基于ANSYS Workench的带式输送机滚筒轴的优化设计

胡 斌

（山西西山煤电股份有限公司马兰矿机电科， 山西 古交 030205）

引言

煤炭作为国民经济发展的重要能源资源，对人类经济社会的发展提供了巨大的助力，特别是在现代社会对电力、冶金行业需求不断扩大的同时，作为基础动力的煤炭资源的需求剧增，因此各煤矿生产企业不断提升井下煤炭开采效率，为了适应井下复杂的地质环境和大运量的需求，各类型的带式输送机不断投入应用。滚筒作为输送机传递动力和改变方向的机构，在工作时需要承受巨大应力、扭矩，在长期运行时极易在结构强度较弱的地方出现扭曲变形或者断裂，轻者造成输送机系统停机维修，重则造成输送带下滑、煤炭散落甚至人员伤亡事故，因此为了提升输送机滚筒轴的可靠性，迫切需要改变盲目增加安全系数确保滚筒轴工作安全性的方法。本文以某矿用输送机系统的滚筒轴为研究对象，利用仿真软件对其结构强度进行分析，研究滚筒轴结构优化方案，降低滚筒轴质量，提升结构强度[1]。

1 滚筒轴受力分析

输送带在工作时是利用驱动滚筒和输送带之间的摩擦力实现输送带的运行，在摩擦力作用下，输送带的驱动滚筒的输入侧产生张紧，在驱动滚筒的输出侧有一定的松弛，由受力平衡分析可知，输送带在驱动滚筒两侧的张紧力的差值和驱动滚筒作用在输送带上的摩擦力相等，可表示为[1]：

式中：S1为输送带输入侧的张紧力；S2为输送带输出侧的张紧力；Sf为滚筒作用在输送带上的圆周力。

输送带在驱动滚筒的作用下实现圆周运动，其工作状态下输送带内的受力情况如图1所示。

图1 输送机工作时输送带的传动受力图

由图1可知，驱动滚筒在工作时的受力情况与带传动主动轮受力情况一致，由带传动的摩擦驱动理论分析可知，工作时输送带在驱动滚筒两侧分别为紧边和松边，在两侧边应力差值的作用下作用在驱动滚筒上的合力将会是作用在滚筒轴中心线上的一个水平力的分量F及一个力矩T，在其共同作用下，将导致滚筒轴在水平截面内产生一个扭转和弯曲的弯扭组合受力[2]。

滚筒轴在受到弯扭组合作用力的同时，滚筒两端胀套对滚筒轴的作用力分别为F1、F2，滚筒轴两侧的轴承支座会对其产生一个反作用力F3、F4的作用，作用在滚筒轴上的受力如图2所示[2]。

由图2可知，在滚筒轴的2-3段、4-5段所受到的作用力F=（S1+S2）/2，滚筒轴内的弯矩从图示位置2处开始产生，在位置3和位置4之间弯矩保持不变，在位置4处开始减小，直到位置5处弯矩降低为零。由带传动的摩擦驱动理论及输送机工作时的受力平衡[3]可知：

图2 滚筒轴受力结构模型

式中：e为自然对数的底数；α为输送带和驱动滚筒之间的围包角；μ为输送带和驱动滚筒之间的摩擦系数。

作用在滚筒轴上的弯矩M、扭矩T及剪力F可分别表示为：

式中：b为受力点距离滚筒轴端部的距离，取0.419 m；D为受力点处滚筒轴的直径，取1.25 m。

2 滚筒轴的三维建模

本文以某矿用输送机系统的滚筒轴为研究对象，利用CREO三维建模软件建立该滚筒轴的三维模型，将其导入到ANSYS workench仿真分析软件中利用自动网格划分的方法对其进行网格划分，如图3所示。

图3 滚筒轴三维结构模型

3 滚筒轴受力求解分析及仿真

根据输送机系统工作时的负载和受力情况，对输送机滚筒轴在最大受力工况下的应力分布情况进行计算，设 F1=F2=289 kN，利用式（2）、式（3）可得输送带工作时输入侧的张紧力S1=443.67 kN，输送带工作时输出侧的张紧力S2=134.33 kN，通过式（4）、式（5）、式（6）可得在正常工作时滚筒轴所受到的弯矩、扭矩及剪力大小分别为：M=121.06 kN·m，T=193.99 kN·m，F=289 kN。

由分析可知，在工作时作用在滚筒轴上的力主要包括位于滚筒轴端部的扭矩、轴承座对滚筒轴的支撑力、滚筒胀套位置对滚筒轴的力等，在仿真分析时为了简化受力分析，将滚筒轴端部的扭矩作用忽略，仅考虑驱动滚筒对滚筒轴的作用力，仅在驱动滚筒与滚筒轴接触的表面上施加剪切力F1、F2以及扭矩T，在滚筒轴下端施加模拟支撑力F3=F4，在仿真分析时使滚筒轴仅保留在切向旋转[4]，仿真分析结果如图4所示[3]。

图4 滚筒轴应力（Pa）分布云图

在对滚筒轴的结构强度进行校核时，本文采用力第四强度理论进行校核：

可得：

式中：d为滚筒轴的最大处的直径，取360 mm；W为抗弯截面系数。

根据该滚筒轴所采用的材料，校核可知，该轴的最大可承受应力为44.3 MPa，滚筒轴受力下的最大应力集中在安装轴承部位的肩部，其应力集中可达42.8 MPa，滚筒轴中间位置工作时的应力集中最小，仅约21.4 MPa，但该处轴的结构直径为360 mm，存在着结构强度过度，因此由结构计算和仿真分析可知，该滚筒轴在工作时在应力集中处易产生弯曲和折断，因此可通过加强该位置结构，设置圆弧面过度结构实现降低应力集中的目的，同时可减小轴中间位置的直径，实现对滚筒轴质量的减轻[4]。

4 结论

在对滚筒轴在工作时的受力情况进行分析的前提下，利用ANSYS Workench分析软件对滚筒轴工作时的应力集中情况进行了分析，分析结果表明该滚筒轴在轴端部应力集中较为严重，易出现损坏，但在中间位置强度过度导致滚筒轴整体质量增加，因此可通过加强该位置结构，设置圆弧面过度结构实现降低应力集中的目的。通过分析可知，利用三维仿真分析软件能够快速、准确对滚筒轴工作时的受力情况进行分析，针对性地对其结构进行优化，能够在确保在使用安全的前提下大幅降低滚筒轴的结构重量，为后续滚筒轴的结构优化提供了理论指导。