礦用帶式輸送機傳動滾筒靜力學分析及其結構優化研究

李 勇，蘇恒瑜，馬 曙

(1.煤炭工業石家莊設計研究院有限公司 貴州分公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州民族大學 建筑工程學院，貴州 貴陽 550000；3.貴州省煤礦設計研究院，貴州 貴陽 550000)

帶式輸送機作為重要的運輸裝備，具有靈活性強、輸送能力強、穩定性好等顯著優勢，在很多領域都有比較廣泛的應用，其中就包括煤礦開采領域[1]。帶式輸送機運行過程的穩定性會對煤礦開采過程產生比較重要的影響，主要是影響煤礦開采效率[2]。滾筒結構是帶式輸送機中最主要的機械結構之一，可以分為傳動滾筒和改向滾筒，其中傳動滾筒承受的作用力比改向滾筒要大得多，因為電機輸出的動力需要通過傳動滾筒帶動膠帶運動[3]。再加上傳動滾筒工作時需要承受循環周期載荷，容易發生疲勞現象，從而加劇材料的損傷。在工程實踐中，傳動滾筒是比較容易出現故障問題的零部件之一[4]?；诖?，有必要對傳動滾筒的受力情況進行分析，并對其結構進行優化改進，以提升結構整體的力學性能，為帶式輸送機的可靠運行奠定堅實的基礎[5]。本文主要以DTL120型帶式輸送機為研究對象，對其傳動滾筒的靜力學情況進行分析，并對其結構進行優化改進，取得了理想的效果。

1 帶式輸送機及其傳動滾筒結構

本文主要以煤礦中比較常用的DTL120型帶式輸送機為研究對象。就機械結構層面而言，帶式輸送機主要由驅動裝置、傳動裝置、驅動滾筒、改向滾筒、上托輥、下托輥、膠帶等部分構成[6]。工作過程中，電機輸出的動力經傳動裝置輸入到驅動滾筒中，驅動滾筒與膠帶之間通過摩擦力帶動膠帶做循環往復運動，放置在膠帶上方的煤礦得以運輸?？梢?，驅動滾筒是比較重要的承力結構件，并且承受的是周期性載荷。DTL120型帶式輸送機傳動滾筒的主要結構如圖1所示。由圖1可知，傳動滾筒內部同樣包含多個機械結構，主要包括軸承、輻板、輪轂、筒殼和脹套等，脹套的作用是確保軸與輻板之間的緊固連接。筒殼為空心結構，受力容易發生變形。由于傳動滾筒工作時需要承受比較復雜的工作力，所以本文主要以該機構為對象進行分析。

圖1 DTL120型帶式輸送機傳動滾筒結構Fig.1 DTL120 belt conveyor drive roller structure

2 傳動滾筒靜力學模型的建立

2.1 幾何模型的建立

利用SolidWorks軟件建立傳動滾筒的三維幾何模型，建模時嚴格按照實際尺寸執行。其中，筒殼寬度、直徑和厚度分別為1 200、500、10 mm，軸的長度為1 600 mm，脹套部位和軸承部位的直徑分別為140 mm和120 mm?？紤]到傳動滾筒實際結構非常復雜，如果嚴格按照實際結構建模，必然會影響計算過程的速度。所以在建立時對一些尺寸較小的結構進行省略處理，比如倒角和倒圓結構等。已有的實踐經驗表明，這種簡化不會對計算結果產生直接影響。

2.2 有限元模型的建立

在SolidWorks軟件中建立的三維模型導入到Ansys軟件中進行后續有限元模型的建立。首先需要進行材料屬性的設置，軸、輻板輪轂、脹套和筒殼使用的材料分別為45鋼、ZG230-450、40Cr、Q235A，查閱材料手冊可知這些材料的物理屬性，見表1。將表1中所列材料物理參數輸入到有限元模型中，以便得到準確的計算結果(圖2)。

