關(guān)于煤礦帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

李 帆

（山西焦煤霍州煤電汾源煤業(yè)， 山西 忻州 035100）

0 引言

帶式輸送機(jī)在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，是對(duì)煤礦及相關(guān)工具進(jìn)行運(yùn)輸?shù)闹匾b備，輸送機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行對(duì)于煤礦開采過(guò)程有一定程度的影響[1]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平地不斷提升，對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性要求越來(lái)越高[2]。傳動(dòng)滾筒是輸送機(jī)中重要和關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件，由傳動(dòng)系統(tǒng)輸入的動(dòng)力需要通過(guò)傳動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)皮帶做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)[3]。鑒于傳動(dòng)滾筒的高可靠性要求，利用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)時(shí)，通常將相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置過(guò)大，存在冗余現(xiàn)象[4]。此現(xiàn)象不僅造成材料資源浪費(fèi)，還會(huì)增加傳動(dòng)滾筒的加工制作成本[5]。

本文基于Ansys 軟件對(duì)帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒進(jìn)行受力分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最后應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)概述

帶式輸送機(jī)整體的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括傳動(dòng)滾筒、換向滾筒、上托輥、下托輥、張緊裝置等[6]。其中，傳動(dòng)滾筒是比較重要的結(jié)構(gòu)件，從電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)輸入的動(dòng)力，會(huì)傳入傳動(dòng)滾筒，傳動(dòng)滾筒與皮帶接觸通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)。如圖1 所示為傳動(dòng)滾筒的典型結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥闯?，滾筒由多個(gè)結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，主要包括脹套、輪轂、輻板、筒體等，筒體中間部位處于懸空狀態(tài)，最容易發(fā)生變形，因此設(shè)置有加強(qiáng)環(huán)，目的是提升中間部位剛度，避免工作時(shí)中間部位發(fā)生過(guò)大的變形，影響傳動(dòng)滾筒的正常工作。

圖1 傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳動(dòng)滾筒模型建立及受力結(jié)果

2.1 模型的建立

傳動(dòng)滾筒的長(zhǎng)度和滾筒直徑分別為1 600 mm、1 670 mm，筒體厚度為40 mm，脹套寬度、內(nèi)徑和外徑分別為116 mm、400 mm 和495 mm，輪轂寬度、內(nèi)徑和外徑分別為170 mm、495 mm 和695 mm，輪轂厚度、內(nèi)徑和外徑分別為60 mm、695 mm 和1 594 mm。根據(jù)以上尺寸利用SolidWorks 軟件構(gòu)建三維幾何模型，建模時(shí)為了簡(jiǎn)化，可以將倒角和倒圓等細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行省略。完成建模后將模型導(dǎo)入Ansys 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性設(shè)置。傳動(dòng)滾筒中的結(jié)構(gòu)類型較多，不同結(jié)構(gòu)使用的材料存在差異，如傳動(dòng)軸使用的材料為45 號(hào)鋼、輪轂和輻板使用的材料為ZG250、脹套材料為50Cr 等，嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)材料的基本屬性設(shè)置模型，以保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分是有限元建模時(shí)比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，劃分質(zhì)量會(huì)對(duì)模型計(jì)算速度和精度產(chǎn)生直接影響。Ansys 軟件中提供了多種類型的網(wǎng)格，本案例中選用的是六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格大小由模型自動(dòng)確定，最終劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量為33 964 個(gè)（見圖2）。

圖2 傳動(dòng)滾筒的有限元模型

2.2 受力結(jié)果分析

完成傳動(dòng)滾筒有限元模型的建立工作后，可以利用軟件的計(jì)算模塊對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，然后利用后處理模塊對(duì)結(jié)果進(jìn)行提取分析。本文研究重點(diǎn)關(guān)注傳動(dòng)滾筒工作時(shí)的受力和變形情況，因此提取了滾筒的應(yīng)力分布云圖和位移變形分布云圖，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，不管是應(yīng)力場(chǎng)分布還是位移變形場(chǎng)分布，傳動(dòng)滾筒不同位置都呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，即不同位置的應(yīng)力和位移變形量存在較大差異。大部分位置的應(yīng)力和位移變形量均相對(duì)較小，只有局部位置出現(xiàn)的應(yīng)力集中和位移變形集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為98.8 MPa，最大位移變形為0.498 mm。應(yīng)力集中部位主要出現(xiàn)在三個(gè)位置，分別為軸承與軸相接觸的部位、滾筒表面剛開始與皮帶接觸的部位、筒體與幅板相接觸的部位。位移變形量最大的位置處于筒體中間并且與皮帶相接觸的部位。

