煤礦傳輸用帶式輸送機(jī)重型滾筒的結(jié)構(gòu)分析

田 園

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)梵王寺煤礦籌備處， 山西 朔州 036002）

引言

帶式輸送機(jī)是我國(guó)煤炭開采中重要的輸送設(shè)備，可對(duì)煤炭物料進(jìn)行快速穩(wěn)定的輸送。帶式輸送機(jī)可依據(jù)煤礦的地形進(jìn)行布置，實(shí)現(xiàn)煤炭長(zhǎng)距離的輸送。帶式輸送機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布置、輸送穩(wěn)定的特點(diǎn)[1]，在電力、冶金、港口等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用。滾筒作為帶式輸送機(jī)的重要部件，在長(zhǎng)期的使用過程中，容易造成筒體的焊縫開裂、脹套損壞及筒體磨損等失效形式，對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行造成影響。隨著煤礦開采自動(dòng)化水平的提高，煤礦的開采效率不斷增加，帶式輸送機(jī)進(jìn)行煤炭輸送的質(zhì)量不斷增加，重型滾筒的應(yīng)用逐漸增多[2]。由于滾筒多采用焊接的形式制作，隨著承載的增加，對(duì)其承載能力具有較高的要求。采用有限元分析的形式對(duì)某型號(hào)的重型滾筒承載能力特別是焊縫的承載進(jìn)行建模分析[3]，從而保證滾筒的設(shè)計(jì)滿足帶式輸送機(jī)的運(yùn)行要求，保障煤礦的穩(wěn)定輸送。

1 帶式輸送機(jī)重型滾筒分析模型的建立

重型滾筒常采用脹套進(jìn)行軸與輪轂之間的聯(lián)接，通過脹套的摩擦力實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。脹套在使用中拆卸方便，互換性好，無需對(duì)軸進(jìn)行打孔等加工，保證軸的強(qiáng)度，但由于承受的負(fù)載的增加，采用脹套形成的接觸對(duì)增加，容易造成失效。采用有限元模擬的形式對(duì)重型滾筒的承載能力進(jìn)行分析[4]，在建模過程中對(duì)脹套也進(jìn)行建模分析，ANSYS workbench 可自動(dòng)生產(chǎn)接觸對(duì)，可對(duì)脹套的接觸進(jìn)行自動(dòng)分析，適用于對(duì)脹套接觸重型滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[5]。

重型滾筒在裝配過程中首先將脹套放入輪轂之中，然后對(duì)脹套進(jìn)行預(yù)緊，通過預(yù)緊力的作用產(chǎn)生對(duì)軸及筒體的擠壓力，進(jìn)行滾筒扭矩的傳遞。依據(jù)某型號(hào)的重型滾筒結(jié)構(gòu)尺寸，采用ANSYS Workbench 自帶的Design Modeler 進(jìn)行滾筒模型的建立[6]，依次建立脹套的內(nèi)外錐環(huán)模型、筒體及軸的模型、輪轂?zāi)Ｐ?，得到其滾筒的模型如圖1 所示。

圖1 滾筒的分析模型

對(duì)滾筒的模型進(jìn)行接觸定義，Workbench 中可自動(dòng)生成接觸對(duì)，對(duì)接觸對(duì)進(jìn)行檢查校對(duì)，選擇尺寸較大、剛度大的面為目標(biāo)面，另一個(gè)面為接觸面。對(duì)滾筒進(jìn)行有限元分析過程中，要對(duì)接觸周邊的應(yīng)力進(jìn)行分析[7]，選擇接觸類型為摩擦型。脹套的接觸面積較大，應(yīng)力較大，設(shè)定摩擦系數(shù)為0.15，對(duì)滾筒的接觸對(duì)進(jìn)行檢查，保證接觸對(duì)的初始狀態(tài)正確。采用六面體自由網(wǎng)格的形式對(duì)滾筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[8]，網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)分析的準(zhǔn)確性具有重要的影響，由于滾筒的結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)則，劃分網(wǎng)格時(shí)強(qiáng)制單元格等分，減小計(jì)算的誤差。采用處于軸心位置的正方形進(jìn)行軸的切割，提高軸的網(wǎng)格質(zhì)量，由此進(jìn)行滾筒模型的網(wǎng)格劃分。

