王 炎

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備科大機(jī)械有限公司，山西 大同 037000）

引言

隨著國(guó)家綜合國(guó)力的不斷提升，對(duì)能源的需求也呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。各類設(shè)備被應(yīng)用到煤礦的開(kāi)采中。礦用帶式輸送機(jī)作為煤礦中常見(jiàn)的生產(chǎn)設(shè)備，保證其設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)安全性，將對(duì)提高煤礦的生產(chǎn)效率具有重要影響。滾筒則是帶式輸送機(jī)中的關(guān)鍵部件[1]。以DTL160/330帶式輸送機(jī)為例，該設(shè)備運(yùn)輸量為3 300 t/h，帶速為5 m/s，在實(shí)際使用中，滾筒的設(shè)計(jì)一般考慮了安全系數(shù)，這使得滾筒在重量、尺寸及成本等方面均存在較大問(wèn)題，且滾筒仍存在結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、斷裂、變形等失效現(xiàn)象[2]。滾筒一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效問(wèn)題，將會(huì)影響整個(gè)運(yùn)行過(guò)程及效率。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，將更加先進(jìn)的分析方法運(yùn)用到滾筒的結(jié)構(gòu)性能分析中，已成為當(dāng)前一個(gè)重要的發(fā)展方向。

為此，結(jié)合DTL160/330型帶式輸送機(jī)中滾筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了滾筒的三維及仿真模型，采用有限元分析方法，開(kāi)展了滾筒在使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)性能研究，得到了滾筒的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律，提出了滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，這對(duì)提高滾筒的使用壽命及設(shè)備的運(yùn)行效率具有重要意義。

1 滾筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

礦用帶式輸送機(jī)作為礦井中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括滾筒、皮帶、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支架、減速器等，而滾筒則是設(shè)備上的關(guān)鍵部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括滾筒軸、筒體、軸承、輻板、輪轂等[3]。根據(jù)滾筒的功能不同，將其分為主動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力輸出至主動(dòng)滾筒上，帶動(dòng)從動(dòng)滾筒，利用滾筒與皮帶之間的摩擦，實(shí)現(xiàn)滾筒上煤炭的運(yùn)輸。為防止?jié)L筒的打滑，在滾筒表面增加了一層橡膠結(jié)構(gòu)[4]。以DTL160/330帶式輸送機(jī)中滾筒為例，該滾筒采用了鑄焊方式進(jìn)行加工。

滾筒在使用過(guò)程中的失效形式主要包括局部變形、磨損、剪切破壞、開(kāi)裂或斷裂等，其中滾筒作業(yè)過(guò)程中由于受到較大的外界沖擊作用，導(dǎo)致滾筒受到較大的摩擦作用，滾筒的嚴(yán)重磨損將使得滾筒與皮帶發(fā)生打滑現(xiàn)象；同時(shí)，由于滾筒上受到不平衡的集中載荷作用，也經(jīng)常使得滾筒出現(xiàn)局部變形、局部開(kāi)裂或斷裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響帶式輸送機(jī)的運(yùn)行效果及作業(yè)安全性。

2 滾筒模型建立

2.1 三維模型建立

為進(jìn)一步分析滾筒的結(jié)構(gòu)性能，根據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，采用Solidworks軟件對(duì)滾筒中的滾筒軸、筒體、軸套、脹套等部件進(jìn)行模型建立。在建模過(guò)程中，需對(duì)滾筒進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，主要包括將輪輻與筒體之間的焊接，將其建立為固定牢固結(jié)構(gòu)；同時(shí)，去除滾筒中影響較小的螺釘、聯(lián)軸器等非關(guān)鍵部件[5]；并將滾筒中較小圓孔、過(guò)渡圓弧、倒角等進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，僅保留模型中的關(guān)鍵特征；另外，將滾筒受力過(guò)程視為不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。由此，按照1∶1模型比例，建立了滾筒的三維模型，如圖1所示。

圖1 滾筒三維模型

2.2 滾筒材料定義

根據(jù)DTL160/330帶式輸送機(jī)中滾筒的材料屬性，將建立的模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中，對(duì)其進(jìn)行材料定義。其中，軸的材料設(shè)置為45號(hào)鋼，其密度為7.85 g/cm3、彈性模量210 GPa、屈服強(qiáng)度355 MPa、抗拉強(qiáng)度600 MPa，滾筒中輪輻及其他零件的材料則設(shè)置為ZG230-450，其密度為7.85 g/cm3、彈性模量200 GPa、屈服強(qiáng)度230 MPa、抗拉強(qiáng)度450 MPa[6]。通過(guò)軟件中的屬性賦予功能，將材料賦予至滾筒中相應(yīng)零件，完成滾筒材料屬性的設(shè)置。

