基于不同脹套連接下的礦用帶式輸送機滾筒結(jié)構(gòu)性能研究

楚 瑤

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備科大機械有限公司，山西 大同 037000）

引言

礦用帶式輸送機作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，由于其具有輸送效率高、操作方便、運輸量大等特點，得到了廣泛應(yīng)用[1]。由于煤炭輸送過程中會掉落較多的煤石并聚集在設(shè)備的各類部件縫隙中，加上單位面積上皮帶經(jīng)常處于超負荷運輸狀態(tài)，導(dǎo)致帶式輸送機運行時經(jīng)常出現(xiàn)皮帶磨損嚴重、滾筒嚴重變形、電機燒壞等失效問題。帶式輸送機由于與其他設(shè)備是串聯(lián)同步作業(yè)，一旦此設(shè)備出現(xiàn)故障問題，將極可能使得整個工作面的煤礦開采處于停機狀態(tài)[2]。滾筒作為帶式輸送機中的關(guān)鍵設(shè)備，減少其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變形、局部開裂或斷裂等故障問題，對提高帶式輸送機的運輸效率意義重大。為此，對滾筒在不同脹套結(jié)構(gòu)下的綜合性能進行研究。

1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)及滾筒特點分析

帶式輸送機作為煤礦中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括輸送帶、驅(qū)動裝置、滾筒、托輥、張緊裝置、漏斗、清掃器等，具有運量大、爬坡能力強、使用方便、維護成本低等優(yōu)點[3]。帶式輸送機工作過程中，主要通過電機的驅(qū)動來帶動皮帶運轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)將掉至皮帶上煤礦運輸至下一個工位的運輸作業(yè)。其中，滾筒是帶式輸送機上的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)主要包括筒殼、輪轂、輻板、滾筒軸等，各部件之間通過焊接及間隙配合的方式進行連接[4]。帶式輸送機中一般所使用的滾筒包括驅(qū)動滾筒和改向滾筒，其中，驅(qū)動滾筒結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，作業(yè)時承受著徑向和軸向載荷作用，而改向滾筒則主要負責改變皮帶及運輸煤礦的運動方向，結(jié)構(gòu)相對較簡單。滾筒在使用過程中主要會出現(xiàn)筒殼表磨損嚴重、輻板變形嚴重、筒殼兩端變形或開裂等失效類型，一旦滾筒發(fā)生了結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，將會使得帶式輸送機無法正常作業(yè)，嚴重影響煤礦的生產(chǎn)量[5]。為此，有必要對滾筒結(jié)構(gòu)性能進行分析研究。

2 模型建立

2.1 不同結(jié)構(gòu)脹套分析

由于滾筒與不同結(jié)構(gòu)的脹套相匹配安裝將表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)性能，故首先對不同結(jié)構(gòu)的脹套進行分析。

2.1.1 脹套1結(jié)構(gòu)分析

脹套1結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用了內(nèi)外斜錐面的配合方式，利用了楔形原理進行設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等特點，斜錐面角度將根據(jù)不同的受力情況進行任意角度調(diào)整設(shè)計。避免了內(nèi)圈與外圈之間通過過盈方式進行配合連接的弊端，可完成較大載荷的傳遞。脹套1結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 脹套結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 脹套2結(jié)構(gòu)分析

脹套2結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用了開口式的雙錐面內(nèi)環(huán)設(shè)計，主要由一個內(nèi)環(huán)、2個外環(huán)及螺栓組成，內(nèi)環(huán)上設(shè)計了1個開口結(jié)構(gòu)，外環(huán)上設(shè)計了2個開口結(jié)構(gòu)，通過螺栓進行固定連接，在固定后，能產(chǎn)生較大徑向壓緊力作用，傳遞較大的外界載荷。為方便零件的拆卸，在壓緊環(huán)上設(shè)計了拆卸螺栓。脹套2的結(jié)構(gòu)示意圖如下頁圖2所示。

圖2 脹套2結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 滾筒仿真模型建立

為進一步分析滾筒在不同脹套零件配合情況下的結(jié)構(gòu)性能，材料了Solidworks軟件，建立包含滾筒、脹套及輻板等結(jié)構(gòu)在內(nèi)的帶式輸送機滾筒結(jié)構(gòu)，并將滾筒中的倒角、圓角、過渡圓弧等特征進行了模型簡化。在完成滾筒及脹套的模型裝配后，導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，對其了進行仿真模型建[6]立。在軟件中，采用了六面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，模型實體單元類型。同時，根據(jù)滾筒及脹套的實際結(jié)構(gòu)材料情況，在軟件中將其材料設(shè)置為Q235材料，材料的屈服強度為235 MPa，彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。另外，在滾筒的兩端施加55 kN·m的旋轉(zhuǎn)扭矩，以模擬滾筒的實際運行情況。由此，完成了滾筒的結(jié)構(gòu)分析模型建立。所建立的滾筒及脹套網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

