皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒受力模擬分析及改進(jìn)優(yōu)化研究

王 哲

（汾西礦業(yè)新產(chǎn)發(fā)展有限責(zé)任公司，山西 晉中 032000）

引言

皮帶輸送機(jī)是煤礦主要運(yùn)輸設(shè)備，具有布置靈活、穩(wěn)定性強(qiáng)以及運(yùn)輸能力大等優(yōu)點(diǎn)，皮帶輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性會(huì)直接影響煤炭運(yùn)輸以及開采效率[1-2]。滾筒是皮帶輸送機(jī)主要組成單元，可細(xì)分為驅(qū)動(dòng)滾筒、轉(zhuǎn)向滾筒，電機(jī)作用到驅(qū)動(dòng)滾筒上，從而帶動(dòng)輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，因此驅(qū)動(dòng)滾筒受力明顯高于轉(zhuǎn)向滾筒[3-5]。驅(qū)動(dòng)滾筒工作時(shí)需要承受周期性載荷作用，會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷情況，在皮帶輸送機(jī)實(shí)際應(yīng)用過程中滾筒也是容易出現(xiàn)故障的部件[6-7]。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒受力情況進(jìn)行分析，并針對(duì)性提出改進(jìn)優(yōu)化措施，對(duì)提升滾筒性能以及皮帶輸送機(jī)整體可靠性等有顯著促進(jìn)意義。文中以礦井最為常用的DTL120 皮帶輸送機(jī)為工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒受力進(jìn)行分析，并進(jìn)行優(yōu)化。

1 皮帶輸送機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)分析

DTL120 皮帶輸送機(jī)是煤礦井下最為常用的輸送機(jī)類型之一，皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)包括有帶傳動(dòng)裝置、輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置、托輥以及滾筒等。驅(qū)動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)如圖1 所示，滾筒內(nèi)部包含有輪轂、軸承、幅板、脹套、筒殼等，筒殼為空心結(jié)構(gòu)，在較大外力作用時(shí)容易出現(xiàn)變形問題；脹套是連接輻板、軸間的緊固部件。在皮帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中滾筒受力較為復(fù)雜，因而故障發(fā)生率相對(duì)較高。

圖1 驅(qū)動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 驅(qū)動(dòng)滾筒受力模擬分析

綜合使用SolidWorks 以及Ansys 軟件對(duì)滾筒受力進(jìn)行模擬，構(gòu)建的滾筒筒殼寬1 200 mm、厚度10 mm、直徑500 mm，滾筒軸承長度1 600 mm、直徑120 mm，脹套直徑140 mm。構(gòu)建的模擬模型中節(jié)點(diǎn)、單元數(shù)分別為21 289 個(gè)以及19 342 個(gè)。文中主要從驅(qū)動(dòng)滾筒應(yīng)力及位移兩方面對(duì)滾筒受力進(jìn)行模擬分析，從而為后續(xù)改進(jìn)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

2.1 應(yīng)力分析

具體模擬得到的滾筒各位置應(yīng)力分布云圖如圖2 所示，從圖2 中可看出，滾筒各個(gè)位置間應(yīng)力分布存在明顯差異，其中在筒殼位置處應(yīng)力相對(duì)較小，輻板位置應(yīng)力較筒殼有所增加，軸結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大。分析應(yīng)力變化的主要原因是軸、筒殼以及輻板輪轂間直徑存在明顯差異，而各個(gè)位置受到的力矩基本相同，因此導(dǎo)致應(yīng)力分布出現(xiàn)明顯變化。同時(shí)在滾筒同一部件不同位置也存在明顯的應(yīng)力分布不均衡情況，僅在局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中情況。其中監(jiān)測到軸位置應(yīng)力峰值可達(dá)到257 MPa，峰值點(diǎn)位于軸與脹套接觸位置；筒殼應(yīng)力峰值出現(xiàn)在與輸送帶接觸位置，峰值為101 MPa；輻板輪轂接觸位置處輻板出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值為159 MPa。

圖2 滾筒各位置應(yīng)力分布云圖

2.2 位移分析

具體模擬得到驅(qū)動(dòng)滾筒不同位置位移分布如下頁圖3 所示。從圖3 中看出，滾筒不同位置位移存在明顯差異，其中位移從小到大位置依次分別為軸結(jié)構(gòu)、輻板以及筒殼；同時(shí)滾筒同一結(jié)構(gòu)不同位置間位移也存在顯著差異。軸結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在中部區(qū)域，越靠近兩端位移量越小，其中中部區(qū)域位移量最大，為0.12 mm；筒殼在中部位置位移量最大，越靠近兩端位移量越小，最大位移量約為0.38 mm，在中部位置位移量最大的主要原因是筒殼中部懸空且未有支撐，容易出現(xiàn)變形；在輻板輪轂位移量最大位置處于筒殼與輻板接觸位置。

圖3 滾筒各位置位移分布云圖

2.3 滾筒安全系數(shù)分析

一般情況下要求滾筒中軸結(jié)構(gòu)、輻板輪轂以及筒殼等各位置安全系數(shù)均應(yīng)超過1.5，查閱有關(guān)資料得出上述3 個(gè)位置材料的屈服強(qiáng)度分別為355 MPa、230 MPa 以及235 MPa，根據(jù)上述模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)軸結(jié)構(gòu)、輻板輪轂以及筒殼受到最大應(yīng)力分別為257 MPa、159 MPa 以及101 MPa，各部件安全系數(shù)分別為1.38、1.44 以及2.33。其中僅有筒殼安全系數(shù)超過1.5，其余的輻板輪轂、軸結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均在1.5 以內(nèi)。