2.3 滾筒網(wǎng)格劃分

根據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸及材料厚度，在軟件中對(duì)其進(jìn)行了實(shí)體單元設(shè)置及四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm，滾筒中零件之間則通過(guò)綁定功能進(jìn)行連接，所劃分的網(wǎng)格數(shù)量將近60萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為100萬(wàn)個(gè)左右。滾筒網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。根據(jù)滾筒的受力情況，在滾筒的兩端施加了40 kN的恒定力，垂直于滾筒軸方向，筒體與其他零件之間進(jìn)行固定約束。由此，完成滾筒的仿真模型建立。

圖2 滾筒網(wǎng)格劃分

3 滾筒結(jié)構(gòu)性能

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化

經(jīng)過(guò)仿真分析，得到了滾筒的應(yīng)力變化圖，如圖3所示。由圖3可知，滾筒整體發(fā)生一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布相對(duì)不均勻，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在軸套與軸之間的接觸區(qū)域，如圖中Max處。通過(guò)滾筒上輻板向滾筒外徑方向呈逐漸減小的變化趨勢(shì)。輻板上的減輕孔處也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但相對(duì)較小。分析其原因如下：滾筒在運(yùn)行過(guò)程中由于兩端受到垂直軸向的作用力，導(dǎo)致軸及軸套處出現(xiàn)了較大應(yīng)力集中。由此可知，滾筒兩端的軸與軸套為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，需重點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

圖3 滾筒應(yīng)力變化

3.2 結(jié)構(gòu)位移變化

經(jīng)過(guò)分析，得到了滾筒作用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)位移變化，如圖4所示。由圖4可知，滾筒整體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的結(jié)構(gòu)變形，滾筒兩端軸及軸套的變形量相對(duì)較高，軸套中部區(qū)域、輻板中部區(qū)域也出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形；沿著中部方向，軸的變形量呈逐漸減小趨勢(shì)。分析其原因如下：滾筒兩端由于受到載荷作用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)變形。軸、軸套及輻板的兩端是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，需重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖4 滾筒結(jié)構(gòu)變形

4 滾筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1）改變滾筒上各零件的材料屬性，將其材料設(shè)置為Q345鋼，其屈服強(qiáng)度為345 MPa，從材料屬性方面提高滾筒的結(jié)構(gòu)性能。

2）增加滾筒軸的直徑5 mm，與軸相配合的其他零件尺寸作相應(yīng)調(diào)整，軸套及輻板的厚度增加2 mm，具體可根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)作調(diào)整。同時(shí)，滾筒的筒體也需增加2 mm，以提高滾筒的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度。

3）在軸加工結(jié)束后，對(duì)其進(jìn)行淬火熱處理，布氏硬度HRC控制在55～60之間，以保證軸具有足夠的剛度。

4）在軸套及輻板上應(yīng)力集中區(qū)域開(kāi)設(shè)直徑2 mm的小孔，使集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至小孔處，緩解結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中問(wèn)題。

5）保證軸與軸套之間的潤(rùn)滑性能，降低相關(guān)接觸區(qū)域的摩擦影響。

5 結(jié)論

利用當(dāng)前成熟的有限元分析方法，對(duì)滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析，已成為當(dāng)前重要的研究手段。滾筒作為帶式輸送機(jī)中的關(guān)鍵零件，由于受到較大的外界作用力，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為明顯的失效現(xiàn)象。為此，結(jié)合DTL160/330帶式輸送機(jī)中滾筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)建立滾筒的仿真模型，得到了滾筒在運(yùn)行過(guò)程中的性能變化規(guī)律。結(jié)構(gòu)表明，軸、軸套及輻板的兩端是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，為此，從材料屬性、結(jié)構(gòu)尺寸及熱處理工藝等方面提出了滾筒的優(yōu)化改進(jìn)措施，這對(duì)降低滾筒的失效概率、提高滾筒的結(jié)構(gòu)性能及帶式輸送機(jī)的使用壽命具有重要意義，也可為企業(yè)帶來(lái)重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。