矿用带式输送机滚筒结构性能的研究

张春生

（霍州煤电集团汾源煤业有限公司，山西 静乐 034000）

引言

煤矿的现场开采任务中，矿用带式输送机是所开采煤矿负责运输的重要设备，其设备的高效性能直接影响着整个煤矿的开采效率[1]。但由于井下环境相对恶劣，经常会有大量的粉煤灰聚集，加之所运输煤矿重量不统一，设备中的滚筒及皮带经常会有较大的冲击载荷作用，导致设备在运行时经常出现电机烧坏、皮带磨损严重、滚筒变形或开裂等失效现象，一旦设备出现故障无法运转，将严重影响煤矿的开采量及现场作业安全[2]。通过更加有效的方法对带式输送机中关键部件结构性能进行分析研究，已成为当前的重要任务。为此，以滚筒为分析对象，采用了有限元分析方法，开展了滚筒在使用过程中的结构性能研究，并对滚筒的结构提出了优化改进措施，这对提高滚筒的使用寿命、保证带式输送机的作业安全具有重要意义。

1 带式输送机结构特点分析

带式输送机是煤矿开采中三大开采设备之一，其结构主要包括了滚筒、驱动电机皮带、导向滚筒、拉紧滚筒、拉紧装置、紧绳装置、上托辊、下托辊、电机等组成。其中，滚筒是带式输送机中的重要部件，与皮带进行配合，在驱动电机的驱动作用下，能实现将皮带上的煤矿运输至指定地点[3]。根据滚筒的功能特点，可将其分为驱动滚筒、改向滚筒、轻型滚筒、中型滚筒、重型滚筒等类型。带式输送机中滚筒结构复杂，包含各类胀套连接和焊接结构，主要分为键连接、胀套连接全焊结构，除此之外还包括铸焊结构。其中带加强环柱焊结构是目前常用的超重型滚筒类型，极大地提高了滚筒的输送效率。滚筒在实际过程中会出现筒壳磨损严重、焊缝开裂、滚筒外壳磨损、辐板变形等失效现象，分析其原因为滚筒在使用过程中受到了来自外部的不均匀冲击载荷作用，导致滚筒的局部区域出现了较大的结构变形现象，严重影响着带式输送机的作业效率[4]。为此，有必要采用有限元分析方法对其结构性能进行分析研究。

2 滚筒模型建立

2.1 滚筒三维模型建立

滚筒作为带式输送机中的关键部件，掌握其结构在使用中的结构性能，对保障带式输送机的高效运行至关重要。为此，采用了SOLIWORKS 软件，对滚筒进行了三维模型建立，在建模过程中主要对滚筒的外壳、滚筒筋板、内壳及轴承安装座等特征进行了模型建立，并对模型中的圆角、倒角、过渡圆弧等特征进行了模型简化[5]，仅保留了滚筒中的关键特征，按照滚筒的1∶1 模型比例，完成了滚筒的三维模型建立，如图1 所示。

图1 滚筒三维模型

2.2 滚筒仿真模型建立

在完成滚筒的三维模型建立后，采用了ABAQUS 软件，开展了滚筒仿真模型的建立。在建模中，将滚筒的材料设置为了Q235 材料，其弹性模型为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，材料密度设置为7 850 kg/m3，材料的屈服强度为235 MPa，并将材料的各项参数赋予至模型中[6]。同时，根据滚筒的模型结构特点，将其模型类型设置为solid 实体单元类型，并对其进行了网格划分，网格大小设置为12 mm，同时，将滚筒中的旋转轴添加至滚筒中，滚筒的网格划分如图2 所示。另外，根据滚筒的实际使用特点，在软件中将其摩擦系数设置为了0.35，最大紧边张紧力设置为1 950 kN，松边张力设置为1 000 kN。由此完成了滚筒仿真模型的建立。

