不同工況條件下礦用帶式輸送機滾筒軸的結構強度分析

張宏建

（晉能控股煤業(yè)集團浙能麻家梁煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 036000）

引言

礦用帶式輸送機是煤礦開采中的關鍵設備，而滾筒軸與滾筒一起組成了帶式輸送機的傳遞裝置，在驅動電機及皮帶的共同作用下，可完成將煤炭運輸至指定區(qū)域的操作[1]。但由于礦井環(huán)境相當惡劣，加上皮帶經(jīng)常會受到無規(guī)律的較大外界載荷作用及預緊力作用，導致滾筒及滾筒軸在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)滾筒磨損嚴重、滾筒軸結構變形、軸承區(qū)域磨損嚴重等失效現(xiàn)象，一旦滾筒軸及滾筒出現(xiàn)故障，將會嚴重影響整個帶式輸送機的作業(yè)效率及煤礦輸送安全。掌握滾筒軸在不同工況下的結構變形規(guī)律及薄弱點，是保證設備高效作業(yè)的重要任務[2]。為此，采用有限元分析方法，利用ABAQUS 軟件開展了滾筒軸在預緊力和預緊力及外載荷共同作用等條件下的結構性能研究，得出滾筒軸的中部及兩端較小直徑處為整個結構的薄弱部位，提出了滾筒軸的優(yōu)化改進措施，這對提高滾筒軸的使用壽命及設備的工作效率具有重要意義。

1 帶式輸送機及滾筒軸結構特點

帶式輸送機的整機主要部件包括皮帶、驅動裝置、滾筒、滾筒軸、托輥、張緊裝置、漏斗、清掃器等，其中，滾筒及滾筒軸安裝固定在支架上，皮帶則纏繞在滾筒上，通過張緊裝置實現(xiàn)皮帶的拉緊[3]。在驅動電機的作用下，皮帶開展運行，采煤機所開采的煤炭掉入皮帶上后，利用滾筒的旋轉，可將煤石運輸至漏斗及指定位置，實現(xiàn)煤炭的運輸。托輥為帶式輸送機主要的承力機構，對較小皮帶運行阻力具有重要作用。輸送機的運輸距離越長，所布置的托輥就越多。在此期間，由于皮帶受到無規(guī)律的較大沖擊作用，皮帶、滾筒及滾筒軸則會因外界載荷而發(fā)生不同程度的變形、開裂及斷裂等失效現(xiàn)象。而此失效現(xiàn)象是無法避免的，僅能通過關鍵部件的結構優(yōu)化改進來減小零件的損壞[4]。為此，將根據(jù)滾筒軸的實際使用工況，對滾筒軸不同工況下的結構變化規(guī)律進行分析研究，以提高其結構性能。

2 滾筒軸模型建立

為進一步分析帶式輸送機中滾筒軸在使用過程中的結構性能，需建立模型，以掌握其結構的變化規(guī)律。因此，采用了PROE 軟件，按照模型的1∶1 比例，對滾筒軸進行了三維模型建立，主要建立了滾筒軸的階梯、軸承安裝座等特征，為提高滾筒軸的分析精度，在建模時將軸上的過渡圓弧、圓角及倒角等特征進行了簡化[5]，以保證軸的分析質量，所建立的滾筒軸三維模型如圖1 所示。

圖1 滾筒軸三維模型

3 滾筒軸仿真模型建立

將所建立的滾筒軸導入ABAQUS 軟件中，對其進行仿真模型建立。首先，根據(jù)滾筒軸的實際使用材料情況，在軟件中將其材料設置為Q235 材料，其材料的屈服強度為235 MPa[6]，具體參數(shù)如下頁表1 所示。同時，將滾筒軸的左右兩端較小直徑處進行固定約束，軸中間施加向下的作用力，向下載荷設置為120 kN。根據(jù)滾筒軸的結構特點，在軟件中將其設置為實體單元類型，在網(wǎng)格劃分時將其設置為四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設置為8 mm。主要分析了滾筒軸在預緊力載荷及預緊力與外載荷共同作用下的結構性能變形研究。

表1 Q235 材料參數(shù)

