永磁滾筒驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)架強(qiáng)度分析

鄧宗岳，高海生，于歆婷

1沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧沈陽 110045

2沈陽煤業(yè) (集團(tuán)) 機(jī)械制造有限公司 遼寧沈陽 110123

帶 式輸送機(jī)是煤炭生產(chǎn)企業(yè)重要的運(yùn)輸設(shè)備，其輸送量及運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性對(duì)煤礦的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生重要影響[1]。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)普遍采用三相異步電動(dòng)機(jī)加耦合器和減速器的驅(qū)動(dòng)方案。隨著國家對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求逐漸提高，以及對(duì)現(xiàn)代化礦井、智能化礦井的建設(shè)需求，永磁同步電動(dòng)滾筒作為驅(qū)動(dòng)滾筒的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。沈陽煤業(yè)集團(tuán)下屬某礦井出于節(jié)省井下空間及節(jié)能提效的考慮，提出了永磁滾筒驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案。

1 永磁同步電滾筒驅(qū)動(dòng)方案及優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)加耦合器和減速器驅(qū)動(dòng)形式，機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、效率低，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)和減速器外接于驅(qū)動(dòng)滾筒，增加了驅(qū)動(dòng)部的寬度，占用了井下寶貴的空間。永磁同步電滾筒驅(qū)動(dòng)形式則取消了減速器，利用外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)勢(shì)，將永磁同步電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子和帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)滾筒相連，并將永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于驅(qū)動(dòng)滾筒內(nèi)，使得機(jī)頭部分結(jié)構(gòu)更加緊湊，改善了礦井內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，保障了安全通道的暢通[2-4]，同時(shí)結(jié)合配套的變頻器及水冷卻裝置，可保障設(shè)備的軟啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。

沈陽煤業(yè) (集團(tuán)) 機(jī)械制造有限公司多年來對(duì)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式帶式輸送機(jī)積累了豐富的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于新傳動(dòng)形式的帶式輸送機(jī)缺少相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。由于驅(qū)動(dòng)形式的改變，使得驅(qū)動(dòng)架對(duì)整機(jī)的正常運(yùn)行起到關(guān)鍵作用，其強(qiáng)度能否滿足要求需重點(diǎn)關(guān)注。借鑒傳統(tǒng)機(jī)架進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，并借助有限元分析方法對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)架強(qiáng)度進(jìn)行校核，以保證設(shè)備的可靠性，為驅(qū)動(dòng)架的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

2 驅(qū)動(dòng)架結(jié)構(gòu)及載荷理論計(jì)算

以 DSJ100/63/2×200 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸原煤為例，對(duì)其運(yùn)行工況下的驅(qū)動(dòng)架進(jìn)行分析計(jì)算。帶式輸送機(jī)的滾筒布置如圖 1 所示。其中滾筒 1 和 2 為驅(qū)動(dòng)滾筒，驅(qū)動(dòng)滾筒 1 上輸送帶的張力為F1，滾筒 2 上輸送帶的張力為F14和F15。

圖1 帶式輸送機(jī)滾筒布置Fig. 1 Layout of drums of belt conveyor

帶式輸送機(jī)主要計(jì)算參數(shù)如表 1 所列。

表1 帶式輸送機(jī)主要計(jì)算參數(shù)Tab.1 Main calculation parameters of belt conveyor

2.1 圓周驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

對(duì)于驅(qū)動(dòng)滾筒來說，其圓周驅(qū)動(dòng)力Fu為驅(qū)動(dòng)滾筒上所有阻力之和，即

式中：FH為主要阻力；FN為附加阻力；FS1為特種主要阻力；FS2為特種附加阻力；FSt為傾斜阻力。

由于輸送距離較長，附加阻力明顯小于主要阻力，可以引入一個(gè)系數(shù)來計(jì)算，即

式中：C為與輸送帶長度有關(guān)的系數(shù)；f為根據(jù)工作條件選取的摩擦因數(shù)；L為輸送機(jī)長度；qRo為上托輥單位長度質(zhì)量；qRu為下托輥單位長度質(zhì)量；qB為輸送帶單位長度質(zhì)量；qG為輸送帶上單位物料質(zhì)量[5-8]。

查詢?cè)O(shè)備相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得圓周驅(qū)動(dòng)力Fu=48 256 N，由圓周驅(qū)動(dòng)力即可計(jì)算其余滾筒上輸送帶的張力，驅(qū)動(dòng)滾筒 2 上輸送帶的張力F14=57 122 N，F(xiàn)15=36 056 N。

2.2 驅(qū)動(dòng)架結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)架采用三角形結(jié)構(gòu)，由于采用雙滾筒，因此驅(qū)動(dòng)架采用雙對(duì)角形設(shè)計(jì)，如圖 2 所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)架結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of driving frame

為便于井下運(yùn)輸，驅(qū)動(dòng)架需做成分體式，即由底梁、豎梁和兩斜梁焊接而成的兩側(cè)架通過中間梁用螺栓連接組成。在斜梁上有軸承座板和相應(yīng)的螺栓孔，永磁同步電滾筒的軸承座置于斜梁的軸承座板上。