表1 傳動滾筒主要結構的材料屬性Tab.1 Material properties of the main structure of drive drum

圖2 基于Ansys軟件建立的傳動滾筒有限元模型Fig.2 Finite element model of transmission drum based on Ansys software

網格劃分同樣是有限元建模中非常關鍵和重要的環節，會對計算過程和結果產生比較重要的影響。網格劃分越細，所得結果愈加精確，但是過細的網格會延長計算過程，甚至導致計算過程不收斂，無法得到理想的結果；網格越大意味著結果精度越低，但計算過程越快[7]。所以在實踐中需要結合實際情況合理選擇網格單元的尺寸。Ansys軟件中自帶有多種類型的網格單元，這里選用比較常見的六面體單元類型進行劃分，網格邊長基于軟件進行自動確定，最終劃分得到的單元數量和節點數量分別為19 342和21 289個。

3 傳動滾筒的靜力學分析結果

3.1 傳動滾筒的應力分布情況

在Ansys有限元軟件中建立好對應的模型以后，可以調用軟件中內置的求解器對模型進行分析和計算，完成計算工作后可利用后處理器對結果進行分析[8]。本文主要對傳動滾筒的應力和位移變形情況進行統計分析。通過對主要零部件的應力和位移變形情況分析，可以清晰地判斷傳動滾筒工作時的危險位置，為結構優化改進提供理論依據。

帶式輸送機傳動滾筒中軸、筒殼和輻板輪轂的應力分布云圖如圖3所示。由圖3可知，傳動滾筒內部不同結構件的應力分布存在明顯的差異。其中，軸的應力值最大，其次為輻板輪轂，筒殼的應力相對較小。原因在于軸、輻板輪轂、筒殼的直徑依次增大，而各個零件承受的力矩相差不大，所以上述3個零件的受力情況依次降低。另外，即便在同一個零件內部不同位置的應力分布也呈現出嚴重的不均勻性。絕大部分部位的應力相對較小，但是每個零件局部位置都出現了明顯的應力集中現象。其中，軸結構的最大應力值為257.23 MPa，出現的位置為與脹套發生接觸的部位；筒殼結構的最大應力值為100.65 MPa，出現的位置為與輻板輪轂相接觸的部位，與膠帶相接觸的部位應力相對較小，因為筒殼與膠帶之間主要發生摩擦實現力的傳遞，接觸面積較大；輻板輪轂結構的最大應力值為159.40 MPa，出現的位置為輻板與輪轂相接觸的部位，主要是因為輻板的厚度相對較小，特別容易出現應力集中現象。

圖3 傳動滾筒主要結構件的受力云圖Fig.3 Force cloud diagram of the main structural parts of the transmission drum

3.2 傳動滾筒的位移變形分布情況

帶式輸送機傳動滾筒中軸、筒殼和輻板輪轂的位移變形分布云圖如圖4所示。

圖4 傳動滾筒主要結構件的位移變形云圖Fig.4 Deformation cloud diagram of the main structural parts of the transmission drum

由圖4可知，傳動滾筒中不同的結構件位移變形情況存在一定的差異，其中筒殼的位移變形情況最為顯著，其次為輻板輪轂，位移變形量最小的是軸結構。另外，相同結構件內部不同位置的位移變形量也存在明顯的差異。每個結構件局部位置都出現了明顯的位移變形集中現象。軸結構的最大位移變形量為0.12 mm，出現的位置為中部區域，越往兩端位移變形量越??；筒殼結構的最大位移變形量為0.38 mm，出現的區域同樣位于結構中部位置，越往兩端靠近，位移變形量越小，主要是因為筒殼處于懸空狀態，中部區域沒有支撐所以容易發生變形；輻板輪轂結構最大位移變形量為0.22 mm，出現的位置為輻板與筒殼相接觸的區域。