圖3 傳動(dòng)滾筒的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)分布

傳動(dòng)滾筒中筒體部分需要與皮帶接觸，因此對(duì)其位移變形量提出了一定的要求，如果位移變形量太大會(huì)影響兩者的接觸摩擦。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，滾筒允許的最大位移變形量=1.04 mm，其中：D、B 分別為傳動(dòng)滾筒的直徑和寬度。而傳動(dòng)滾筒實(shí)際的最大位移變形量為0.498 mm，未超過(guò)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值，因此能滿足基本要求。滾筒加工材料中ZG250的屈服強(qiáng)度最低為250 MPa，安全系數(shù)為1.5，可以計(jì)算得到材料的許用應(yīng)力為166.67 MPa。滾筒的最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)材料的許用應(yīng)力。

從傳動(dòng)滾筒的受力和位移變形兩個(gè)層面都說(shuō)明在設(shè)計(jì)階段存在明顯的冗余現(xiàn)象，會(huì)造成材料浪費(fèi)問(wèn)題，加大滾筒的加工制作成本，存在一定的優(yōu)化改進(jìn)空間。

3 傳動(dòng)滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)傳動(dòng)滾筒的靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)滾筒在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在很大的浪費(fèi)，可以利用先進(jìn)的有限元技術(shù)對(duì)傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。對(duì)滾筒性能造成影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)是多方面的，選取了三個(gè)比較典型的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化改進(jìn)對(duì)象，分別為滾筒厚度、加強(qiáng)環(huán)長(zhǎng)度和寬度。為了不對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)做大幅度改動(dòng)，并壓縮優(yōu)化改進(jìn)計(jì)算時(shí)間，對(duì)三個(gè)優(yōu)化對(duì)象的取值范圍進(jìn)行限定，分別在20～35 mm、80～130 mm、35～65 mm 范圍內(nèi)取值。優(yōu)化改進(jìn)思路是基于試錯(cuò)法思想，在上述三個(gè)范圍內(nèi)分別取值后，利用Ansys 軟件構(gòu)建有限元模型進(jìn)行分析，并對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以獲得最優(yōu)結(jié)果。

優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，以材料的許用應(yīng)力和結(jié)構(gòu)允許的最大位移變形作為約束條件，即要求傳動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力不得超過(guò)166.67 MPa，最大位移變形不超過(guò)1.04 mm。完成優(yōu)化改進(jìn)工作后，最終確定的滾筒厚度、加強(qiáng)環(huán)長(zhǎng)度和厚度分別為32 mm、82 mm 和42 mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力和最大位移變形分別為137.87 MPa 和0.97 mm，在安全范圍內(nèi)，不會(huì)影響滾筒的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。如圖4 所示為傳動(dòng)滾筒優(yōu)化前后優(yōu)化對(duì)象和滾筒質(zhì)量的數(shù)據(jù)對(duì)比情況。由圖中數(shù)據(jù)可知，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)使傳動(dòng)滾筒各結(jié)構(gòu)件尺寸均出現(xiàn)了不同程度降低，導(dǎo)致滾筒整體質(zhì)量出現(xiàn)了大幅度降低，由優(yōu)化前的7.95 t 降低到了優(yōu)化后的6.19 t，降低幅度為22.14%。整體質(zhì)量的降低可以為企業(yè)節(jié)省設(shè)備的加工制作成本。

圖4 傳動(dòng)滾筒優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比情況

3.2 優(yōu)化效果分析

為了驗(yàn)證傳動(dòng)滾筒優(yōu)化改進(jìn)方案的可靠性，根據(jù)以上優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果加工制作傳動(dòng)滾筒，并將其應(yīng)用到帶式輸送機(jī)工程實(shí)踐中。目前優(yōu)化后的傳動(dòng)滾筒在工程中的應(yīng)用時(shí)間已經(jīng)超過(guò)6 個(gè)月。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)滾筒的應(yīng)用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其整體運(yùn)行良好，整個(gè)運(yùn)行期間沒(méi)有出現(xiàn)明顯的故障問(wèn)題，說(shuō)明此次針對(duì)傳動(dòng)滾筒的優(yōu)化改進(jìn)工作是有效的。在保障設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，有效降低了整體重量，不僅可以節(jié)省加工制作成本，還可以降低后續(xù)的運(yùn)行成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1）由于傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，導(dǎo)致滾筒的最大應(yīng)力和最大位移變形均遠(yuǎn)低于安全標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)增加滾筒的加工制作成本；

2）以筒體厚度、加強(qiáng)環(huán)長(zhǎng)度和厚度為優(yōu)化對(duì)象，以允許的最大應(yīng)力和位移變形為約束條件，對(duì)傳動(dòng)滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的滾筒不僅能正常穩(wěn)定運(yùn)行，還使其質(zhì)量降低了22.14%；

3）將優(yōu)化后的傳動(dòng)滾筒應(yīng)用到工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行過(guò)程比較穩(wěn)定，驗(yàn)證了優(yōu)化改進(jìn)方案的可靠性。