考慮皮帶跑偏影響的帶式輸送機(jī)驅(qū)動滾筒優(yōu)化研究

范慶剛

（霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 034000）

引言

隨著煤礦領(lǐng)域的不斷發(fā)展，礦用帶式輸送機(jī)正朝著大型化、高速度化方向發(fā)展，這對帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1-3]。帶式輸送機(jī)正常工作過程中發(fā)生皮帶跑偏現(xiàn)象是十分常見的問題，皮帶跑偏必然會對輸送機(jī)的正常工作造成一定程度的影響，改變輸送機(jī)的受力狀態(tài)[4-5]。通常情況下，在對帶式輸送機(jī)驅(qū)動滾筒進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不會考慮皮帶對其受力狀態(tài)的影響。但實(shí)際上皮帶跑偏會對其受力狀態(tài)和變形量產(chǎn)生影響[6]。因此，有必要考慮皮帶跑偏對驅(qū)動滾筒的影響對其開展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，使驅(qū)動滾筒的結(jié)構(gòu)更加滿足實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)。本文基于ANSYS 軟件，考慮皮帶跑偏的影響對帶式輸送機(jī)的驅(qū)動滾筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 驅(qū)動滾筒基本數(shù)據(jù)

研究對象為DTL160 型帶式輸送機(jī)的驅(qū)動滾筒。驅(qū)動滾筒的原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息主要包括：皮帶寬度為1.4 m；筒體長度和直徑分別為1.6 m 和1.67 m；筒殼厚度為38 mm；幅板的內(nèi)徑、間距和厚度分別為0.695 m、1.2 m 和60 mm；幅板的內(nèi)徑和寬度分別為0.495 m 和0.17 m；軸的總長度以及端部外徑分別為2.56 m 和0.2 m，軸承寬度為0.5 m。帶式輸送機(jī)正常工作時(shí)涉及到的一些技術(shù)參數(shù)主要包括：皮帶在驅(qū)動滾筒中的包角大小為180°；驅(qū)動扭距的大小為280 kN·m；皮帶和驅(qū)動滾筒之間的摩擦系數(shù)為0.3。

驅(qū)動滾筒由多個(gè)結(jié)構(gòu)件組裝而成，不同結(jié)構(gòu)件使用不同的材料生產(chǎn)加工制作。其中軸、筒殼、輪轂和幅板的生產(chǎn)加工材料分別為45 鋼、Q235、ZG25、ZG25，這3 種材料的彈性模量分別為193 GPa、200 GPa、200 GPa，泊松比均為0.29。

2 驅(qū)動滾筒靜力學(xué)建模及分析結(jié)果

2.1 驅(qū)動滾筒靜力學(xué)模型的建立

1）幾何模型。利用PRO/E 軟件建立驅(qū)動滾筒的三維幾何模型，模型建立過程中嚴(yán)格按照驅(qū)動滾筒的實(shí)際幾何參數(shù)執(zhí)行。但由于驅(qū)動滾筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部涉及到很多小的結(jié)構(gòu)特征，這些結(jié)構(gòu)特征會對計(jì)算過程產(chǎn)生非常不利的影響。因此在建立幾何模型時(shí)對這些小結(jié)構(gòu)特征，比如圓角、小凸臺等進(jìn)行忽略處理，該簡化不會對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生非常顯著的影響。

2）模型導(dǎo)入與網(wǎng)格劃分。將PRO/E 軟件建立好的幾何模型導(dǎo)出為ANSYS 軟件可以識別的格式，并將其導(dǎo)入到ANSYS 軟件中進(jìn)行后續(xù)的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格單元?jiǎng)澐质钦麄€(gè)模型建立過程中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，需要根據(jù)模型實(shí)際情況合理選擇網(wǎng)格單元類型。結(jié)合具體情況最終選擇的網(wǎng)格單元類型為SOLID45，設(shè)置好網(wǎng)格大小后軟件會對網(wǎng)格單元進(jìn)行自動劃分，最終劃分得到的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為15 683 格19 465 個(gè)。

