王 哲

（汾西矿业新产发展有限责任公司，山西 晋中 032000）

引言

皮带输送机是煤矿主要运输设备，具有布置灵活、稳定性强以及运输能力大等优点，皮带输送机运行稳定性会直接影响煤炭运输以及开采效率[1-2]。滚筒是皮带输送机主要组成单元，可细分为驱动滚筒、转向滚筒，电机作用到驱动滚筒上，从而带动输送带运转，因此驱动滚筒受力明显高于转向滚筒[3-5]。驱动滚筒工作时需要承受周期性载荷作用，会出现疲劳损伤情况，在皮带输送机实际应用过程中滚筒也是容易出现故障的部件[6-7]。因此，对驱动滚筒受力情况进行分析，并针对性提出改进优化措施，对提升滚筒性能以及皮带输送机整体可靠性等有显著促进意义。文中以矿井最为常用的DTL120 皮带输送机为工程实例，采用数值模拟技术对输送机驱动滚筒受力进行分析，并进行优化。

1 皮带输送机滚筒结构分析

DTL120 皮带输送机是煤矿井下最为常用的输送机类型之一，皮带输送机结构包括有带传动装置、输送带、驱动装置、托辊以及滚筒等。驱动滚筒结构如图1 所示，滚筒内部包含有轮毂、轴承、幅板、胀套、筒壳等，筒壳为空心结构，在较大外力作用时容易出现变形问题；胀套是连接辐板、轴间的紧固部件。在皮带输送机运行过程中滚筒受力较为复杂，因而故障发生率相对较高。

图1 驱动滚筒结构示意图

2 驱动滚筒受力模拟分析

综合使用SolidWorks 以及Ansys 软件对滚筒受力进行模拟，构建的滚筒筒壳宽1 200 mm、厚度10 mm、直径500 mm，滚筒轴承长度1 600 mm、直径120 mm，胀套直径140 mm。构建的模拟模型中节点、单元数分别为21 289 个以及19 342 个。文中主要从驱动滚筒应力及位移两方面对滚筒受力进行模拟分析，从而为后续改进优化提供指导。

2.1 应力分析

具体模拟得到的滚筒各位置应力分布云图如图2 所示，从图2 中可看出，滚筒各个位置间应力分布存在明显差异，其中在筒壳位置处应力相对较小，辐板位置应力较筒壳有所增加，轴结构应力最大。分析应力变化的主要原因是轴、筒壳以及辐板轮毂间直径存在明显差异，而各个位置受到的力矩基本相同，因此导致应力分布出现明显变化。同时在滚筒同一部件不同位置也存在明显的应力分布不均衡情况，仅在局部位置出现应力集中情况。其中监测到轴位置应力峰值可达到257 MPa，峰值点位于轴与胀套接触位置；筒壳应力峰值出现在与输送带接触位置，峰值为101 MPa；辐板轮毂接触位置处辐板出现应力集中，应力峰值为159 MPa。

图2 滚筒各位置应力分布云图

2.2 位移分析

具体模拟得到驱动滚筒不同位置位移分布如下页图3 所示。从图3 中看出，滚筒不同位置位移存在明显差异，其中位移从小到大位置依次分别为轴结构、辐板以及筒壳；同时滚筒同一结构不同位置间位移也存在显著差异。轴结构最大位移出现在中部区域，越靠近两端位移量越小，其中中部区域位移量最大，为0.12 mm；筒壳在中部位置位移量最大，越靠近两端位移量越小，最大位移量约为0.38 mm，在中部位置位移量最大的主要原因是筒壳中部悬空且未有支撑，容易出现变形；在辐板轮毂位移量最大位置处于筒壳与辐板接触位置。

图3 滚筒各位置位移分布云图

2.3 滚筒安全系数分析

一般情况下要求滚筒中轴结构、辐板轮毂以及筒壳等各位置安全系数均应超过1.5，查阅有关资料得出上述3 个位置材料的屈服强度分别为355 MPa、230 MPa 以及235 MPa，根据上述模拟结果发现轴结构、辐板轮毂以及筒壳受到最大应力分别为257 MPa、159 MPa 以及101 MPa，各部件安全系数分别为1.38、1.44 以及2.33。其中仅有筒壳安全系数超过1.5，其余的辐板轮毂、轴结构安全系数均在1.5 以内。

