曹 宇
(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦,山西 大同 037000)
帶式輸送機(jī)是煤礦井下進(jìn)行物料輸送的重要設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、輸送效率高等優(yōu)點(diǎn),在煤礦、港口、礦山開采中得到廣泛的應(yīng)用。滾筒作為帶式輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu),在工作過程中承受較大的載荷作用,特別是傳動(dòng)滾筒[1],對(duì)輸送帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng)扭矩的傳遞,且受到輸送帶交變載荷的影響,在長(zhǎng)期的使用中容易產(chǎn)生疲勞損傷[2]。傳動(dòng)滾筒是出現(xiàn)故障較多的零部件,因此對(duì)傳動(dòng)滾筒的受力及安全性進(jìn)行分析[3],是提高帶式輸送機(jī)整體使用性能的重要步驟,為帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。
對(duì)帶式輸送機(jī)的滾筒進(jìn)行分析,以DTL120 型帶式輸送機(jī)為例,結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒及輸送帶等。傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)主要包括傳動(dòng)軸、軸承、筒體、輪轂、輻板及脹套等[4]。采用三維建模軟件SolidWorks 建立傳動(dòng)滾筒的三維模型,對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理,忽略滾筒的細(xì)小結(jié)構(gòu)[5],其中傳動(dòng)軸長(zhǎng)度為1 600 mm、直徑為120 mm,筒體的寬度為1 200 mm、直徑為500 mm,筒體的厚度采用10 mm。
將傳動(dòng)滾筒的三維模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS 中進(jìn)行有限元模型的設(shè)定[6],設(shè)定傳動(dòng)軸采用45 號(hào)鋼,其彈性模量為193 GPa、泊松比為0.28、屈服強(qiáng)度為355 MPa;滾筒筒體采用Q235A,其彈性模量為200 GPa、泊松比為0.29、屈服強(qiáng)度為235 MPa;輻板及輪轂采用ZG230-450 鑄造碳鋼,其彈性模量為207 GPa、泊松比為0.28、屈服強(qiáng)度為230 MPa[7],得到傳動(dòng)滾筒的有限元模型如圖1 所示。
圖1 傳動(dòng)滾筒的有限元模型
對(duì)滾筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理,在進(jìn)行滾筒的受力分析過程中,網(wǎng)格劃分是非常重要的步驟,網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)滾筒的計(jì)算結(jié)果具有重要的影響[8]。ANSYS 中自帶有多種類型的網(wǎng)格單元采用六面體的單元類型對(duì)滾筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理,得到滾筒的網(wǎng)格劃分模型。
在ANSYS 中內(nèi)置有多種類型的求解器對(duì)滾筒進(jìn)行分析及計(jì)算,建立滾筒的分析模型后,進(jìn)行載荷及約束條件的設(shè)定,對(duì)傳動(dòng)滾筒受到的應(yīng)力及變形量進(jìn)行分析。由于滾筒傳動(dòng)軸、筒體及輪轂輻板是主要的結(jié)構(gòu)組成[9],對(duì)滾筒的使用具有直接的影響,對(duì)三者進(jìn)行應(yīng)力及位移變形的分析,從而可以清晰地判斷滾筒的整體工作狀態(tài)。
對(duì)傳動(dòng)滾筒進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,得到傳動(dòng)軸、筒體及輪轂輻板的應(yīng)力分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出,傳動(dòng)滾筒的各零部件所受到的應(yīng)力相差較大,其中傳動(dòng)軸的應(yīng)力最大,其次為輪轂輻板,筒體受到的應(yīng)力值最小。這是由于三者之中傳動(dòng)軸、輻板及筒體的直徑逐漸增加,各零件之間承受的扭矩作用相差不大,所受到的應(yīng)力逐漸下降[10]。
圖2 傳動(dòng)滾筒主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布
