新型礦用帶式輸送機(jī)托輥有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

翟建忠

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045400）

0 引言

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)高質(zhì)量托輥數(shù)量較少，使得托輥使用性能難以滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間要求，為彌補(bǔ)此問(wèn)題需花費(fèi)大量的人力和物力進(jìn)行托輥檢修及更換，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。托輥的綜合性能水平的主要影響因素在于托輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和托輥材料設(shè)計(jì)，常用的托輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法為試驗(yàn)分析法和理論計(jì)算法，兩種方法均存在一定缺陷，難以滿足當(dāng)前使用需求。因此，提出一種礦用帶式輸送機(jī)托輥仿真模擬分析方法和一種托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可為后續(xù)托輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考支持[1-5]。

1 礦用帶式輸送機(jī)托輥仿真模型構(gòu)建

通過(guò)CAD 軟件構(gòu)建礦用帶式輸送機(jī)托輥三維實(shí)體模型，將模型導(dǎo)入到ANSYS 軟件中，將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為有限元仿真模型。通過(guò)ANSYS 軟件實(shí)施托輥模型網(wǎng)格劃分。為保障有限元分析時(shí)計(jì)算機(jī)計(jì)算精度和速度，模型為自動(dòng)網(wǎng)格劃分模式，并在網(wǎng)格劃分后對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)整，保障網(wǎng)格劃分質(zhì)量。托輥網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示。

圖1 托輥網(wǎng)格劃分模型

根據(jù)托輥實(shí)際運(yùn)行情況為托輥配置轉(zhuǎn)速、載荷約束等條件。其中轉(zhuǎn)速方面，主要分為最低轉(zhuǎn)速、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速以及最高轉(zhuǎn)速三種工況，分別對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和帶速分別 為50 r/min 和0.42 m/s、516 r/min 和4.5 m/s、721 r/min 和6.3 m/s；載荷方面，托輥采用的材料為Q235B鋼材，其額定載荷為5.99 kN；約束方面，分別于托輥軸承座內(nèi)的軸承與密封裝置設(shè)置固定約束，該約束會(huì)約束托輥旋轉(zhuǎn)方向外的其他自由度。

2 礦用帶式輸送機(jī)托輥有限元仿真分析

2.1 托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件

2.1.1 最低轉(zhuǎn)速工況下有限元仿真

當(dāng)?shù)V用帶式輸送機(jī)處于最低轉(zhuǎn)速工況時(shí)，托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件有限元仿真分析結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖2 托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件等效應(yīng)力云圖

圖3 托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件等效位移云圖

如圖2 所示，在最低轉(zhuǎn)速工況下，托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件最大應(yīng)力區(qū)域集中在托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件內(nèi)表面中心區(qū)域，最大應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力值為96.772 MPa。具體應(yīng)力分布表現(xiàn)為由中心向兩側(cè)依次減小的態(tài)勢(shì)。

如圖3 所示，在最低轉(zhuǎn)速工況下，托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件最大位移區(qū)域集中在托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件中心區(qū)域，最大位移點(diǎn)的位移值為0.172 56 mm。具體位移分布表現(xiàn)為由中心向兩側(cè)依次減小的態(tài)勢(shì)。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速工況下有限元仿真

在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速工況下，托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件最大應(yīng)力區(qū)域集中在托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件外表面中心區(qū)域，最大應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力值為21.84 MPa。具體應(yīng)力分布表現(xiàn)為由中心向兩側(cè)依次減小的態(tài)勢(shì)。在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速工況下，托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件最大位移區(qū)域集中在托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件中心區(qū)域，最大位移點(diǎn)的位移值為0.068 5 mm。具體位移分布表現(xiàn)為由中心向兩側(cè)依次減小的態(tài)勢(shì)。

2.1.3 最高轉(zhuǎn)速工況下有限元仿真

在最高轉(zhuǎn)速工況下，托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件最大應(yīng)力區(qū)域集中在托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件外表面中心區(qū)域，最大應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力值為22.109 MPa。具體應(yīng)力分布表現(xiàn)為由中心向兩側(cè)依次減小的態(tài)勢(shì)。在最高轉(zhuǎn)速工況下，托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件最大位移區(qū)域集中在托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件中心區(qū)域，最大位移點(diǎn)的位移值為0.065 758 mm。具體位移分布表現(xiàn)為由中心向兩側(cè)依次減小的態(tài)勢(shì)。

總體來(lái)說(shuō)，托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件所承受的應(yīng)力和位移均相對(duì)較小，通常不會(huì)對(duì)托輥正常運(yùn)行造成影響。不過(guò)，相關(guān)應(yīng)力值和位移值與材料最大許用應(yīng)力之間存在較大差異，確認(rèn)托輥傳動(dòng)件存在優(yōu)化空間，可通過(guò)減重等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)托輥結(jié)構(gòu)件優(yōu)化效果。