3）材料屬性設(shè)置。上文中已經(jīng)給出了驅(qū)動滾筒不同結(jié)構(gòu)件對應(yīng)的生產(chǎn)加工材料及其材料屬性。將這些屬性參數(shù)分別輸入到對應(yīng)的幾何模型中參與模擬計(jì)算，以得到理想的模擬結(jié)果。

4）載荷和約束條件的設(shè)置。帶式輸送機(jī)在正常工作過程中，驅(qū)動滾筒主要受到4 個(gè)方面的載荷：自身重量載荷、旋轉(zhuǎn)慣性力載荷、皮帶施加在滾筒表面的載荷、驅(qū)動裝置施加的扭矩載荷。約束方面，驅(qū)動滾筒主要受到兩端軸承的約束，只能夠繞軸旋轉(zhuǎn)，其他約束全部固定。

2.2 驅(qū)動滾筒靜力學(xué)分析結(jié)果

如果皮帶不發(fā)生跑偏問題，帶式輸送機(jī)不會產(chǎn)生軸向力。如果皮帶發(fā)生跑偏問題，帶式輸送機(jī)就會產(chǎn)生軸向力，且跑偏現(xiàn)象越嚴(yán)重產(chǎn)生的軸向力越大。因此可以在模型中設(shè)置軸向力大小來反映皮帶跑偏的嚴(yán)重程度。如圖1 所示為不同軸向力工況條件下滾筒軸和筒殼的最大應(yīng)力和變形量統(tǒng)計(jì)情況。

圖1 不同軸向力工況條件下筒殼和滾筒軸的最大應(yīng)力和變形量統(tǒng)計(jì)情況

由圖1 中的變化曲線可以明顯看出：滾筒軸和筒殼的最大應(yīng)力和變形量全部隨著軸向力的增加而不斷增大；當(dāng)軸向力不超過200 kN 時(shí)，軸向力變化對最大應(yīng)力值和變形量影響不是非常顯著，說明當(dāng)皮帶跑偏現(xiàn)象不嚴(yán)重時(shí)，不會對驅(qū)動滾筒造成非常嚴(yán)重的影響；當(dāng)軸向力超過200 kN 以后，隨著軸向力的增大，最大應(yīng)力值和變形量出現(xiàn)了大幅度的增加。

由上述分析可知，皮帶跑偏會對驅(qū)動滾筒的受力狀態(tài)和變形量產(chǎn)生一定程度的影響。由于煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，皮帶跑偏是十分常見的問題。所以在對驅(qū)動滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮皮帶跑偏的影響，以得到更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)結(jié)果，使之更符合實(shí)際工況。

3 不同工況條件下結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響靈敏度的分析

3.1 影響靈敏度的內(nèi)涵

對于帶式輸送機(jī)驅(qū)動滾筒而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的規(guī)格尺寸改變，必然會對使用過程中的應(yīng)力和應(yīng)變大小等造成一定程度的影響。但是不同參數(shù)對結(jié)果影響的程度是存在差異的，這就是所謂的影響靈敏度。靈敏度越大說明該參數(shù)對結(jié)果的影響程度更大。相反的，靈敏度越小則說明該參數(shù)對結(jié)果的影響程度相對較小。當(dāng)靈敏度小到一定程度時(shí)，就可以忽略該參數(shù)對結(jié)果的影響。通過對驅(qū)動滾筒各參數(shù)的靈敏度分析，能夠確定哪些因素對驅(qū)動滾筒的應(yīng)用效果影響最顯著，進(jìn)而對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 基于影響靈敏度對優(yōu)化目標(biāo)的選擇

