带式输送机传动滚筒轴强度分析与轻量化设计

田建锋

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

1 概 况

带式输送机是煤炭掘进工作中必不可少的设备之一，承担着煤炭井下输送至井上的重任，可靠性非常重要，一旦出现故障，将会导致井下煤炭掘进工作的停滞停工，影响生产效率。传动滚筒是带式输送机的重要组件，主要由传动滚筒筒壳、滚筒轴和辐板轮毂组成，其中滚筒轴作为滚筒连续转动的支撑与传动部件，是传动滚筒正常工作的关键，必须保证其运行稳定可靠。滚筒轴属于连续运转的部件，结构笨重会导致启动能耗高、提速缓慢等情况，连续运转时的能耗也会增加。针对王坡煤业SSJ1000/180 型带式输送机传动滚筒能耗较高的问题，采用ANSYS 仿真计算软件对其滚筒轴开展强度分析与轻量化设计。

2 有限元仿真分析

王坡煤业SSJ1000/180 型带式输送机传动滚筒为单端驱动滚筒，结构组成形式如图1 所示，包括滚筒轴、轴承、辐板、胀套、筒壳和轮毂等。

图1 传动滚筒结构组成Fig.1 Structure of transmission drum

2.1 三维模型建立

带式输送机传动滚筒的结构较为简单，三维模型的建立直接在ANSYS workbench 有限元仿真计算软件内部完成，为了提高滚筒轴仿真计算的效率，对滚筒轴不影响仿真计算结果的特征进行了简化，如倒角、圆角、沟槽、凸台等。

2.2 材料属性设置

将建立完成的带式输送机传动滚筒三维模型进行材料属性设置。传送滚筒轴的技术资料显示，滚筒轴材料牌号为45 号钢，弹性模量193 GPa，泊松比0.28；辐板轮毂材料牌号为ZG230-450，弹性模量207 GPa，泊松比0.28；胀套材料牌号为40Cr，弹性模量206 GPa，泊松比0.3；筒壳材料牌号为q235，弹性模量200 GPa，泊松比0.29。

2.3 网格划分

材料属性设置完成后进行网格划分，实体原件包括滚筒轴、辐板轮毂和胀套，选择SOLID185 六面体网格形式，将网格单元尺寸设置为4 mm；薄壁壳体结构仅有滚筒筒壳，选择SHELL181 网格形式划分，将网格单元尺寸设置为7 mm。

2.4 约束和载荷

根据王坡煤业SSJ1000/180 型带式输送机实际使用工况进行传动滚筒约束与载荷设置。对滚筒轴的两端设置轴承约束，滚筒连续运转时所受的载荷包括自重、轴端输入扭矩和输送带张力3 部分。自重载荷方向与重力方向相反；轴端输入扭矩转换为沿滚筒切线方向的切向力；滚筒所受的张紧力转换成垂直于轴线的作用力。施加完载荷和约束的传动滚筒如图2 所示。

图2 传动滚筒有限元仿真模型Fig.2 Finite element simulation model of transmission drum

2.5 仿真结果

设置完传动滚筒轴的有限元分析参数之后启动ANSYS workbench 仿真计算软件自带求解器，开始传动滚筒轴的强度计算，计算完成之后进行后处理，提取滚筒轴的等效应力和位移分布云图，如图3 和图4 所示。

图3 滚筒轴等效应力分布云图Fig.3 Cloud map of equivalent stress distribution of roller shaft

图4 滚筒轴位移分布云图Fig.4 Cloud map of drum shaft displacement distribution

由图3 滚筒轴的等效应力分布云图可以看出，最大应力数值为142.09 MPa，存在应力集中现象，位置处于轴与胀套接触处，应力集中出现的原因是滚筒轴工作时属于简支梁，两端由胀套支撑，中间部位受力，同时，轴与胀套接触位置存在截面尺寸的变化。

由图4 滚筒轴位移分布云图可以看出，位移最大数值为0.118 mm，最大位移出现在滚筒轴中段位置上，并且沿着轴线向两端逐渐减小，出现上述变形趋势的原因同样是简支梁结构所致，同时，滚筒中间承受输送带的张紧力较大，变形方向与带式输送机张紧力方向相反。

滚筒轴的材料为45 号钢，极限屈服强度为355 MPa，计算得出的安全系数为2.5，结合实际应用时滚筒轴安全系数约为1.5 的情况，表明滚筒轴的强度设计安全富裕度足够，存在轻量化设计的条件。

3 轻量化设计

根据上述传动滚筒轴强度分析结果，王坡煤业SSJ1000/180 型带式输送机滚筒轴强度安全系数高于实际应用需求，虽然使用安全可靠但存在材料浪费、能源消耗较高的问题，因此有必要开展轻量化设计工作。经过分析研究，将滚筒轴最大直径从100 mm 减小至75 mm。修改滚筒轴三维模型之后再次设置仿真计算参数，验证轻量化设计效果。

运用ANSYS workbench 软件对轻量化改进设计后的滚筒轴进行强度计算，滚筒轴的等效应力分布云图和位移分布云图如图5 和图6 所示。

图5 轻量化滚筒轴等效应力分布云图Fig.5 Equivalent stress distribution of lightweight roller shaft

图6 轻量化滚筒轴位移分布云图Fig.6 Displacement distribution of lightweight roller shaft

由图5 滚筒轴的等效分布云图可以看出，相同约束和载荷条件下，轻量化设计之后的滚筒轴最大应力数值为149.27 MPa，相较于改进之前的142.09 MPa 有所升高，但安全系数为2.24，仍然高于1.5的使用要求。应力集中位置依然出现在轴与胀套接触处，相较于滚筒轴材料45 号钢的极限屈服应力335 MPa，仍然保持了较高的安全性能。

由图6 滚筒轴的位移分布云图可以看出，滚筒轴的最大位移数值为0.29 mm，出现在滚筒轴中段位置上，相较于轻量化之前有所提高，但不明显，满足滚筒轴正常使用的要求。

经计算可以得出，轻量化之前的滚筒轴质量约为92.4 kg，直径降低25 mm 之后的质量约为51.99 kg，降低了43.73%，轻量化设计效果良好。

4 结 论

（1） 滚筒轴作为带式输送机传动滚筒的重要组件之一，其工作的经济性直接关系煤炭企业的经济效益。针对王坡煤业SSJ1000/180 型带式输送机，以其传动滚筒轴为研究对象，借助ANSYS 有限元仿真计算软件，开展了传动滚筒轴的强度分析工作。结果表明，传动滚筒轴的设计强度的安全系数远高于实际使用要求，存在较大的安全裕度，因此将滚筒轴直径由100 mm 降低至75 mm，通过仿真计算得出，传动滚筒轴的强度和刚度均能满足使用要求，质量降低了43.73%，取得了良好的轻量化设计效果。

（2） 由计算结果可以看出，滚筒轴强度安全系数依然存在较大的富余，还具有进一步轻量化改进的条件，但根据笔者多年工作经验，继续降低滚筒轴直径将会增加滚筒使用过程中出现其他故障的风险，因此未继续开展进一步的轻量化设计工作。