潘 虹

（晉能控股集團煤峪口礦，山西 大同 037041）

引言

帶式輸送機是進行散裝物料連續(xù)輸送的設(shè)備，通過輸送帶與傳動滾筒之間的摩擦力進行驅(qū)動，可以依據(jù)不同的應(yīng)用場景及輸送線路對帶式輸送機進行布置。傳動滾筒實現(xiàn)對輸送帶的運動驅(qū)動，是帶式輸送機的重要部件，其壽命及使用性能對帶式輸送機具有直接的影響。采用有限元分析的形式對不同結(jié)構(gòu)形式的傳動滾筒進行性能分析[1-2]，可以找出滾筒設(shè)計使用過程中的薄弱點，從而可以優(yōu)化滾筒的結(jié)構(gòu)，提高傳動滾筒的使用性能及壽命，保證煤礦的輸送效率。

1 傳動滾筒的兩種結(jié)構(gòu)形式

傳動滾筒是帶式輸送機的關(guān)鍵部件，對帶式輸送機的運行起著重要的作用，其結(jié)構(gòu)組成主要包括滾筒軸、輪轂、輻板及筒體等[3]。傳動滾筒的結(jié)構(gòu)要滿足滾筒的承載要求及結(jié)構(gòu)布置，常用的滾筒結(jié)構(gòu)形式可以分為焊接結(jié)構(gòu)和鑄焊結(jié)構(gòu)[4]。

焊接結(jié)構(gòu)的滾筒由其輪轂、輻板及筒體拼焊而成，滾筒軸與輪轂之間可采用單鍵聯(lián)接、過盈聯(lián)接或環(huán)形鎖緊器聯(lián)接。焊接形式的滾筒結(jié)構(gòu)相對簡單，加工制造的過程簡單，但由于焊接的焊縫較多[5]，焊縫質(zhì)量難以一致，容易引起焊接的變形及內(nèi)應(yīng)力的存在。

鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒是指其采用鑄造形式，將滾筒的輪轂、輻板及滾筒兩端筒體鑄造為一體，與中間的筒體進行焊接而成[6]。鑄焊結(jié)構(gòu)形式的滾筒軸與輪轂之間采用脹套進行聯(lián)接。鑄焊結(jié)構(gòu)的滾筒將輪轂、輻板及兩端的筒體作為一個部件，不需要焊縫進行連接，可以避免焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力及焊接變形的問題，有利于提高輪轂及輻板的強度。鑄造一體與中間的筒體部分焊接采用V型坡口的形式，坡口的位置易于焊接，有利于提高焊接的質(zhì)量及滾筒的性能。

2 傳動滾筒仿真分析模型的建立

在兩種不同結(jié)構(gòu)形式的滾筒中，對其進行設(shè)計要依據(jù)其自身的性能，滿足使用的要求。采用有限元仿真的形式對兩種結(jié)構(gòu)形式的滾筒性能進行分析。作為結(jié)構(gòu)分析的常用方法，有限元廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的設(shè)計及分析中，采用離散化的處理方法對連續(xù)介質(zhì)的問題進行分析處理，主要應(yīng)用于對結(jié)構(gòu)的靜力分析及動力分析中，適用于對傳動滾筒的性能進行分析[7-8]。

以某帶寬為1 000 mm的帶式輸送機傳動滾筒為例，對焊接結(jié)構(gòu)及鑄焊結(jié)構(gòu)的滾筒性能進行分析。帶式輸送機的輸送能力為1 500 t/h，最大的煤炭粒度為300 mm，長度為127 m，提升高度為7 m，帶速為5 m/s，傳動滾筒的直徑為630 mm。對兩種結(jié)構(gòu)形式的滾筒進行建模分析，由于滾筒的主要失效形式為筒體的變形及焊縫的開裂，建模過程中對滾筒進行一定的簡化處理，僅考慮輪轂、輻板、鑄造接盤及筒皮等主要結(jié)構(gòu)[9]。焊接結(jié)構(gòu)的滾筒采用等截面的輻板形式，鑄造結(jié)構(gòu)的滾筒采用變截面的輻板形式，依據(jù)滾筒的參數(shù)建立兩種結(jié)構(gòu)形式的滾筒模型如圖1所示。對滾筒的材質(zhì)進行設(shè)定，鑄造接盤采用ZG230-450焊接結(jié)構(gòu)用碳素鋼，其泊松比為0.27，屈服極限為230 MPa，筒皮、輻板及輪轂等采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其泊松比為0.26，屈服極限為235 MPa。采用有限元分析模塊自帶的網(wǎng)格劃分功能，對兩種滾筒的模型進行網(wǎng)格劃分[10]，采用非線性結(jié)構(gòu)的四面體單元進行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格尺寸為10 mm，對模型進行網(wǎng)格劃分處理。