對(duì)滾筒進(jìn)行載荷及約束的施加，滾筒兩端的軸上施加圓柱約束，徑向及軸向固定約束，周向保持自由。對(duì)滾筒施加周向的載荷約束，采用節(jié)點(diǎn)力的形式對(duì)滾筒進(jìn)行施加正壓力，將滑動(dòng)圓弧等分為200 份，在每個(gè)等分的圓弧上施加常數(shù)力，從而接近滾筒的真實(shí)載荷?？紤]到脹套的作用，脹套進(jìn)行脹緊后才能進(jìn)行扭矩的傳遞，在施加壓力的過程中，首先進(jìn)行脹套內(nèi)正壓力的添加，然后再施加重力及滑動(dòng)弧上的正壓力及摩擦力，設(shè)定第一個(gè)載荷步作用時(shí)間為1～3 s，施加脹套內(nèi)的壓力及圓柱約束，第二個(gè)載荷步的作用時(shí)間為3～5 s，第二個(gè)載荷步為預(yù)緊力及正壓力的同時(shí)作用，對(duì)滾筒及焊縫位置的應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 帶式輸送機(jī)重型滾筒承載應(yīng)力仿真分析

在分析設(shè)置中，1～3 s 為第一載荷步作用，滾筒處于脹套安裝的預(yù)緊力作用下，3～5 s 為第二載荷步作用，滾筒處于預(yù)緊力及工作載荷的作用下，對(duì)兩種狀態(tài)下的滾筒的應(yīng)力進(jìn)行分析。首先提取第3 s 時(shí)的應(yīng)力，此時(shí)僅脹套預(yù)緊力作用下的滾筒的等效應(yīng)力分布如圖2-1 所示，此時(shí)滾筒受到的最大等效應(yīng)力為274 MPa，最大應(yīng)力位于與脹套相接觸的輪轂的內(nèi)圓柱面位置；提取第5 s 時(shí)的應(yīng)力，此時(shí)在脹套預(yù)緊力及工作載荷共同作用下滾筒的等效應(yīng)力分布如圖2-2所示，此時(shí)滾筒受到的最大等效應(yīng)力為295 MPa，其位置同樣處于輪轂內(nèi)表面與脹套接觸的位置。

圖2 滾筒的應(yīng)力分布云圖

滾筒的輪轂采用ZG275-485H 材料，其屈服強(qiáng)度為275 MPa，斷裂強(qiáng)度為485 MPa，輪轂與脹套接觸的內(nèi)圓柱面上的最大應(yīng)力超出了輪轂的屈服強(qiáng)度，在工作狀態(tài)下產(chǎn)生一定的塑性變形。由于輪轂的內(nèi)表面屬于加工面，其表面質(zhì)量較高，在塑性變形后會(huì)出現(xiàn)冷作硬化，提高接觸面的強(qiáng)度，且滾筒整體受到的應(yīng)力值較小，接觸面的塑性變形不會(huì)造成輪轂的破壞。

滾筒的生產(chǎn)制作中多采用焊接的形式，焊縫的承載能力對(duì)滾筒具有直接的影響。由于在滾筒的模型中，焊縫位置處沒有相應(yīng)的邊和面的特征，在焊縫的圓周上建立路徑，對(duì)該路徑的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算即可得到焊縫的應(yīng)力狀態(tài)。同樣對(duì)第3 s、5 s 時(shí)的焊縫應(yīng)力進(jìn)行提取，得到焊縫的應(yīng)力分布如圖3 所示。圖3-1 表示僅在預(yù)緊力作用下的焊縫應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)焊縫受到的最大應(yīng)力為14.2 MPa；圖3-2 表示在預(yù)緊力及工作載荷共同作用下的焊縫應(yīng)力狀態(tài)，焊縫受到的最大應(yīng)力為35.1 MPa。由此可知，工作載荷引起的焊縫應(yīng)力為20.9 MPa。依據(jù)焊縫的生產(chǎn)規(guī)范，滾筒處焊縫的屈服強(qiáng)度為62 MPa，焊縫處受到的應(yīng)力滿足使用要求。

圖3 滾筒焊縫的應(yīng)力分布云圖

綜上，在重型滾筒的結(jié)構(gòu)中，對(duì)其在脹套預(yù)緊力作用及工作載荷作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析可知，重型滾筒筒體及焊縫所受到的應(yīng)力均小于各自的屈服強(qiáng)度，滿足使用的要求；滾筒筒體與脹套接觸的位置處，會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，形成冷作硬化的現(xiàn)象，提高滾筒的承載能力。

3 結(jié)論

1）僅在預(yù)緊力作用下，滾筒受到的最大等效應(yīng)力為274 MPa，在脹套預(yù)緊力及工作載荷共同作用下的滾筒的最大等效應(yīng)力為295 MPa，最大應(yīng)力均處于輪轂內(nèi)表面與脹套接觸的位置，此處產(chǎn)生一定的塑性變形，從而發(fā)生冷作硬化，提高滾筒的強(qiáng)度，滿足重載滾筒的使用要求；

2）僅在預(yù)緊力作用下的焊縫受到的最大應(yīng)力為14.2 MPa，在預(yù)緊力及工作載荷作用下的焊縫受到的最大應(yīng)力為35.1 MPa，小于焊縫的屈服強(qiáng)度，滿足使用要求。