一般情况下驱动滚筒筒壳位移量应小于筒壳直径与输送带宽度比，具体DTL120 皮带输送机筒壳直径（500 mm）与输送带宽度（1 200 mm）比为0.417。模拟得到的筒壳位移最大量为0.38 mm，筒壳位移虽在安全范围内，但位移量相对较高。

3 驱动滚筒改进优化

3.1 优化方案确定

由于皮带输送机驱动滚筒结构已固定，滚筒材质已无法改变，在优化时无法实现大规模改动，因此文中主要从滚筒零部件尺寸方面进行优化，以便提升驱动滚筒整体强度及刚度。驱动滚筒中轴结构、筒壳以及辐板等位置均出现一定程度应力集中或者围岩集中等问题。改进优化具体思路为：对滚筒零部件厚度或者直径进行优化，提高整体刚度以及强度，以便减少零部件上位移以及应力集中量。

在对驱动滚筒优化时应确保滚筒各零部件安全系数均在1.5 以上，具体各零部件规格尺寸优化通过Ansys 模拟实现。综合模拟结果发现将轴直径、筒壳厚度以及辐板厚度分别取值为155 mm、12.5 mm 以及8.5 mm 时，驱动滚筒各位置应力、位移集中程度有所降低，可确保各位置应力安全系数均在1.5 以上。

3.2 优化后应力分析

对优化后驱动滚筒应力以及位移变化进行模拟，具体结果如图4 所示。从图4 中看出，优化后的驱动滚筒各位置应力分布规律与优化前基本一致，但是应力分布更为均衡，仅有局部位置为应力增高区，应力最大值也较优化前明显降低。模拟发现滚筒轴结构、辐板滚轮以及筒壳位置应力最大值分别为149 MPa、101 MPa 以及91.5 MPa，应力最大值较优化前分别降低41.97%、36.74%以及9.09%，其中轴结构、辐板滚轮应力最大值降低最为明显。通过对驱动滚筒零部件规格尺寸优化后，滚筒各部件安全系数均在1.5 以上，可满足后续使用需要。

图4 改进优化后滚筒各位置应力分布云图

通过对驱动滚筒轴结构、辐板轮毂以及筒壳等结构进行优化，使得驱动滚筒受力更为均衡，各部件出现应力集中程度有所降低。在相同的工作环境下，改进优化后的滚筒运行更为平稳、可靠。

4 现场应用效果分析

采用上文所述驱动滚筒改进优化措施对矿井使用的DTL120 型皮带输送机进行改进优化，并对优化后的皮带输送机驱动滚筒运行情况进行监测。通过监测发现，改进优化后的皮带输送机驱动滚筒运行更为平稳，在监测期间未出现任何故障。对比改进前后驱动滚筒运行情况发现，改进后驱动滚筒综合故障发生率较改进前降低约20%，可在一定程度上降低皮带输送机维护费用，提高皮带输送机运行效率。

5 结论

文章对矿井使用较为广泛的DTL120 皮带输送机结构进行分析，后采用数值模拟技术方法对驱动滚筒受力情况进行模拟分析，并对滚筒结构进行改进优化。具体取得如下成果：

1）根据模拟发现皮带输送机驱动滚筒各位置出现不同程度应力集中、位移集中等问题，同时滚筒轴结构、辐板轮毂安全系数分别为1.38、1.44，安全系数较低，不仅不利于驱动滚筒整体稳定性，而且容易增加滚筒运行故障发生率。

2）根据模拟结果对滚筒各部件结构尺寸进行优化，从而使得滚筒各部件受力更为均衡。将改进后的驱动滚筒进行现场应用并跟踪监测应用效果，结果表明驱动滚筒改进优化效果显著，滚筒运行平稳，故障发生率较改进前降低约20%。