一般情況下驅(qū)動(dòng)滾筒筒殼位移量應(yīng)小于筒殼直徑與輸送帶寬度比，具體DTL120 皮帶輸送機(jī)筒殼直徑（500 mm）與輸送帶寬度（1 200 mm）比為0.417。模擬得到的筒殼位移最大量為0.38 mm，筒殼位移雖在安全范圍內(nèi)，但位移量相對(duì)較高。

3 驅(qū)動(dòng)滾筒改進(jìn)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案確定

由于皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)已固定，滾筒材質(zhì)已無法改變，在優(yōu)化時(shí)無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模改動(dòng)，因此文中主要從滾筒零部件尺寸方面進(jìn)行優(yōu)化，以便提升驅(qū)動(dòng)滾筒整體強(qiáng)度及剛度。驅(qū)動(dòng)滾筒中軸結(jié)構(gòu)、筒殼以及輻板等位置均出現(xiàn)一定程度應(yīng)力集中或者圍巖集中等問題。改進(jìn)優(yōu)化具體思路為：對(duì)滾筒零部件厚度或者直徑進(jìn)行優(yōu)化，提高整體剛度以及強(qiáng)度，以便減少零部件上位移以及應(yīng)力集中量。

在對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒優(yōu)化時(shí)應(yīng)確保滾筒各零部件安全系數(shù)均在1.5 以上，具體各零部件規(guī)格尺寸優(yōu)化通過Ansys 模擬實(shí)現(xiàn)。綜合模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)將軸直徑、筒殼厚度以及輻板厚度分別取值為155 mm、12.5 mm 以及8.5 mm 時(shí)，驅(qū)動(dòng)滾筒各位置應(yīng)力、位移集中程度有所降低，可確保各位置應(yīng)力安全系數(shù)均在1.5 以上。

3.2 優(yōu)化后應(yīng)力分析

對(duì)優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)滾筒應(yīng)力以及位移變化進(jìn)行模擬，具體結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中看出，優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)滾筒各位置應(yīng)力分布規(guī)律與優(yōu)化前基本一致，但是應(yīng)力分布更為均衡，僅有局部位置為應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力最大值也較優(yōu)化前明顯降低。模擬發(fā)現(xiàn)滾筒軸結(jié)構(gòu)、輻板滾輪以及筒殼位置應(yīng)力最大值分別為149 MPa、101 MPa 以及91.5 MPa，應(yīng)力最大值較優(yōu)化前分別降低41.97%、36.74%以及9.09%，其中軸結(jié)構(gòu)、輻板滾輪應(yīng)力最大值降低最為明顯。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒零部件規(guī)格尺寸優(yōu)化后，滾筒各部件安全系數(shù)均在1.5 以上，可滿足后續(xù)使用需要。

圖4 改進(jìn)優(yōu)化后滾筒各位置應(yīng)力分布云圖

通過對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒軸結(jié)構(gòu)、輻板輪轂以及筒殼等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得驅(qū)動(dòng)滾筒受力更為均衡，各部件出現(xiàn)應(yīng)力集中程度有所降低。在相同的工作環(huán)境下，改進(jìn)優(yōu)化后的滾筒運(yùn)行更為平穩(wěn)、可靠。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

采用上文所述驅(qū)動(dòng)滾筒改進(jìn)優(yōu)化措施對(duì)礦井使用的DTL120 型皮帶輸送機(jī)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)優(yōu)化后的皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒運(yùn)行更為平穩(wěn)，在監(jiān)測期間未出現(xiàn)任何故障。對(duì)比改進(jìn)前后驅(qū)動(dòng)滾筒運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后驅(qū)動(dòng)滾筒綜合故障發(fā)生率較改進(jìn)前降低約20%，可在一定程度上降低皮帶輸送機(jī)維護(hù)費(fèi)用，提高皮帶輸送機(jī)運(yùn)行效率。

5 結(jié)論

文章對(duì)礦井使用較為廣泛的DTL120 皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，后采用數(shù)值模擬技術(shù)方法對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒受力情況進(jìn)行模擬分析，并對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。具體取得如下成果：

1）根據(jù)模擬發(fā)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒各位置出現(xiàn)不同程度應(yīng)力集中、位移集中等問題，同時(shí)滾筒軸結(jié)構(gòu)、輻板輪轂安全系數(shù)分別為1.38、1.44，安全系數(shù)較低，不僅不利于驅(qū)動(dòng)滾筒整體穩(wěn)定性，而且容易增加滾筒運(yùn)行故障發(fā)生率。

2）根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)滾筒各部件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，從而使得滾筒各部件受力更為均衡。將改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)滾筒進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用并跟蹤監(jiān)測應(yīng)用效果，結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)滾筒改進(jìn)優(yōu)化效果顯著，滾筒運(yùn)行平穩(wěn)，故障發(fā)生率較改進(jìn)前降低約20%。