在一個(gè)零部件中的不同位置處,也存在著應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象,傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力值為257.23 MPa,最大應(yīng)力位于傳動(dòng)軸與脹套的連接位置處,存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象;筒體的最大應(yīng)力值為100.65 MPa,最大應(yīng)力位于筒體與輻板輪轂相接觸的位置,與輸送帶相接觸的筒體表面的應(yīng)力值較小,這是由于進(jìn)行扭矩傳遞的過程中與輸送帶的接觸面積較大;輪轂輻板的最大應(yīng)力值為159.40 MPa,最大應(yīng)力位于輻板與輪轂接觸的位置,連接位置處輻板的厚度較小,同樣出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。三者之中受到的應(yīng)力作用不同,存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象,可對(duì)應(yīng)力集中的位置進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[11],減小應(yīng)力集中的作用,最大應(yīng)力值均小于自身的屈服強(qiáng)度,滿足傳動(dòng)滾筒的使用需求。
對(duì)傳動(dòng)滾筒進(jìn)行位移變形計(jì)算,得到傳動(dòng)軸、筒體及輪轂輻板的位移變形分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出,傳動(dòng)滾筒的各零部件產(chǎn)生的位移變形具有一定的差異,其中筒體的位移變形量最大,其次為輪轂輻板,傳動(dòng)軸的位移變形量最小。在同一零部件中,位移變形量也存在著明顯的變形集中現(xiàn)象[12]。傳動(dòng)軸的最大位移變形量為0.12 mm,最大變形位于傳動(dòng)軸的中間位置,由中間向兩邊變形量逐漸減小;筒體結(jié)構(gòu)的最大位移變形量為0.38 mm,同樣位于筒體的中間位置,向著兩邊位移變形量逐漸減小,傳動(dòng)軸及筒體均采用兩邊支撐的形式,中間位置處于懸空的狀態(tài),產(chǎn)生的位移變形量較大;輪轂輻板的最大位移變形量為0.22 mm,最大變形位于輻板與筒體相接觸的位置。三者所產(chǎn)生的位移變形量相對(duì)滾筒的整體結(jié)構(gòu)尺寸均較小,滿足滾筒的使用需求。
圖3 傳動(dòng)滾筒主要結(jié)構(gòu)的位移變形分布
傳動(dòng)滾筒的主要結(jié)構(gòu)件在使用過程中的安全系數(shù)均要求大于1.2 以上,安全系數(shù)為屈服強(qiáng)度與實(shí)際受力之間的比值。通過上述的分析可知,三個(gè)主要構(gòu)件所受到的最大應(yīng)力分別為257.23 MPa、100.65 MPa、159.40 MPa,三者所選用的材質(zhì)各不相同,其屈服強(qiáng)度分別為355MPa、235 MPa、230 MPa,最大應(yīng)力值均小于屈服強(qiáng)度,對(duì)其安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得到傳動(dòng)滾筒的主要構(gòu)件的最小安全系數(shù)如圖4 所示。從圖4 中可以看出,三種主要構(gòu)件的最小安全系數(shù)均大于1.2,滿足安全系數(shù)的使用要求。
圖4 傳動(dòng)滾筒主要構(gòu)件最小安全系數(shù)
帶式輸送機(jī)是煤礦進(jìn)行煤炭輸送的重要設(shè)備,傳動(dòng)滾筒在工作過程中的承載較大,對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力及安全分析是進(jìn)行帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。以DTL120 型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)傳動(dòng)滾筒的受力及安全性進(jìn)行分析,建立了傳動(dòng)滾筒的有限元模型,對(duì)傳動(dòng)滾筒進(jìn)行應(yīng)力分析,傳動(dòng)軸的應(yīng)力最大,其次為輪轂輻板,筒體受到的應(yīng)力值最小,三者最大應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度;對(duì)傳動(dòng)滾筒進(jìn)行位移變形分析,筒體的位移變形量最大,其次為輪轂輻板,傳動(dòng)軸的位移變形最小,三者位移變形量較小,滿足系統(tǒng)的使用要求;傳動(dòng)滾筒的最小安全系數(shù)為:傳動(dòng)軸1.38、筒體2.33、輪轂輻板1.44,最小安全系數(shù)均大于1.2,滿足傳動(dòng)滾筒的設(shè)計(jì)要求。
對(duì)傳動(dòng)滾筒的受力及安全分析,滾筒的結(jié)構(gòu)滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用要求,同時(shí)滾筒的分析中存在著應(yīng)力集中及變形集中的問題,滾筒整體的應(yīng)力值及變形量相對(duì)較小,對(duì)滾筒的材料造成一定的浪費(fèi),可對(duì)滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,從而減小應(yīng)力集中及變形集中的問題,減少滾筒使用的材料,提高滾筒的整體性能,保證帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。