图2 滚筒的网格划分图

3 滚筒结构性能分析

3.1 滚筒应力变化分析

根据所建立的滚筒仿真结果，得到了滚筒在使用过程中的应力变化图，如图3 所示。由图可知，整个滚筒结构上的应力分布相对不均匀，在滚筒的外壳的中部及左右两侧的加强筋板上均出现了较大的应力集中现象，在滚筒的内壳体及两端的轴承安装座上也出现了一定的应力集中现象，但相对较低。滚筒出现此现象的原因为滚筒的外壳中部在使用时受到了较大的外界载荷作用，由于滚筒中部为中空结构，故作用力传递至了滚筒的左右两端筋板及内壳上。此受力规律与理论分析结果基本相似。由此可知，滚筒的左右筋板及外壳中部是整个结构的薄弱部位，在设计及实际使用时需重点考虑。

图3 滚筒的应力变化图

3.2 滚筒结构位移分析

通过仿真分析，得到了滚筒在使用过程中的位移变形图，如图4 所示。由图可知，滚筒整体也出现了较为明显的结构变形，最大变形位移发生在滚筒外壳的中部区域，呈现向内压变形状态，外壳的其他区域变形量也相对较大；沿着滚筒轴中心方向，变形量呈逐渐减少的变化趋势，滚筒的左右筋板外端变形量也相对较大。出现此现象的原因为滚筒在运行过程中首先是外壳受到较大的外部冲击作用而发生了向内变形，通过外壳传递至滚筒的其他区域，此规律与滚筒的应力变化规律相同，也验证了此研究的正确性。由此可知，滚筒的外壳在使用过程中将首先在外壳率先接触区域出现较大幅度的变形，是整个结构的薄弱部位。一旦滚筒外壳出现了结构严重变形或开裂等失效现象，滚筒将无法运行，甚至会使皮带出现断裂风险，需对滚筒进行优化改进。

图4 滚筒的位移变化图

4 滚筒结构优化改进

根据前文分析，滚筒在实际使用过程中，其滚筒的外壳中部接触区域及左右筋板均出现了较大的应力集中及结构变形，是整个结构的薄弱部位，为提高滚筒的使用寿命，需对其进行结构优化改进设计。

1）将滚筒外壳的厚度在现有基础上增加2 mm，并在滚筒外壳与内壳之间的中间区域增加加强筋结构，保证外壳中部具有一定的支撑作用，提高外壳的结构强度；

2）将左右筋板的厚度增加2 mm，将筋板的高度增加2 mm，并根据滚筒的结构特点，适当增加筋板的数量，以保证左右筋板具有更高的结构强度；

3）将滚筒的材料由Q235 改为Q345 材料，增加滚筒材料的屈服强度，在同等设计条件下可有效增加滚筒的结构强度及受力情况。

4）针对滚筒外壳，可在其滚圆加工时对其进行淬火及调质处理，以提高材料的结构刚度，减少外壳的整体变形；

5）与滚筒配套的轴承选用承力更好的轴承，并定时对轴承及中间轴等区域添加润滑油，减小滚筒与轴承之间的摩擦，降低滚筒的摩擦损坏。

5 结语

由于煤矿井下环境恶劣，时刻会因各类因素影响而发生无规律的变化，这对设备中部件的使用寿命造成了重要影响，可能大大降低部件的寿命。采用最有效的有限元分析方法对部件的结构性能进行分析研究，掌握其部件的变化规律，已是当前提高设备寿命的重要手段。为此，通过建立矿用带式输送机中滚筒的仿真模型，开展了滚筒在使用过程中的应力及结构位移研究，得出“滚筒的外壳接触部位及左右筋板是整个结构的薄弱部位，极容易率先发生失效现象”的结论。由此从结构尺寸、结构布局、材料属性、热处理加工工艺等方面提出了滚筒的优化改进措施，这对以后提高滚筒的结构性能及使用寿命起到了重要指导参考。