2.3 驅(qū)動(dòng)架所受載荷

兩永磁滾筒連接于驅(qū)動(dòng)架上，永磁滾筒的重力作用于驅(qū)動(dòng)架的斜梁上，在帶式輸送機(jī)正常工作時(shí)，主要依靠驅(qū)動(dòng)滾筒的摩擦力帶動(dòng)輸送帶運(yùn)輸物料，這個(gè)過程中輸送帶產(chǎn)生了張力，驅(qū)動(dòng)滾筒也因此受到輸送帶的張力作用。永磁滾筒采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，每個(gè)滾筒的質(zhì)量為 6 500 kg，則其重力為 65 kN。張力由前面計(jì)算可得，其作用方向及滾筒重力如圖 3 所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)滾筒受力簡圖Fig. 3 Force sketch of driving drum

兩驅(qū)動(dòng)滾筒所受輸送帶的張力最終也都將作用于驅(qū)動(dòng)架上，因此計(jì)算出的輸送帶張力最終可以作為驅(qū)動(dòng)架的載荷。

3 驅(qū)動(dòng)架有限元分析

3.1 模型導(dǎo)入和材料設(shè)置

將在 SolidWorks 軟件中建好的驅(qū)動(dòng)架三維模型導(dǎo)入到 ANSYS Workbench 中。機(jī)架由厚度為 20 mm的普通鋼板焊接而成，其材料為 Q235A，彈性模量為206 GPa，泊松比為 0.3，屈服應(yīng)力為 235 MPa，抗拉極限為 390 MPa。在 Workbench 中設(shè)置好相應(yīng)的材料參數(shù)，然后將 Q235A 材料賦予驅(qū)動(dòng)架。

3.2 網(wǎng)格劃分

采用靜強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析，為提高計(jì)算精度盡量多采用六面體網(wǎng)格。由于驅(qū)動(dòng)架為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，鋼板厚度較小，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注斜梁處的受力，將斜梁處網(wǎng)格尺寸細(xì)化到 5 mm。網(wǎng)格劃分后共有 1 823 354 個(gè)節(jié)點(diǎn)，546 527 個(gè)單元。驅(qū)動(dòng)架有限元模型如圖 4 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)架網(wǎng)格劃分Fig. 4 Grid division of driving frame

3.3 設(shè)置約束和施加載荷

驅(qū)動(dòng)架下表面和地基通過錨桿相連，將其底面處理為固定約束，根據(jù)實(shí)際工況將輸送帶的張力和重力按照實(shí)際方向施加到軸承座板上。右驅(qū)動(dòng)滾筒受力方向沿x軸負(fù)方向偏左上 16°，左驅(qū)動(dòng)滾筒受力方向沿x軸正方向偏右下 16°，重力方向豎直向下。

3.4 有限元分析結(jié)果

在求解處添加需要計(jì)算的總應(yīng)力和總形變，設(shè)置求解步驟并進(jìn)行計(jì)算，可得到驅(qū)動(dòng)架應(yīng)力和變形云圖，分別如圖 5、6 所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)架應(yīng)力云圖Fig. 5 Stress contours of driving frame

由圖 5 可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在斜梁與底部橫梁連接處的肋板位置，該處應(yīng)力比較集中，受載后產(chǎn)生的應(yīng)力較大，最大值為 79.38 MPa。其他部位的應(yīng)力值均未超過 20 MPa。選取屈服應(yīng)力作為許用應(yīng)力，因此該規(guī)格和結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)架是安全的，且安全系數(shù)較大，可以考慮對(duì)中間連接梁進(jìn)行優(yōu)化減重，選取更小規(guī)格的鋼板。

由圖 6 可以看出，最大變形量為 0.12 mm，位于斜梁上軸承座板的中間位置。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，選取跨度的 1/500 作為許用撓度值，則許用撓度為2.7 mm，因此變形量也在安全范圍內(nèi)[9]。

圖6 驅(qū)動(dòng)架變形云圖Fig. 6 Deformation contours of driving frame

同時(shí)通過分析可知，最大應(yīng)力發(fā)生在斜梁肋板位置，應(yīng)注意此處肋板可適當(dāng)加厚，可將肋板做成梯形，避免將斜梁和底梁連接處的三角完全封死，從而避免應(yīng)力集中。在 SolidWorks 軟件中修改斜梁肋板為梯形，重新導(dǎo)入到 ANSYS Workbench 中進(jìn)行加載計(jì)算，得到的優(yōu)化結(jié)果如圖 7 所示。

圖7 優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)架應(yīng)力云圖Fig. 7 Stress contours of driving frame after optimization

通過分析可以看到，最大應(yīng)力為 58.37 MPa，比三角形肋板的應(yīng)力降低，且最大應(yīng)力也不發(fā)生在該處，證明肋板優(yōu)化后改善了集中應(yīng)力。

4 結(jié)論

永磁滾筒驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)因其傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約巷道空間等優(yōu)勢(shì)，可推廣應(yīng)用到工程實(shí)際當(dāng)中。目前因缺乏使用經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用有限元分析方法能夠?qū)︱?qū)動(dòng)架的強(qiáng)度校核起到很好的指導(dǎo)作用。

通過有限元分析可以看到，驅(qū)動(dòng)架的強(qiáng)度足夠，且安全系數(shù)有足夠余量，在中間連接梁等部位還有減重優(yōu)化的空間；同時(shí)變形量也在允許范圍內(nèi)，因此驅(qū)動(dòng)架的剛度滿足使用要求。觀察最大應(yīng)力位置，可考慮在設(shè)計(jì)時(shí)將斜梁肋板處設(shè)計(jì)成梯形，以改善應(yīng)力集中現(xiàn)象，并要特別注意此處的焊接質(zhì)量。