3.3 傳動滾筒的安全系數校核

傳動滾筒中主要的結構件軸、筒殼和輻板輪轂，其使用時的安全系數通常要求達到1.5，其中安全系數為材料的屈服強度與實際受力情況之間的比值[9]。以上3個結構件的生產制作材料分別為45鋼、Q235A和ZG230-450，查閱材料手冊可知，這3種材料的屈服強度分別為355、235、230 MPa?；谝陨响o力學分析結果可知，3種結構件的最大應力分別為257.23、100.65、159.40 MPa。雖然最大應力值均沒有超過對應材料的屈服強度，但是可以計算得到其實際安全系數分別為1.38、2.33、1.44，傳動滾筒主要結構件的安全系數如圖5所示。由圖5可以看出，軸和輻板輪轂的安全系數均小于基本要求1.5，只有筒殼的安全系數達到了實際使用需要。

圖5 傳動滾筒主要結構件的安全系數Fig.5 Safety factor of the main structural parts of the transmission drum

對于傳動滾筒中使用的筒殼，除了應力方面的要求以外，對位移變形情況也有特殊要求。通常筒殼的最大位移變形量不得超過筒殼直徑與膠帶寬度之間的比值。DTL120型帶式輸送機的筒殼直徑為500 mm，膠帶寬度為1 200 mm，兩者之間的比值為0.416 6。筒殼的最大位移變形量為0.38 mm，沒有超過要求值。所以傳滾筒結構相對比較安全，但是傳動滾筒的實際變形量與要求之間比較接近，仍然有進一步優化改進的空間。

4 傳動滾筒結構的優化改進與應用

4.1 優化改進方案

基于以上分析可以看出，傳動滾筒的軸、輻板輪轂的應力集中現象比較明顯，導致零件的安全系數較低，另外筒殼的未變形量相對較大?；诖?，有必要對傳動滾筒的結構進行優化改進，以降低零件的應力和位移變形量，提設備運行過程的可靠性和穩定性。由于DTL120型帶式輸送機的整體結構已經固定，所以在對傳動滾筒進行優化改進時，不得進行較大范圍的改動[10]?？紤]以上因素，本研究主要對傳動滾筒中主要的零部件尺寸進行優化，提升零件整體的剛性和強度。

(1)優化變量選擇。傳動滾筒中主要是軸、輻板和筒殼零件出現了明顯的應力集中或者位移變形集中現象，因此在對結構件進行優化改進時，以上述3個零件的關鍵尺寸為優化變量，開展優化改進工作。主要的思路是優化以上零部件的直徑或者厚度，以提升整體的剛度和強度，減小零件承受的應力和位移變形量?？紤]到軸結構與脹套接觸的部位出現了應力集中，所以以該位置直徑為優化變量。傳動滾筒的優化變量及其變化范圍見表2。

表2 優化變量及其變化范圍Tab.2 Optimize variables and their range of change

(2)優化約束條件。開展優化改進工作最主要的約束條件是傳動滾筒中主要零件的最大應力值，至少應該滿足安全系數高于1.5的基本條件。前文已經給出了軸、輻板和筒殼3種材料的屈服強度，根據安全系數可以計算得到以上3種零件工作時的最大應力值，分別為236、153、156 MPa。在開展優化改進工作時，確保3個零件的最大應力值不超過對應的臨界值。另一方面，考慮到傳動滾筒的生產制作成本，要求在保障基本約束條件的基礎上，傳動滾筒的整體質量最小，即需要將3個零件的各項尺寸控制在最小水平。優化改進工作基于Ansys軟件完成，根據上述尺寸變化范圍，利用軟件建立對應的有限元模型，并計算得到結果。通過對結果比較分析，確定最優結構尺寸。

