帶式輸送機不同包角對滾筒受力的影響作用分析

徐 博

（晉能控股煤業(yè)集團梵王寺煤礦籌備處， 山西 朔州 036002）

引言

帶式輸送機是進行煤炭連續(xù)輸送的主要設(shè)備，在煤礦的生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。帶式輸送機的輸送帶支撐在托輥上，輸送帶依靠滾筒提供的摩擦力進行物料的輸送。帶式輸送機的輸送效率高、噪聲較小[1]，適用于對煤炭、礦產(chǎn)等的長距離輸送。在帶式輸送機的布置中，不同輸送距離的設(shè)置對滾筒形成的輸送帶的包角不同，在進行輸送的過程中，不同的包角對滾筒形成的作用力不同[2]，從而對滾筒的使用性能產(chǎn)生一定的影響。采用有限元分析的方式對帶式輸送機滾筒在不同包角下受到的應(yīng)力作用進行分析，從而為長距離帶式輸送機布置時滾筒的位置設(shè)計提供參考[3]，減小滾筒受到的應(yīng)力作用，提高帶式輸送機的運行穩(wěn)定性，保證煤炭生產(chǎn)中的高效輸送。

1 帶式輸送機滾筒不同包角分析模型的建立

帶式輸送機的滾筒通過與輸送帶之間的摩擦力實現(xiàn)驅(qū)動，保證輸送帶的運行。輸送帶與滾筒傳遞扭矩時，相互接觸形成的包角為輸送帶與滾筒接觸弧所對的圓心角，可以分為靜止弧與滑動弧，包角結(jié)構(gòu)的不同[4]，使得輸送帶對滾筒的正壓力產(chǎn)生變化[5]，從而影響滾筒的使用性能。

采用ANSYS 有限元分析軟件對滾筒進行分析模型的建立，依據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)采用SolidWorks 三維建模軟件進行實體模型的建立，在建模過程中，為便于后續(xù)的網(wǎng)格劃分及分析，對滾筒的結(jié)構(gòu)進行一定的簡化處理[6]，對細小的結(jié)構(gòu)特征進行忽略。忽略滾筒的焊縫結(jié)構(gòu)將滾筒作為圓柱形柱面進行建模，將滾筒兩端簡化為對稱結(jié)構(gòu)，對滾筒的單側(cè)進行建模分析[7]，得到滾筒的實體模型，如圖1 所示。

圖1 滾筒的實體結(jié)構(gòu)模型

將滾筒的實體模型導(dǎo)入ANSYS 中進行網(wǎng)格劃分處理，對傳動軸、輻板及輪轂部分采用較強適應(yīng)范圍的solid186 實體單元進行網(wǎng)格劃分[8]，對筒體部分，由于筒體的厚度較薄，采用8 節(jié)點的shell281 殼單元進行網(wǎng)格劃分[9]。采用映射的方法進行網(wǎng)格劃分的分析精度較高，但對于輻板及輪轂邊界不規(guī)則的區(qū)域進行劃分模擬的能力要低于自由網(wǎng)格的形式，因此對滾筒模型的筒體采用映射方法[10]，輻板及輪轂、傳動軸等采用自由網(wǎng)格的形式進行網(wǎng)格劃分，由此完成對滾筒模型的網(wǎng)格劃分處理。

對滾筒的模型進行載荷約束的添加，對滾筒的約束施加于節(jié)點上，每個節(jié)點上有六個方向的自由度，滾筒的軸承約束是滾筒模型的邊界條件，限制軸與軸承表面的自由度即可完成對滾筒模型的約束[11]。滾筒的軸承采用調(diào)心軸承，在軸承端限制繞軸線的轉(zhuǎn)動自由度及三個方向的移動自由度。對滾筒進行載荷的添加，在輸送帶作用的滑動弧范圍內(nèi)，滾筒受到沿軸向的半正弦的法向正壓力及沿切向的摩擦力，在輸送帶作用的靜止弧范圍內(nèi)，滾筒僅受到沿軸向的半正弦的法向正壓力作用，改變滾筒的包角時，僅對施加的載荷方向進行相應(yīng)的改變即可[12]。滾筒同時受到重力載荷的作用，通過施加重力加速度的形式對滾筒的重力進行加載。滾筒的傳動軸采用45 鋼，設(shè)定其彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269；筒體及輻板等結(jié)構(gòu)采用Q235A，設(shè)定其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.288，由此對滾筒受到的應(yīng)力進行分析。

