SSJ680型帶式輸送機傳動滾筒結(jié)構(gòu)強度的分析

王 智

(霍州煤電集團有限責(zé)任公司 龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

0 引言

帶式輸送機的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要包括皮帶、滾筒、托架等部件。帶式輸送機具有運輸能力強、工作噪聲小、故障率低、能耗小、安裝與使用方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于煤礦開采、輕化工、交通運輸、汽車制造等行業(yè)。由于帶式輸送機的諸多優(yōu)點，在社會經(jīng)濟的發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用，同時輸送機的結(jié)構(gòu)、性能也在不斷改進與提高，積極地適應(yīng)了經(jīng)濟發(fā)展的需求。

輸送機結(jié)構(gòu)雖然相對比較簡單，但是由于長期處于物料沖擊載荷的反復(fù)作用下，滾筒結(jié)構(gòu)容易發(fā)生故障。滾筒結(jié)構(gòu)中存在的焊縫容易在疲勞載荷的反復(fù)作用下萌生裂紋，微小裂紋在疲勞載荷的作用下不斷擴展，從而致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。因此需要對滾筒的結(jié)構(gòu)強度進行分析，以提高滾筒的性能[1]。

1 SSJ680型帶式輸送機滾筒

帶式輸送機的工作原理相對比較簡單，滾筒在運行時與傳輸皮帶產(chǎn)生一定的摩擦力，借助該摩擦力實現(xiàn)對輸送機傳送帶上物料的運輸。SSJ680型帶式輸送機滾筒運輸能力較大，屬于重型滾筒。其傳動滾筒的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括筒皮、滾筒軸、輻板以及輪轂等部件。

圖1 傳動滾筒結(jié)構(gòu)

滾筒表面形式多樣，SSJ680型帶式輸送機滾筒為包膠滾筒，可提供足夠大的表面摩擦力，有效地避免皮帶打滑，能適應(yīng)工作環(huán)境較為復(fù)雜的情況。滾筒主要受皮帶正壓力和摩擦力的作用，摩擦力的大小與正壓力相關(guān)。在對滾筒強度進行分析時，皮帶對滾筒的正壓力并不是均勻分布的，其壓力的大小與接觸角之間有一定的函數(shù)關(guān)系[2]。

2 分析模型的建立

首先，根據(jù)SSJ680型帶式輸送機傳動滾筒的工程圖紙，基于Croe軟件建立其三維實體模型，為便于有限元的計算，簡化了模型中一些不影響應(yīng)力分析的細小特征，如孔、凹槽等。然后，將三維實體模型以STP格式導(dǎo)入Hypermesh軟件中，對模型進行網(wǎng)格處理。

2.1 滾筒參數(shù)

根據(jù)SSJ680型帶式輸送機技術(shù)參數(shù)可知，輸送機輸送能力為Q=1 400 t/h；主要輸送介質(zhì)為散煤，輸送機上煤料的堆積密度為ρ=970 kg/m3；滾筒直徑為1 250 mm；皮帶寬度為2 200 mm，皮帶運行速率為v=5 m/s；滾筒與皮帶之間的摩擦因數(shù)μ=0.35；輸送帶上單位長度煤炭質(zhì)量QB=18 kg/m[3]。

2.2 材料屬性

輸送帶滾筒各部件的材料參數(shù)如下：滾筒軸與輪轂的材料均為Q235，該材料的屈服強度為235 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.26；鑄造接盤的材料為ZG230-450 H，其屈服強度為230 MPa，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27[4]。

2.3 網(wǎng)格劃分

由于Hypermesh軟件具有強大的網(wǎng)格處理功能，因此將滾筒三維模型導(dǎo)入軟件，采用六面體單元和掃掠網(wǎng)格劃分方法，得到滾筒的網(wǎng)格模型如圖2所示，滾筒筒體共生成132 572個單元和92 408個節(jié)點[5]。

圖2 滾筒網(wǎng)格模型

2.4 邊界與載荷

滾筒的約束條件相對比較簡單，僅需要對滾筒軸的X、Y、Z方向的位移進行限制，同時將X、Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度設(shè)置為0。滾筒徑向所受的載荷情況由表面載荷與皮帶夾角之間的函數(shù)關(guān)系確定，對加載實際過程以及載荷計算在此不再一一贅述。