2.2 托輥軸

2.2.1 冷拔托輥軸有限元分析

冷拔托輥軸有限元仿真分析結(jié)果如圖4 和圖5所示。

圖4 托輥軸等效應(yīng)力云圖

圖5 托輥軸等效位移云圖

如圖4 所示，冷拔托輥軸大部分區(qū)域不存在應(yīng)力集中情況，其應(yīng)力最大區(qū)域位于托輥軸兩端銑平面夾角區(qū)域。具體應(yīng)力分布表現(xiàn)為以最大應(yīng)力點(diǎn)為中心向外依次減小的態(tài)勢(shì)。

如圖5 所示，冷拔托輥軸最大位移點(diǎn)處于托輥軸中心區(qū)域，最大位移點(diǎn)的位移值為0.091 398 mm。具體位移分布表現(xiàn)為由中心向兩側(cè)依次減小的態(tài)勢(shì)。

2.2.2 階梯托輥軸有限元分析

冷拔托輥軸大部分區(qū)域不存在應(yīng)力集中情況，其應(yīng)力最大區(qū)域位于托輥軸兩端銑平面夾角區(qū)域，最大應(yīng)力值為232.42 MPa。具體應(yīng)力分布表現(xiàn)為以最大應(yīng)力點(diǎn)為中心向外依次減小的態(tài)勢(shì)。冷拔托輥軸最大位移點(diǎn)處于托輥軸中心區(qū)域，最大位移點(diǎn)的位移值為0.038 072 mm。具體位移分布表現(xiàn)為由中心向兩側(cè)依次減小的態(tài)勢(shì)。

通過(guò)冷拔托輥軸和階梯托輥軸的有限元仿真分析結(jié)果可知，托輥軸的最大應(yīng)力點(diǎn)位于托輥軸兩端銑平面夾角區(qū)域，冷拔托輥軸最大應(yīng)力值可達(dá)到232.42 MPa，該應(yīng)力值均已接近托輥軸材料的最大許用應(yīng)力235 MPa，說(shuō)明無(wú)論是冷拔托輥軸，還是階梯托輥軸，其兩端銑平面夾角區(qū)域均屬于應(yīng)力薄弱點(diǎn)，所以需要選用最大許用應(yīng)力和更強(qiáng)的材料對(duì)該區(qū)域材料進(jìn)行替換處理。

3 新型礦用帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)有限元分析結(jié)果及相關(guān)改進(jìn)優(yōu)化措施，介紹以下新型礦用帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1）托輥轉(zhuǎn)動(dòng)件：采用管體厚度為4 mm 的Q235B無(wú)縫鋼管作為托輥管體，軸承座采用厚度為3.5 mm的沖壓軸承座，托輥管體內(nèi)中心位置焊接一個(gè)寬度和厚度分別為10 mm 和5 mm 的圓環(huán)。

2）托輥軸：托輥軸材料采用Q355 低碳合金鋼替代Q235B 鋼材料，銑平面寬度設(shè)定為20.4 mm，托輥軸過(guò)渡圓角半徑和周長(zhǎng)分別設(shè)置為2 mm 和562 mm。

4 托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的工程應(yīng)用

在提出新型礦用帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后，為驗(yàn)證托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用價(jià)值，需將優(yōu)化設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于工程實(shí)踐。具體應(yīng)用中根據(jù)新型礦用帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)現(xiàn)有礦用帶式輸送機(jī)托輥及相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化調(diào)整，并在調(diào)整后通過(guò)仿真分析方法對(duì)礦用帶式輸送機(jī)基本結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行綜合分析判斷。

通過(guò)仿真分析方法初步確認(rèn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行后，在礦用帶式輸送機(jī)各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域配置振動(dòng)傳感器、聲音傳感器、速度傳感器等多種傳感器設(shè)備，通過(guò)傳感器設(shè)備采集礦用帶式輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)作為新型礦用帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有托輥結(jié)構(gòu)的軸承分析數(shù)據(jù)。相較于現(xiàn)有托輥結(jié)構(gòu)，新型托輥結(jié)構(gòu)在三種不同轉(zhuǎn)速工況下的最大變形量和最大應(yīng)力值等方面均表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，確認(rèn)其具體良好的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

基于有限元仿真分析方法，結(jié)合礦用帶式輸送機(jī)托輥基本結(jié)構(gòu)，構(gòu)建礦用帶式輸送機(jī)托輥仿真有限元模型，并根據(jù)分析結(jié)果提出新型礦用帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。根據(jù)工程應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，此新型礦用帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)可行性和應(yīng)用價(jià)值，可在后續(xù)礦用帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化中進(jìn)行參考應(yīng)用。