2 帶式輸送機滾筒不同包角承載應(yīng)力分析結(jié)果

2.1 滾筒受到應(yīng)力的仿真分析

對滾筒受到的應(yīng)力作用進行仿真分析，以包角為190°為例，經(jīng)過計算分析，得到筒體的應(yīng)力分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出，此時筒體受到的最大應(yīng)力值為30.8 MPa，最大應(yīng)力位置在筒體與輻板的連接位置處，筒體的最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力56 MPa，筒體受到的應(yīng)力滿足滾筒的強度需求。

圖2 筒體的應(yīng)力（Pa）分布

在包角為190°時，經(jīng)過計算分析，得到傳動軸的應(yīng)力分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出，此時傳動軸受到的最大應(yīng)力值為46.2 MPa，最大應(yīng)力位置在傳動軸伸出的臺階位置處，傳動軸的最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力60 MPa，傳動軸受到的應(yīng)力滿足滾筒的強度需求。

圖3 傳動軸的應(yīng)力（Pa）分布

2.2 不同包角下滾筒受到的應(yīng)力

輸送帶的拉力作用與包角的大小密切相關(guān)，隨著包角度數(shù)的增加，輸送帶與滾筒之間的接觸面增大，則產(chǎn)生的摩擦力增加，帶式輸送機的輸送能力增加，由此，滾筒受到的應(yīng)力增加，對滾筒的承載能力具有較高的要求。針對滾筒的包角值，選擇包角范圍在90°～270°之間，以間隔10°對滾筒受到的應(yīng)力作用進行分析。

針對滾筒受到的應(yīng)力作用，對筒體及傳動軸的最大應(yīng)力值進行分析，在不同的包角作用下，筒體及傳動軸受到的最大應(yīng)力值分別如圖4-1、圖4-2 所示。從圖4-1 中可以看出，在包角變化的過程中，滾筒筒體受到的最大應(yīng)力值呈先增加后緩慢減小再增加的趨勢，在包角為270°時受到的應(yīng)力作用最大，應(yīng)力值為33.4 MPa；在包角增加的過程中，當包角為90°時，受到的應(yīng)力作用最小，應(yīng)力值為28.5 MPa。

圖4 不同包角滾筒的筒體及傳動軸的應(yīng)力變化

從圖4-2 中可以看出，在包角變化的過程中，滾筒傳動軸受到的最大應(yīng)力值整體呈先增加后減小的趨勢，但減小的幅度值小于增加的幅度值，在最大應(yīng)力值變化的過程中，呈現(xiàn)反復(fù)振蕩的變化趨勢。當包角為190°時，受到的應(yīng)力作用最大，應(yīng)力值為46.2 MPa；當包角為90°時，受到的應(yīng)力作用最小，應(yīng)力值為36.1 MPa。

通過上述的分析可知，在滾筒包角變化的過程中，滾筒的筒體及傳動軸受到的應(yīng)力作用呈現(xiàn)不同的變化趨勢，但總體上在包角為90°時的應(yīng)力作用最小，在包角增加的過程中，筒體的應(yīng)力存在先增加后緩慢減小再增加的趨勢，傳動軸的應(yīng)力反復(fù)振蕩。帶式輸送機設(shè)計的過程中，在滿足使用需求的同時，應(yīng)盡量選擇較小應(yīng)力范圍內(nèi)的滾筒包角，從而在整體上降低滾筒的應(yīng)力作用。

3 結(jié)論

帶式輸送機是煤炭輸送中的重要設(shè)備，在長距離輸送的過程中，滾筒布置的位置不同，與輸送帶形成不同的包角對滾筒受到的應(yīng)力作用具有重要的影響。為研究包角對滾筒應(yīng)力的影響，采用ANSYS 有限元分析軟件建立滾筒的模型，通過改變載荷作用的方向?qū)Σ煌亲饔脮r滾筒的應(yīng)力作用進行分析。結(jié)果如下：

1）在滾筒的包角變化時，滾筒的筒體及傳動軸受到的應(yīng)力作用呈現(xiàn)不同的變化趨勢；

2）當包角為90°時的應(yīng)力作用最小；

3）在包角增加的過程中，筒體的應(yīng)力存在先增加后緩慢減小再增加的趨勢，傳動軸的應(yīng)力反復(fù)振蕩。

在進行帶式輸送機的設(shè)計使用過程中，應(yīng)盡量選擇滾筒受到應(yīng)力作用較小的包角，從而在整體上提高帶式輸送機的性能，保證煤礦的高效輸送。