圖3 滾筒及脹套網(wǎng)格劃分圖

3 不同脹套結(jié)構(gòu)下的滾筒性能分析

3.1 脹套1結(jié)構(gòu)下的滾筒結(jié)構(gòu)性能分析

為更加準確地對滾筒結(jié)構(gòu)性能進行分析，分別分析了滾筒上輻板及筒殼的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖。由圖4可知，滾筒上的輻板出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在輻板的內(nèi)徑表面，最大應(yīng)力值為161.74 MPa，沿著外徑方向，輻板上應(yīng)力呈逐漸減小的趨勢，到輻板外徑表面時的應(yīng)力又增大至114 MPa。由圖5可知，筒殼表面出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒殼兩端與輻板連接部位，最大值為114.433 MPa，筒殼的中部區(qū)域應(yīng)力值則相對較小。分析其原因為：筒殼兩端與輻板進行焊接，中部為空心設(shè)計，滾筒在受到外力作用時會將作用力傳遞至兩端，通過輻板傳遞至脹套，最終傳遞至軸上，此變形規(guī)律與滾筒的實際受力情況基本一致。為此，滾筒輻板的內(nèi)表面、輻板與筒殼相焊接部位是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在設(shè)計及實際使用時需重點對其進行結(jié)構(gòu)加強設(shè)計。

圖4 滾筒中輻板的應(yīng)力（MPa）變化圖

圖5 滾筒中筒殼的應(yīng)力（MPa）變化圖

3.2 脹套2結(jié)構(gòu)下的滾筒結(jié)構(gòu)性能分析

按照相同的分析方法，通過建立脹套2結(jié)構(gòu)下的滾筒分析模型，得出了滾筒中輻板及筒殼的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖。由圖6可知，輻板的應(yīng)力變化與脹套1下的基本相同，在輻板的內(nèi)徑表面為最大應(yīng)力集中區(qū)域，最大應(yīng)力值為93.32 MPa，向著輻板的外徑方向，應(yīng)力呈逐漸減小的變化趨勢。由下頁圖7可知，筒殼在的兩端也出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值出現(xiàn)筒殼與輻板外表面的焊接區(qū)域，最大應(yīng)力值為38.9 MPa，其余區(qū)域應(yīng)力值則相對較小。與脹套1結(jié)構(gòu)條件下相比，脹套2條件下的滾筒具有更優(yōu)的結(jié)構(gòu)性能，滾筒結(jié)構(gòu)強度更高，在實際使用過程中具有更高的安全性。

圖6 滾筒中輻板的應(yīng)力變化圖

圖7 滾筒中筒殼的應(yīng)力（MPa）變化圖

綜上分析，滾筒在脹套2下具有更高的結(jié)構(gòu)性能，更能滿足帶式輸送機的現(xiàn)場使用需求。故在實際使用過程中，可考慮以脹套2為參考結(jié)構(gòu)，與滾筒進行匹配設(shè)計，以提高滾筒的結(jié)構(gòu)性能。

4 滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

結(jié)合前文分析，得出滾筒的輻板內(nèi)徑表面及筒殼與輻板相焊接的區(qū)域是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在實際使用時，極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂或斷裂的失效現(xiàn)象，故需對其滾筒進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

1）將滾筒的材料由Q235改變?yōu)镼345材料，可使其材料的屈服強度增加至345 MPa，提高滾筒的材料強度；

2）增加滾筒輻板的厚度約2 mm，并在輻板上應(yīng)力集中附近開設(shè)直徑為2 mm的小孔，以使集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至小孔處，焊接輻板上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

3）可將輻板結(jié)構(gòu)由平面型改變?yōu)閳A弧外凸曲線，利用拱形受力原理，提高輻板在受力狀態(tài)下的支撐能力；

4）增加筒殼兩端的結(jié)構(gòu)厚度，并在筒殼內(nèi)部的非干涉區(qū)域焊接加強筋條，以增加筒殼兩端的結(jié)構(gòu)強度；

5）增加輻板、輪轂及筒殼之間的焊接質(zhì)量，保證焊接部位不發(fā)生焊縫開裂現(xiàn)象，并定期對滾筒結(jié)構(gòu)進行檢查，若發(fā)生滾筒發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或開裂現(xiàn)象，可及時采取措施來完成對滾筒的維修保養(yǎng)。

5 結(jié)論

利用有限元分析方法，對帶式輸送機滾筒的結(jié)構(gòu)性能進行分析研究，是當前最快、最經(jīng)濟的研究方法。通過對滾筒在脹套1和脹套2下的結(jié)構(gòu)性能研究，得出結(jié)論：滾筒的輻板內(nèi)徑表面及筒殼與輻板相焊接的區(qū)域是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，找到了滾筒在使用過程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，同時，滾筒在脹套2下具有更高的結(jié)構(gòu)強度，整體結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)；最后，從材料屬性、滾筒結(jié)構(gòu)尺寸及焊接等方面提出了滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進措施。