考慮輸送帶跑偏影響的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

張志強(qiáng)

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同科大煤機(jī)有限公司，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行的主要部件之一是驅(qū)動(dòng)滾筒，為輸送帶提供驅(qū)動(dòng)力，其工作的可靠性直接關(guān)系輸送帶能否連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)煤炭從井下運(yùn)輸至地面的功能。輸送帶跑偏至今是困擾煤炭行業(yè)的技術(shù)難題，牽涉帶式輸送機(jī)的制造、安裝和使用等多個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)跑偏問題時(shí)，將會(huì)使驅(qū)動(dòng)滾筒的受力狀態(tài)改變，降低驅(qū)動(dòng)滾筒的傳動(dòng)精度，增加驅(qū)動(dòng)滾筒的磨損與損壞速度。目前驅(qū)動(dòng)滾筒設(shè)計(jì)計(jì)算工作較為成熟，但是很少考慮輸送帶跑偏對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響，通常是不斷增加驅(qū)動(dòng)滾筒安全系數(shù)進(jìn)行保守設(shè)計(jì)。增大安全系數(shù)之后會(huì)增加驅(qū)動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸，使制造投入提升。因此，分析掌握驅(qū)動(dòng)滾筒跑偏情況下的規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)滾筒設(shè)計(jì)工作具有重要意義。

1 驅(qū)動(dòng)滾筒受力情況

帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中跑偏故障時(shí)有發(fā)生，究其原因涉及帶式輸送機(jī)的整個(gè)生命周期環(huán)節(jié)，如帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、裝配、運(yùn)行維護(hù)等。根據(jù)工作需要并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，選擇研究驅(qū)動(dòng)滾筒軸線偏移導(dǎo)致輸送帶跑偏的問題。首先分析驅(qū)動(dòng)滾筒的受力情況，其工作時(shí)不僅承受滾筒自重，還要承受輸送帶的張緊力、驅(qū)動(dòng)裝置輸入的轉(zhuǎn)矩和與輸送帶之間產(chǎn)生的摩擦力。綜合考慮上述受力情況，以驅(qū)動(dòng)滾筒為受力分析對(duì)象，最終可以分解為周向力和軸向力。計(jì)算可以得到驅(qū)動(dòng)滾筒跑偏狀態(tài)下工作時(shí)的軸向力數(shù)值為300 kN，扭矩?cái)?shù)值為280 kN·m。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

依據(jù)某型號(hào)帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)際測繪數(shù)據(jù)，運(yùn)用solidworks 三維建模軟件完成了驅(qū)動(dòng)滾筒模型建立?？紤]跑偏狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)滾筒受力較為復(fù)雜的情況，進(jìn)行了如下簡化：省略了構(gòu)建的倒角、圓角等特征；焊接件視為一個(gè)整體；用約束代替軸承等，以便提高驅(qū)動(dòng)滾筒的仿真計(jì)算效率。

2.2 材料屬性設(shè)置與網(wǎng)格劃分

將建立完成了的驅(qū)動(dòng)滾筒三維模型導(dǎo)入ANSYS仿真計(jì)算軟件中進(jìn)行主要結(jié)構(gòu)件的材料屬性設(shè)置，其中筒殼材料是Q235，彈性模量和泊松比分別為200 GPa 和0.28；滾筒軸材料是45 鋼，彈性模量和泊松比分別為193 GPa 和0.28；輪輻和輪轂材料都是ZG25，彈性模量和泊松比分別為200 GPa 和0.3。驅(qū)動(dòng)滾筒網(wǎng)格劃分采用自由劃分網(wǎng)格，以便保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，劃分之后的模型如圖1 所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)滾筒有限元仿真模型

2.3 載荷與約束施加

結(jié)合皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒的服役條件可以得出仿真計(jì)算時(shí)的約束和載荷情況，其中驅(qū)動(dòng)滾筒兩側(cè)軸端設(shè)置軸承約束，輸送帶的轉(zhuǎn)速為0.3 m/s，摩擦系數(shù)數(shù)值設(shè)置為0.3，輸送帶的包角為180°，正常運(yùn)行時(shí)軸向力為0，跑偏時(shí)軸向力為300 kN，驅(qū)動(dòng)扭矩設(shè)置為280 kN·m。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 等效應(yīng)力分析結(jié)果

完成驅(qū)動(dòng)滾筒有限元仿真分析前的工作之后即可啟動(dòng)ANSYS 仿真軟件自帶求解器進(jìn)行正常運(yùn)行和跑偏狀態(tài)下的應(yīng)力和變形分析，計(jì)算結(jié)束之后提取驅(qū)動(dòng)滾筒應(yīng)力分析結(jié)果，如圖2 和圖3 所示。

圖2 正常運(yùn)行狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)滾筒應(yīng)力分布狀態(tài)

圖3 跑偏狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)滾筒應(yīng)力分布狀態(tài)

由圖2 應(yīng)力分布云圖可得，輸送帶正常工作情況下驅(qū)動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力數(shù)值為18.915 MPa，應(yīng)力集中位置處于兩側(cè)輻板與筒殼連接位置，驅(qū)動(dòng)滾筒兩側(cè)的應(yīng)力數(shù)值表現(xiàn)出對(duì)稱分布趨勢；圖3 跑偏工作情況下驅(qū)動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力數(shù)值為28.845 MPa，應(yīng)力集中位置處于輸送帶跑偏一側(cè)筒殼和輻板接觸位置以及輪轂和輻板連接位置。由上述兩種工況下的仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，跑偏工況下驅(qū)動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力數(shù)值大于正常工況，輸送帶跑偏一側(cè)的最大應(yīng)力數(shù)值高于對(duì)側(cè)。由此可見，輸送帶運(yùn)行跑偏會(huì)增大驅(qū)動(dòng)滾筒所受的最大應(yīng)力，同時(shí)也會(huì)改變最大應(yīng)力所處的位置。

