縫對(duì)滾筒的影響，將滾筒中輻板及筒殼等部件設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，以減少后期模型對(duì)分析結(jié)果的影響，提高仿真精度。

2.2 滾筒結(jié)構(gòu)分析模型建立

根據(jù)所建立的滾筒三維模型，將其保存為x-t格式后，導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，對(duì)其進(jìn)行了仿真模型建立。在模型中，對(duì)滾筒的輸入端及輸出端中滾筒軸與滾筒相接觸處進(jìn)行了轉(zhuǎn)動(dòng)自由度設(shè)計(jì)。由于實(shí)際使用過程中滾筒主要使用了Q235材料[6]，故在軟件中對(duì)滾筒進(jìn)行了Q235材料設(shè)置，材料的主要性能參數(shù)如下頁表1所示。同時(shí)，根據(jù)滾筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，利用實(shí)體單元類型，對(duì)其進(jìn)行了六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為15 mm，所建立的滾筒網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。另外，在滾筒的兩端施加30 kN·m的旋轉(zhuǎn)扭矩，以模擬滾筒的實(shí)際運(yùn)行情況。由此，完成了滾筒結(jié)構(gòu)分析模型的建立。

表1 Q235材料主要性能參數(shù)

圖2 滾筒網(wǎng)格劃分圖

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化分析

由于滾筒主要包括筒殼及輻板，故在分析時(shí)分別提及了此兩部件的應(yīng)力變化圖。由圖3可知，滾筒上的輻板出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)用分布不均勻現(xiàn)象，但分布規(guī)律相對(duì)較為明確，最大應(yīng)力值為152.125 MPa，出現(xiàn)在輻板的中間內(nèi)圈區(qū)域，沿著輻板的外徑方向，應(yīng)力呈逐漸減少趨勢(shì)，在輻板的外邊緣處應(yīng)力又有所增大。根據(jù)筒殼的應(yīng)力變化圖（見圖4）可知，筒殼端面與輻板相接觸的區(qū)域（即：輻板與筒殼實(shí)際焊接區(qū)域）出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為114 MPa，整體比輻板上的應(yīng)力值更小，沿著滾筒的軸向方向，應(yīng)力值呈逐漸減少趨勢(shì)。分析其原因?yàn)椋簼L筒兩端的輻板在與滾筒軸及脹套接觸過程中承受著較大的接觸外力，而滾筒上由于筒殼中部為中空設(shè)計(jì)，故筒殼上的應(yīng)力值則相對(duì)較小。雖整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值未超過材料的屈服強(qiáng)度，但幅板的中部?jī)?nèi)圈處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，一旦此區(qū)域率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，將會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)帶式輸送機(jī)的作業(yè)效率及安全。故在實(shí)際設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)計(jì)及維護(hù)保養(yǎng)。

圖3 輻板的應(yīng)力（MPa）變化圖

圖4 筒殼的應(yīng)力（MPa）變化圖

3.2 結(jié)構(gòu)變形變化分析

通過分析，得到了滾筒的結(jié)構(gòu)變化圖，如圖5所示。由圖可知，滾筒整體結(jié)構(gòu)的變形量相對(duì)均勻，但局部區(qū)域出現(xiàn)了彎曲變形現(xiàn)象，最大變形量為1.22 mm，變形量相對(duì)較小，出現(xiàn)在筒殼的靠近輻板區(qū)域。出現(xiàn)此現(xiàn)象原因?yàn)椋簼L筒為對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于兩端承受徑向載荷作用，使得筒殼的中部區(qū)域出現(xiàn)了彎矩受力。為有效保證整個(gè)滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有必要對(duì)筒殼發(fā)生變形量的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，以保證整個(gè)滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命。

圖5 滾筒結(jié)構(gòu)變形圖

4 滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合前文分析可知，在滾筒使用過程中，其結(jié)構(gòu)中的輻板中間內(nèi)圈及筒殼與輻板接觸焊接處均出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)，滾筒輻板兩端附近也出現(xiàn)了一定的結(jié)構(gòu)變形，故有必要對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4.1 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在滾筒改進(jìn)設(shè)計(jì)過程中，主要對(duì)輻板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)輻板的應(yīng)力變化特點(diǎn)可知，輻板內(nèi)側(cè)主要承受著壓力彎矩作用，并通過內(nèi)側(cè)與外側(cè)的相互作用實(shí)現(xiàn)拉力的傳遞，而輻板上的外側(cè)支架及輪廓由于與蒙皮之間形成了三角形，具有一定支撐力，故可將輻板的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三角支撐結(jié)構(gòu)，并將各部件的材料厚度增加2 mm，輻板外界輪廓均設(shè)計(jì)為外圓R結(jié)構(gòu)，以減少結(jié)構(gòu)上的局部應(yīng)力集中。輻板改進(jìn)設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6 輻板改進(jìn)設(shè)計(jì)圖

4.2 優(yōu)化后的滾筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化

采用相同的有限元仿真方法，對(duì)改進(jìn)后的滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能分析，得到了滾筒的應(yīng)力變化圖，如圖7所示。由圖可知，滾筒整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值明顯降低，最大應(yīng)力值為8.387 MPa，仍出現(xiàn)在滾筒幅板的中部區(qū)域，但應(yīng)力集中現(xiàn)象得到顯著的降低，筒殼與輻板接觸焊接處也明顯降低；滾筒的其他區(qū)域應(yīng)力值均相對(duì)較小。出現(xiàn)此結(jié)果的原因?yàn)闈L筒上輻板利用三角支撐原理，有效將所承受外力進(jìn)行了軸向分解，減緩了應(yīng)力集中現(xiàn)象。優(yōu)化效果顯著，得到了結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果。

圖7 優(yōu)化后滾筒應(yīng)力（MPa）變化圖

5 結(jié)語

由于煤礦井下環(huán)境的惡劣性，不斷利用當(dāng)前成熟快捷的分析方法對(duì)帶式輸送機(jī)中滾筒及其他部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析研究，成為企業(yè)提高研究效率，降低成本的有效方法。為此，在分析帶式輸送機(jī)及滾筒特點(diǎn)基礎(chǔ)上，利用有限元分析方法及ABAQUS軟件，開展了滾筒在使用過程中的性能研究，得出滾筒的輻板中間內(nèi)圈及筒殼與輻板接觸焊接處均是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦此些區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，將對(duì)設(shè)備的運(yùn)行構(gòu)成重要影響。為此，在對(duì)輻板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)后，開展了改進(jìn)后滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，改進(jìn)后滾筒所承受的應(yīng)力值更小，整體結(jié)構(gòu)性能得到明顯提升，達(dá)到了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)要求。這對(duì)提高滾筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命具有重要意義，實(shí)際指導(dǎo)參考價(jià)值較大。