王倩云

（晋能控股装备制造集团机电装备科大机械有限公司， 山西 大同 037000）

引言

带式输送机具有结构简单、运行维护方便、运输效率高等优势，在很多工业领域有广泛应用[1]。煤矿开采中带式输送机是非常重要的输送装备，随着煤矿领域技术水平的不断提升，煤矿开采效率有了非常快的发展，这对带式输送机运输效率提出了更高的要求[2-3]。带式输送机传动滚筒工作时需要不断旋转，且承受较大的作用力，导致工作时容易发生故障，不利于带式输送机的长时间稳定、可靠运行[4]。传动滚筒工作时容易出现问题的原因在于结构强度和刚度不足，长时间承受较大载荷容易发生疲劳失效现象[5-6]。

针对上述问题，本文充分利用先进的有限元计算方法，对带式输送机传动滚筒的受力情况进行分析，找到存在的问题，在此基础上对其结构进行优化改进，取得很好的实际应用效果。

1 带式输送机传动滚筒概述

以DTL80 型带式输送机为例进行阐述。带式输送机中的传动滚筒是非常重要的构成部分，电机输出的动力需通过传动滚筒输入带式输送机中。传动滚筒通过摩擦力驱动皮带运动，进而实现皮带上面煤矿物料的运输。基于以上工作过程可以看出，传动滚筒是带式输送机中较重要的承力结构件，长时间承受重载荷时容易出现失稳现象。图1 所示为带式输送机传动滚筒的整体结构示意图。由图1 可知，传动滚筒同样由多个结构件构成，最重要的结构件包括筒壳、轴、轴承、轮毂、辐板、胀套。其中，筒壳为空心结构，受力时容易发生变形，存在刚度不足的隐患。

图1 传动滚筒的整体结构

2 传动滚筒有限元模型的建立

2.1 三维模型的建立

根据传动滚筒实际结构尺寸，利用UG 三维造型软件建立对应的三维结构模型。需要说明的是，传动滚筒的实际结构复杂，包含很多倒角、倒圆等尺寸较小的结构，这些结构会对计算过程造成不良影响，但对结果的影响几乎可以忽略不计。因此，在三维造型时将以上细节作忽略处理。将建立好的三维模型导出为STL 格式，然后导入ANSYS 软件中进行有限元建模。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 网格单元划分

有限元建模分析过程中网格单元划分是非常重要的一个环节，网格类型的选择及网格尺寸的设置会对计算过程和结果产生直接影响。考虑到筒壳为薄壁件，结构特殊，选用壳单元进行网格划分，其他结构选用六面体单元。网格边长由有限元软件自动确定并划分。最终划分得到的网格和节点数量分别为13 542 和15 389。

2.2.2 材料属性设置

正确设置材料属性是保证计算结果准确性的基础和前提。传动滚筒不同结构件使用的材料存在一定差异。其中，轴采用的是45 号钢，辐板使用的是ZG230～450，胀套和筒壳采用的分别是40Cr 和Q235A。查阅材料手册可以获得以上材料的密度、泊松比、弹性模量等物理参数，将其输入有限元模型中。图2 所示为建立完成的带式输送机传动滚筒的有限元模型。

图2 传动滚筒的有限元模型

3 传动滚筒受力结果分析

3.1 结果分析

对以上建立的有限元模型进行计算分析，并提取计算结果，可以查看传动滚筒任意位置的受力和位移变形情况。结果发现，传动滚筒不同位置的受力和位移变形情况存在明显的不均匀性。绝大部分位置的受力和位移变形都相对较小，较大的应力和位移变形集中在局部位置。其中，应力最大的部位出现在轴上，与胀套装配接触的部位，最大应力值为230.92 MPa；位移变形最大值出现在筒壳中间部位，最大位移值达到了0.38 mm。出现这种情况的原因是筒壳为空心件，且厚度较薄，导致中间部位刚度偏低。图3 所示为应力和位移变形集中部位的云图。

图3 应力和位移变形集中部位的云图

3.2 存在的缺陷

传动滚筒中轴的加工材料为45 号钢，该材料的屈服极限值为350 MPa 左右。根据上文计算结果可知，轴的安全系数为355÷230.92=1.52。在机械领域，轴的安全系数通常要求达到1.5。虽然计算得到的安全系数比要求的安全系数大，但两者之间的差距很小。考虑到传动滚筒工作时需要承受疲劳载荷，应力集中位置容易出现疲劳损伤，最终导致轴发生断裂。另外，根据相关行业标准，传动滚筒工作时，筒壳的最大位移变形程度不得超过滚筒直径与皮带宽度2 倍的比值。本案例中，滚筒直径为500 mm，皮带宽度为800 mm，可以计算得到上述比值为0.312 5。而传动滚筒的最大位移变形达到了0.38 mm。可见，筒壳的最大位移变形已经超过了相关要求。

4 传动滚筒结构的优化改进与应用

4.1 优化改进

基于以上分析可以看出，带式输送机由于工作环境日益复杂，使得原有的传动滚筒结构无法满足实际使用需要。传动滚筒工作时最大应力和位移变形程度都相对较大，存在一定的安全隐患，导致结构运行故障率提升，因此有必要采取措施对结构进行优化改进。考虑到传动滚筒中筒壳厚度、辐板厚度、轴的直径对整体结构受力影响较大，将上述三个参量作为优化变量，以结构件的安全系数为优化约束条件，利用ANSYS 软件开展结构件的优化工作。优化时筒壳厚度、辐板厚度、轴的直径的变化范围分别为3～15 mm、3～20 mm、50～160 mm。

图4 所示为带式输送机传动滚筒结构优化流程图。基于以上思路，采用单一变量控制方法，利用ANSYS 软件建立具有不同结构参数的有限元模型并开展计算分析工作。最终得到的最优结果为筒壳厚度5.6 mm、辐板厚度5.5 mm、轴的直径100 mm。在最优结构参数情况下，传动滚筒整体受力和位移变形规律与优化前相比基本类似，但是轴上的最大应力值降低到了192.38 MPa，筒壳上的最大位移变形量降低到了0.286 mm。不管是最大应力还是最大位移变形量，均控制在了标准规范要求的范围以内，有效保障了传动滚筒运行过程的可靠性和稳定性。

图4 传动滚筒结构优化流程图

4.2 应用分析

将优化改进后的传动滚筒运用到DTL80 型带式输送机中，并对其实际运行效果进行了连续3 个月的测试。在整个测试期间传动滚筒运行稳定，没有出现明显的故障问题。初步估算，此次对传动滚筒结构的优化改进，能使该结构的故障率降低30%以上，为煤矿企业节省大量的维护和保养成本。综上，此次针对传动滚筒结构的优化改进工作达到了预期效果，获得了企业人员的一致好评。

5 结论

传动滚筒是带式输送机中较重要的结构件，工作时需要承受周期性的载荷，且载荷相对较大，导致传动滚筒是带式输送机中较容易出现故障的部位。本研究利用UG 和ANSYS 软件建立传动滚筒的有限元模型，对其整体受力和位移变形进行分析的基础上提出优化改进方案。在一定程度上降低传动滚筒的最大应力和位移变形值，提升了传动滚筒运行的可靠性。将优化改进后的传动滚筒结构应用到DTL80 型带式输送机工程实践中，发现整体运行稳定，传动滚筒的故障率有了显著降低，为煤矿企业创造了良好的经济效益。