3.2 變形分析結(jié)果

完成驅(qū)動(dòng)滾筒有限元仿真分析前處理工作之后即可啟動(dòng)ANSYS 仿真軟件自帶求解器進(jìn)行正常運(yùn)行和跑偏狀態(tài)下的應(yīng)力和變形分析，計(jì)算結(jié)束之后提取驅(qū)動(dòng)滾筒變形分析結(jié)果，如圖4 和圖5 所示。

由圖4 分析結(jié)果可以看出，正常運(yùn)行工況時(shí)驅(qū)動(dòng)滾筒的最大變形量為0.149 mm，變形分布呈現(xiàn)出兩側(cè)對(duì)稱趨勢，最大變形位置處于輸送帶與筒殼接觸的中心部位；由圖5 分析結(jié)果可以看出，跑偏工況時(shí)，驅(qū)動(dòng)滾筒的最大變形數(shù)值為0.233 mm，位置同樣處于輸送帶與筒殼接觸的中心部位，相較于正常運(yùn)行工況，變形的范圍擴(kuò)大了，跑偏一側(cè)的驅(qū)動(dòng)滾筒變形量偏大，呈現(xiàn)出不均勻分布趨勢。由上述兩種工況下驅(qū)動(dòng)滾筒變形分析結(jié)果可得，輸送帶跑偏狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)滾筒最大變形量會(huì)增大，變形范圍會(huì)擴(kuò)大，變形量在輸送帶跑偏一側(cè)較大。

圖4 正常運(yùn)行狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)滾筒變形分布狀態(tài)

圖5 跑偏運(yùn)行狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)滾筒變形分布狀態(tài)

3.3 跑偏程度對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒應(yīng)力和變形的影響

皮帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)跑偏之后將會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)滾筒和輸送帶之間的軸向力出現(xiàn)變化，跑偏程度越大，產(chǎn)生的軸向力變化越大。軸向力的不同將會(huì)使驅(qū)動(dòng)滾筒的應(yīng)力和變形情況發(fā)生變化，通過分析設(shè)置驅(qū)動(dòng)滾筒不同軸向力條件下的最大應(yīng)力和變形數(shù)值，統(tǒng)計(jì)得出如圖6 所示的變化規(guī)律。

圖6 不同跑偏程度下驅(qū)動(dòng)滾筒的應(yīng)力和變形

由圖6 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，驅(qū)動(dòng)滾筒跑偏程度的變大，使其最大應(yīng)力和變形數(shù)值逐漸增加。跑偏產(chǎn)生的軸向力數(shù)值不大于260 kN 工況時(shí)，驅(qū)動(dòng)滾筒的最大變形量增加趨勢不明顯，當(dāng)跑偏產(chǎn)生的軸向力數(shù)值超過260 kN 時(shí)，最大變形增加幅度變得明顯。跑偏引起的軸向力數(shù)值為700 kN 時(shí)，驅(qū)動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力數(shù)值約為47 MPa，最大變形量數(shù)值約為0.42 mm，由此可見，輸送帶跑偏不僅影響其輸送過程的穩(wěn)定性，還會(huì)影響驅(qū)動(dòng)滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的最大應(yīng)力數(shù)值和變形量，必須引起高度重視。

4 優(yōu)化策略

基于上述皮帶輸送機(jī)中輸送帶跑偏對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒的影響規(guī)律，結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)提出了以下幾種優(yōu)化改進(jìn)的策略：第一是增加驅(qū)動(dòng)滾筒筒殼的壁厚，以便提高驅(qū)動(dòng)滾筒的整體強(qiáng)度和剛度，使其能夠適應(yīng)輕微的輸送帶跑偏情況；第二是更換強(qiáng)韌性更好的材料制備皮帶輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)滾筒，以此提高驅(qū)動(dòng)滾筒的綜合力學(xué)性能，降低輸送帶跑偏對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒的影響程度；第三是優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸，避免驅(qū)動(dòng)滾筒應(yīng)力集中位置的截面過渡、尖角等，充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)滾筒材料的力學(xué)性能潛能。驅(qū)動(dòng)滾筒優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇何種優(yōu)化策略，需要根據(jù)皮帶輸送機(jī)實(shí)際工況及改進(jìn)的難易程度確定，以此提高皮帶輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[1-3]。

5 結(jié)語

皮帶輸送機(jī)作為煤炭生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)必不可少的輸送設(shè)備，其中較為重要的結(jié)構(gòu)部件為驅(qū)動(dòng)滾筒，決定著帶式輸送機(jī)能否安全可靠運(yùn)行。以某型號(hào)皮帶輸送機(jī)為研究對(duì)象，借助ANSYS 有限元仿真分析軟件，開展了輸送帶正常運(yùn)行與跑偏運(yùn)行兩種工況下驅(qū)動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力和變形情況研究，結(jié)果表明：輸送帶跑偏會(huì)增大驅(qū)動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力和變形。通過分析不同跑偏引起驅(qū)動(dòng)滾筒軸向力對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒最大應(yīng)力和變形的影響規(guī)律可知，跑偏程度的增大，會(huì)同時(shí)提高驅(qū)動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力和變形?；谏鲜雠芷潭葘?duì)驅(qū)動(dòng)滾筒最大應(yīng)力和變形的影響規(guī)律，提出了驅(qū)動(dòng)滾筒優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，以期為相關(guān)工作提供參考。