圖1 不同結(jié)構(gòu)形式的滾筒模型

在進行滾筒性能分析時，對傳動滾筒的徑向載荷看作沿軸向均勻分布，在軸向的范圍內(nèi)，假設(shè)每段圓弧內(nèi)輸送帶所受的張力即為該圓弧段內(nèi)輸送帶對滾筒的平均壓力，帶寬為1 000 mm，滾筒直徑為630 mm，滾筒的長度為1 150 mm，受到的載荷作用繞入點張力為30.5 kN，繞出點張力為12.5 kN，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.35，輸送帶的包角為190°，由此對滾筒進行載荷的施加，對兩種滾筒的性能進行模擬計算。

3 兩種結(jié)構(gòu)形式的傳動滾筒性能分析

依據(jù)傳動滾筒的受力情況施加載荷，設(shè)定滾筒為靜止的部件，通過滾筒軸進行支撐固定，將滾筒的輪轂內(nèi)表面固定約束，限制其自由度[11]。通過計算分析，得到焊接滾筒及鑄焊滾筒兩種結(jié)構(gòu)形式滾筒的應(yīng)力變化如圖2所示。

由圖2可知，在兩種結(jié)構(gòu)形式的滾筒中，滾筒受到的應(yīng)力較大的區(qū)域均位于輸送帶繞入點的位置處，并靠近輻板與筒體的接觸位置內(nèi)側(cè)。兩種滾筒中，焊接滾筒的最大應(yīng)力為4.6 MPa，鑄焊滾筒的最大應(yīng)力為3.1 MPa，焊接滾筒受到的最大應(yīng)力作用要大于鑄焊滾筒。由于滾筒在工作過程中處于不斷旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，滾筒受到的應(yīng)力集中區(qū)域為滾筒與輻板內(nèi)側(cè)接觸形成的環(huán)形區(qū)域。

圖2 傳動滾筒的應(yīng)力分布

對兩種結(jié)構(gòu)形式滾筒的位移進行分析，經(jīng)過計算得到滾筒的位移分布如圖3所示。從圖3中可以看出，在兩種滾筒的位移中，最大位移量位于筒體的中間位置處。兩種滾筒中，焊接滾筒的最大位移值為0.021 mm，鑄焊滾筒的最大位移值為0.014 mm，焊接滾筒的位移量要大于鑄焊滾筒。

通過上述的分析可知，鑄焊結(jié)構(gòu)的滾筒受力狀態(tài)要好于焊接滾筒，這是由于鑄焊滾筒的焊縫較少，產(chǎn)生的應(yīng)力集中作用少，焊接滾筒拼焊的位置多，容易產(chǎn)生焊縫的應(yīng)力集中，且產(chǎn)生的位移變形較大。鑄焊滾筒比焊接滾筒具有更好的性能，可承受較大的載荷作用，可用于重載帶式輸送機中。

圖3 傳動滾筒的位移分布

4 結(jié)語

傳動滾筒作為帶式輸送機的關(guān)鍵部件，其承載及受力性能對帶式輸送機的使用具有重要的影響。針對焊接滾筒及鑄焊滾筒的不同結(jié)構(gòu)形式，采用有限元仿真的形式對兩種結(jié)構(gòu)形式滾筒進行靜力學(xué)性能分析。結(jié)果表明，在同樣的受力條件下，鑄焊滾筒的受力狀態(tài)要好于焊接滾筒，且其產(chǎn)生的位移變形量較小。焊接滾筒由于焊縫較多，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于滾筒的長期使用。因此在重載及惡劣工況的情況下，可采用鑄焊滾筒的形式保證帶式輸送機運行的穩(wěn)定性，保證煤礦的高效開采。