4.2 優化改進結果

完成優化改進工作后，Ansys軟件給出了對應的優化改進結果。其中軸直徑、輻板厚度和筒殼厚度分別為155.0、8.5、12.5 mm。與原始的尺寸相比較而言，通過優化改進使得主要零件的結構尺寸均出現了不同程度的變化。優化改進后帶式輸送機傳動滾筒主要零件的應力分布云圖如圖6所示。由圖6可知，軸、筒殼和輻板輪轂整體的應力分布規律與優化改進前相比較，變化不大。整體的應力分布不均勻，大部分位置的應力相對較小，只有局部位置出現了應力集中現象。但是最大應力值與優化改進前相比有了一定程度的降低。其中，軸、筒殼和輻板輪轂的最大應力分別降低到了149.27、91.50、100.83 MPa，降低幅度分別為41.97%、9.09%和36.74%，可以看出軸和輻板輪轂的降低量相對較大。更重要的是，優化改進后3個零件的安全系數全部高于1.5，完全能夠滿足實際使用需要。

圖6 優化改進后傳動滾筒主要零件的應力分布云圖Fig.6 Stress distribution cloud diagram of main parts of transmission drum after improvement

優化改進后帶式輸送機傳動滾筒主要零件的位移變形分布云圖如圖7所示。由圖7可知，3個主要零件的位移變形分布規律與優化改進之前相比較基本類似。不同零件之間以及相同零件不同區域之間的位移變形情況呈現出很大的不均勻性。大部分部位的位移變形量相對較小，只有局部位置出現了比較明顯的位移變形現象。其中，軸和筒殼2個零件中部位置的位移變形量越大，與中心部位距離越遠對應的變形量越??；輻板中與筒殼相接觸的部位位移變形量最大。但是與優化改進前相比較，由于各個零件的關鍵尺寸有所增大，剛性有所增強，所以最大位移變形量均出現了不同程度的降低。優化后，軸、筒殼、輻板輪轂的最大位移變形量分別為0.11、0.35、0.20 mm，降低幅度分別為5.00%、7.03%和11.50%。

圖7 優化改進后傳動滾筒主要零件的位移變形分布云圖Fig.7 Deformation distribution cloud diagram of main parts of transmission drum after optimization and improvement

綜上，通過對軸、筒殼和輻板輪轂進行結構優化改進，帶式輸送機傳動滾筒整體的受力情況得到明顯的改善，位移變形情況也有了一定程度的降低。在相同的工作環境下，優化改進后的傳動滾筒運行過程必然會更加可靠與穩定。

4.3 應用效果分析

基于上文所述的優化改進方案，對DTL120型帶式輸送機傳動滾筒進行技術改造，并對其實際運行效果進行連續3個月的測試。結果發現，傳動滾筒整體運行情況良好，相對比較穩定，整個測試期間沒有出現明顯的故障問題。此次傳動滾筒技術改造工作，在一定程度上提升了帶式輸送機運行過程的可靠性。分析優化改造前后帶式輸送機故障率發現，優化后設備的故障率降低了20%以上，為煤礦企業節省了大量的設備維護、保養、維修成本，創造了良好的經濟效益。此次針對DTL120型帶式輸送機傳動滾筒的分析與優化改進工作，達到了預期效果，獲得了相關技術人員的一致好評。

5 結論

本文主要以DTL120型帶式輸送機為研究對象，對其傳動滾筒的靜力學進行分析，同時對結構進行優化改進。所得結論主要如下。

(1)基于SolidWorks和Ansys軟件建立了傳動滾筒的有限元模型，根據模型分析結果發現，主要零部件存在應力集中和位移變形集中現象，不利于傳動滾筒運行過程的穩定性，會增加零件運行時的故障率。

(2)利用Ansys軟件，以軸、筒殼和輻板的主要尺寸為優化變量，以上述零件的安全系數為約束條件，開展優化改進工作。優化改進后零件的主要尺寸有了一定程度的增加，使得應力分布和位移變形分布情況有所改善。

(3)基于設計的優化改進方案，對DTL120型帶式輸送機傳動滾筒開展技術改造工作，對改造后的設備進行3個月的實踐測試，發現整體運行穩定良好，為設備的穩定運行奠定了堅實的基礎，也為煤礦企業創造了良好的經濟效益。