3 滾筒受力分析結(jié)果

根據(jù)ANSYS有限元分析計算結(jié)果，其應(yīng)力分布情況與滾筒在實際使用中受力相似，如圖3所示，滾筒的最大應(yīng)力出現(xiàn)在滾筒軸與軸承的接觸面，同時脹套與輪轂、輻板等位置應(yīng)力都較大。滾筒面由于與皮帶直接接觸，具有一定的應(yīng)力分布，但相對其他區(qū)域分布比較均勻，滾筒的最大應(yīng)力值為37.304 3 MPa。校核滾筒的強度，滾筒的材料主要為Q235，其屈服強度為235 MPa，根據(jù)滾筒等效應(yīng)力計算結(jié)果，核算滾筒滿足強度要求。但由于滾筒在工作時，皮帶對滾筒的載荷直接作用于滾筒，同時物料下降的沖擊載荷容易對滾筒造成損傷。而筒殼與輻板的連接位置存在焊縫，存在應(yīng)力集中的情況，是滾筒結(jié)構(gòu)中的薄弱區(qū)域。

圖3 滾筒應(yīng)力分布圖

圖4為滾筒位移云圖。由圖4可以看出，滾筒的最大變形出現(xiàn)在筒皮的中部，最大位移值為0.537 mm，總體變形量較小，不影響滾筒的使用。因此可以考慮在不影響滾筒結(jié)構(gòu)強度與剛度的基礎(chǔ)上對其進行減重優(yōu)化，同時可以采用內(nèi)部加筋的方式降低結(jié)構(gòu)中存在應(yīng)力集中的問題。

圖4 滾筒位移云圖

4 滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

滾筒作為帶式輸送機重要的承載部件，在使用過程中常出現(xiàn)不同的故障，如出現(xiàn)疲勞裂紋的萌生、關(guān)鍵零部件在沖擊載荷下折斷等現(xiàn)象。為了有效提高帶式輸送機的使用壽命與可靠性，現(xiàn)對SSJ680型帶式輸送機傳動滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進提出兩點建議：

(1) 由于滾筒為焊接結(jié)構(gòu)，不可避免地在滾筒內(nèi)部存在較多的焊縫，根據(jù)滾筒強度分析結(jié)果，在輪轂與筒皮、滾筒軸與輪轂連接位置應(yīng)進行合理的焊縫布置，通過改進工藝減少焊縫的數(shù)量，從而提高滾筒的可靠性。

(2) 由于仿真計算的結(jié)果顯示滾筒中部的變形較大，為了有效降低滾筒的變形量，可在滾筒內(nèi)部輪轂之間設(shè)置加強筋板，增加滾筒的抗變形能力，同時可對應(yīng)力分布較小的區(qū)域進行合理的減重優(yōu)化，達到提高滾筒使用性能的目的。

5 結(jié)論

本文以SSJ680型帶式輸送機傳動滾筒為研究對象，分析滾筒的受力情況，根據(jù)該型帶式輸送機工程圖紙建立了滾筒的三維模型?；贏NSYS創(chuàng)建滾筒的有限元分析模型，通過計算分析得到了滾筒的應(yīng)力、變形的分布情況。根據(jù)計算結(jié)果，滾筒的最大應(yīng)力值為37.304 3 MPa，最大應(yīng)力點位于輪轂與輻板連接位置；最大位移值位置在滾筒中部，最大位移為0.537 mm，最后核算強度與剛度均滿足設(shè)計要求。根據(jù)計算分析的結(jié)果對該型帶式輸送機滾筒結(jié)構(gòu)提出兩點優(yōu)化建議：①由于滾筒內(nèi)部存在較多的焊縫，應(yīng)力分布情況顯示在焊縫連接位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，為了提高滾筒的性能可減少滾筒內(nèi)部焊縫數(shù)量；②增加滾筒的剛度，可在輪轂之間增加加強筋板，可有效提高滾筒的剛度。