4 滾筒軸不同工況條件下結構性能分析

4.1 應力變化

結合所建立的滾筒軸仿真模型，得到了其結構在預緊力和預緊力及外載荷共同作用工況下的應力變化結果，分別如圖2 和圖3 所示。由圖2 可知，滾筒軸在預緊力作用工況下，整體結構出現(xiàn)了較為明顯的應力分布不均勻現(xiàn)象，在滾筒軸左右兩端較小直徑處的應力集中現(xiàn)象更為明顯，最大應力值為103.09 MPa，沿著兩端應力值呈逐漸減小的變化趨勢；而由圖3 可知，滾筒軸在兩種載荷共同作用時，整體結構的應力分布更加不均勻，且較大應力區(qū)域更大，最大應力值為121.83 MPa，在滾筒軸的左右較小直徑處的應力分布范圍也更大。與第一種工況條件相比，滾筒軸的應力集中現(xiàn)象更為明顯。由此可說明：滾筒軸在預緊力及外載荷共同作用下具有更低的結構性能，更容易率先發(fā)生結構失效現(xiàn)象，為此，在滾筒軸總體設計生產(chǎn)時，需考慮惡劣工況，以保證其結構的綜合性能。

圖2 滾筒軸在預緊力下的應力變化

圖3 滾筒軸在預緊力及外載荷共同作用下的應力變化

4.2 結構位移變化

根據(jù)仿真結果得到了滾筒軸在預緊力和預緊力與外載荷共同作用兩種工況條件下的結構位移變化結果。由圖4 可知，滾筒軸整體結構出現(xiàn)了分布不均勻的結構位移變化，最大變化位移為0.078 mm，相對較大并集中在左右兩端的較小直徑處，沿著滾筒軸中部方向，變形值呈逐漸減小趨勢，但整體變形量相比其他區(qū)域也相對較高；滾筒軸的左右兩端幾乎未發(fā)生結構變形現(xiàn)象。由圖5 可知，滾筒軸在預緊力及外載荷共同作用條件下出現(xiàn)了較為明顯的結構變形，最大變形位移發(fā)生在軸的中部區(qū)域，最大變形量達到了0.256 mm，沿著左右兩端方向，變形量呈逐漸減小趨勢，在左右兩端較小直徑處的變形量也相對較大。與單一受力工況相比，滾筒軸在此工況下具有更低的結構剛度，更容易發(fā)生結構變形或局部開裂等失效現(xiàn)象，分析其原因主要是滾筒軸受到了更大的外界載荷作用。因此，滾筒軸在兩種載荷共同作用下作業(yè)相對更危險，需重點進行結構優(yōu)化設計。

圖4 滾筒軸在預緊力下的結構位移變化

圖5 滾筒軸在預緊力及外載荷共同作用下結構位移變化

5 滾筒軸結構優(yōu)化改進及應用

根據(jù)前文分析可知，滾筒軸在不同工況下均出現(xiàn)了較為明顯的應力集中及結構變形現(xiàn)象，其中，滾筒軸的中部及兩端較小直徑處是整個結構的薄弱部位，極容易率先發(fā)生結構失效現(xiàn)象。滾筒軸一旦發(fā)生斷裂，將會使整個滾筒無法正常運行，為此，需對滾筒軸進行優(yōu)化改進。具體改進內容如下：

1）根據(jù)滾筒的結構尺寸，增加滾筒軸的中部結構直徑及兩端的直徑，可考慮將各處直徑均勻增加4 mm，以保證滾筒軸具有更高的結構強度；

2）對滾筒軸進行淬火及調質等處理，通過熱處理方式提高其結構強度；

3）在滾筒軸應力集中區(qū)域，設計直徑約為2 mm的小孔，可將集中的應力轉移至小孔處，減小整個軸的應力集中現(xiàn)象；

4）定期對滾筒軸與軸承等部件之間的接觸區(qū)域添加潤滑油，保證軸運行時具有更低的摩擦力，提高其結構使用壽命。

根據(jù)以上優(yōu)化改進思路，按照此措施生產(chǎn)加工了新型滾筒軸，并將其在帶式輸送機中進行了實際應用驗證，在運行的半年里，滾筒軸整體結構在同等工況條件下具有更低的結構變形，滾筒運轉更加靈活，軸的磨損程度也相對較低，能更好地滿足滾筒軸在兩種工況條件下使用需求，達到了預期效果。由此，提高了滾筒的使用壽命。

6 結論

1）滾筒軸在兩種工況下均具有較為明顯的應力集中及結構變形現(xiàn)象，且滾筒軸的中部區(qū)域及兩端較小直徑處是整個結構的薄弱部位。

2）提出了滾筒軸的優(yōu)化改進措施，通過生產(chǎn)新型滾筒軸結構，驗證了此結構改進措施的有效性。此研究對提高滾筒軸的使用壽命及帶式輸送機的開采效率具有重要意義。