上文已經(jīng)對皮帶跑偏和不跑偏情況下驅(qū)動滾筒的受力以及變形量情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)皮帶跑偏會對驅(qū)動滾筒的受力和變形產(chǎn)生顯著的影響。在結(jié)合驅(qū)動滾筒結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，選擇輪轂寬度、筒殼厚度、輻板厚度以及輻板間距4 個(gè)參數(shù)進(jìn)行影響靈敏度分析，以確定哪些參數(shù)對驅(qū)動滾筒的性能影響最為顯著。進(jìn)行影響靈敏度分析時(shí)，以驅(qū)動滾筒的最大應(yīng)力和應(yīng)變量，以及整體質(zhì)量為目標(biāo)。上述4個(gè)參數(shù)的變化范圍分別為150～190 mm、32～44 mm、50～70 mm、900 ～1 500 mm。

如下頁圖2 所示為皮帶跑偏和不跑偏兩種工況下，4 個(gè)參數(shù)對驅(qū)動滾筒性能的影響靈敏度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖2 中可以看出，皮帶發(fā)生跑偏與不跑偏時(shí)對比，4 個(gè)參數(shù)對驅(qū)動滾筒最大應(yīng)力和變形量的影響靈敏度的影響都非常顯著，但是對整體質(zhì)量的影響靈敏度卻幾乎沒有變化。由此說明，皮帶跑偏會對影響靈敏度產(chǎn)生一定程度的影響。進(jìn)一步分析可知，筒殼厚度、輻板厚度的影響靈敏度最大?；诖?，本研究中以筒殼厚度和輻板厚度作為優(yōu)化變量，對驅(qū)動滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4 筒殼厚度、輻板厚度對驅(qū)動滾筒的影響

基于以上分析可以看出，不管是皮帶發(fā)生跑偏還是不跑偏，筒殼厚度和輻板厚度對驅(qū)動滾筒的性能影響最為顯著。因此，以該2 個(gè)參數(shù)為變量，再次建立驅(qū)動滾筒的有限元力學(xué)分析模型。建立模型時(shí)，除上述2 個(gè)參數(shù)以外，其他各參數(shù)全部保持不變。如下頁圖3 所示為不同筒殼厚度和輻板厚度對應(yīng)的驅(qū)動滾筒最大應(yīng)力值和變形量結(jié)果。

從圖3 中的變化曲線可以看出：2 個(gè)參數(shù)對于驅(qū)動滾筒的性能影響具有相似的規(guī)律。在研究范圍內(nèi)，不管是皮帶發(fā)生跑偏還是不跑偏，驅(qū)動滾筒的最大變形量隨著筒殼厚度和輻板厚度的增加而逐漸降低，而最大應(yīng)力值隨著上述2 個(gè)參數(shù)的不斷增大，先是逐漸上升而后又逐漸降低。基于上述結(jié)果可知，當(dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生皮帶跑偏問題時(shí)，會在一定程度上增加驅(qū)動滾筒的最大應(yīng)力值和變形量。在此工況條件下，筒殼厚度和輻板厚度的變化對驅(qū)動滾筒的性能影響程度更明顯。從控制驅(qū)動滾筒最大應(yīng)力和變形量角度出發(fā)，可以將筒殼厚度和幅板厚度分別設(shè)計(jì)成44 mm 和70 mm。

5 結(jié)論

圖2 不同工況條件下4 個(gè)參數(shù)的影響靈敏度

1）皮帶跑偏現(xiàn)象會對驅(qū)動滾筒的使用性能產(chǎn)生一定程度的影響。所以在對驅(qū)動滾筒進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮皮帶跑偏的影響。

2）基于優(yōu)化結(jié)果，將筒殼厚度和輻板厚度分別設(shè)置為44 mm 和70 mm 時(shí)驅(qū)動滾筒的最大應(yīng)力值和變形量最小。

圖3 筒殼厚度和輻板厚度對驅(qū)動滾筒最大應(yīng)力和變形量的影響規(guī)律