李 勇，蘇恒瑜，馬 曙

(1.煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計(jì)研究院有限公司 貴州分公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州民族大學(xué) 建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550000；3.貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550000)

帶式輸送機(jī)作為重要的運(yùn)輸裝備，具有靈活性強(qiáng)、輸送能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)勢(shì)，在很多領(lǐng)域都有比較廣泛的應(yīng)用，其中就包括煤礦開采領(lǐng)域[1]。帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)煤礦開采過程產(chǎn)生比較重要的影響，主要是影響煤礦開采效率[2]。滾筒結(jié)構(gòu)是帶式輸送機(jī)中最主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一，可以分為傳動(dòng)滾筒和改向滾筒，其中傳動(dòng)滾筒承受的作用力比改向滾筒要大得多，因?yàn)殡姍C(jī)輸出的動(dòng)力需要通過傳動(dòng)滾筒帶動(dòng)膠帶運(yùn)動(dòng)[3]。再加上傳動(dòng)滾筒工作時(shí)需要承受循環(huán)周期載荷，容易發(fā)生疲勞現(xiàn)象，從而加劇材料的損傷。在工程實(shí)踐中，傳動(dòng)滾筒是比較容易出現(xiàn)故障問題的零部件之一[4]。基于此，有必要對(duì)傳動(dòng)滾筒的受力情況進(jìn)行分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提升結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能，為帶式輸送機(jī)的可靠運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。本文主要以DTL120型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其傳動(dòng)滾筒的靜力學(xué)情況進(jìn)行分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，取得了理想的效果。

1 帶式輸送機(jī)及其傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)

本文主要以煤礦中比較常用的DTL120型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象。就機(jī)械結(jié)構(gòu)層面而言，帶式輸送機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒、上托輥、下托輥、膠帶等部分構(gòu)成[6]。工作過程中，電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)裝置輸入到驅(qū)動(dòng)滾筒中，驅(qū)動(dòng)滾筒與膠帶之間通過摩擦力帶動(dòng)膠帶做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，放置在膠帶上方的煤礦得以運(yùn)輸?？梢?，驅(qū)動(dòng)滾筒是比較重要的承力結(jié)構(gòu)件，并且承受的是周期性載荷。DTL120型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，傳動(dòng)滾筒內(nèi)部同樣包含多個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，受力容易發(fā)生變形。由于傳動(dòng)滾筒工作時(shí)需要承受比較復(fù)雜的工作力，所以本文主要以該機(jī)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行分析。

圖1 DTL120型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)Fig.1 DTL120 belt conveyor drive roller structure

2 傳動(dòng)滾筒靜力學(xué)模型的建立

2.1 幾何模型的建立

利用SolidWorks軟件建立傳動(dòng)滾筒的三維幾何模型，建模時(shí)嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸執(zhí)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(dòng)滾筒實(shí)際結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，如果嚴(yán)格按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建模，必然會(huì)影響計(jì)算過程的速度。所以在建立時(shí)對(duì)一些尺寸較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行省略處理，比如倒角和倒圓結(jié)構(gòu)等。已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，這種簡化不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)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(dǎo)入到Ansys軟件中進(jìn)行后續(xù)有限元模型的建立。首先需要進(jìn)行材料屬性的設(shè)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(cè)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(shù)輸入到有限元模型中，以便得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果(圖2)。

表1 傳動(dòng)滾筒主要結(jié)構(gòu)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(dòng)滾筒有限元模型Fig.2 Finite element model of transmission drum based on Ansys software

網(wǎng)格劃分同樣是有限元建模中非常關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)，會(huì)對(duì)計(jì)算過程和結(jié)果產(chǎn)生比較重要的影響。網(wǎng)格劃分越細(xì)，所得結(jié)果愈加精確，但是過細(xì)的網(wǎng)格會(huì)延長計(jì)算過程，甚至導(dǎo)致計(jì)算過程不收斂，無法得到理想的結(jié)果；網(wǎng)格越大意味著結(jié)果精度越低，但計(jì)算過程越快[7]。所以在實(shí)踐中需要結(jié)合實(shí)際情況合理選擇網(wǎng)格單元的尺寸。Ansys軟件中自帶有多種類型的網(wǎng)格單元，這里選用比較常見的六面體單元類型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格邊長基于軟件進(jìn)行自動(dòng)確定，最終劃分得到的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為19 342和21 289個(gè)。

3 傳動(dòng)滾筒的靜力學(xué)分析結(jié)果

3.1 傳動(dòng)滾筒的應(yīng)力分布情況

在Ansys有限元軟件中建立好對(duì)應(yīng)的模型以后，可以調(diào)用軟件中內(nèi)置的求解器對(duì)模型進(jìn)行分析和計(jì)算，完成計(jì)算工作后可利用后處理器對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析[8]。本文主要對(duì)傳動(dòng)滾筒的應(yīng)力和位移變形情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過對(duì)主要零部件的應(yīng)力和位移變形情況分析，可以清晰地判斷傳動(dòng)滾筒工作時(shí)的危險(xiǎn)位置，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)提供理論依據(jù)。

帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒中軸、筒殼和輻板輪轂的應(yīng)力分布云圖如圖3所示。由圖3可知，傳動(dòng)滾筒內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布存在明顯的差異。其中，軸的應(yīng)力值最大，其次為輻板輪轂，筒殼的應(yīng)力相對(duì)較小。原因在于軸、輻板輪轂、筒殼的直徑依次增大，而各個(gè)零件承受的力矩相差不大，所以上述3個(gè)零件的受力情況依次降低。另外，即便在同一個(gè)零件內(nèi)部不同位置的應(yīng)力分布也呈現(xiàn)出嚴(yán)重的不均勻性。絕大部分部位的應(yīng)力相對(duì)較小，但是每個(gè)零件局部位置都出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中，軸結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為257.23 MPa，出現(xiàn)的位置為與脹套發(fā)生接觸的部位；筒殼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為100.65 MPa，出現(xiàn)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(yīng)力相對(duì)較小，因?yàn)橥矚づc膠帶之間主要發(fā)生摩擦實(shí)現(xiàn)力的傳遞，接觸面積較大；輻板輪轂結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為159.40 MPa，出現(xiàn)的位置為輻板與輪轂相接觸的部位，主要是因?yàn)檩棸宓暮穸认鄬?duì)較小，特別容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 傳動(dòng)滾筒主要結(jié)構(gòu)件的受力云圖Fig.3 Force cloud diagram of the main structural parts of the transmission drum

3.2 傳動(dòng)滾筒的位移變形分布情況

帶式輸送機(jī)傳動(dòng)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(dòng)滾筒主要結(jié)構(gòu)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(dòng)滾筒中不同的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。另外，相同結(jié)構(gòu)件內(nèi)部不同位置的位移變形量也存在明顯的差異。每個(gè)結(jié)構(gòu)件局部位置都出現(xiàn)了明顯的位移變形集中現(xiàn)象。軸結(jié)構(gòu)的最大位移變形量為0.12 mm，出現(xiàn)的位置為中部區(qū)域，越往兩端位移變形量越??；筒殼結(jié)構(gòu)的最大位移變形量為0.38 mm，出現(xiàn)的區(qū)域同樣位于結(jié)構(gòu)中部位置，越往兩端靠近，位移變形量越小，主要是因?yàn)橥矚ぬ幱趹铱諣顟B(tài)，中部區(qū)域沒有支撐所以容易發(fā)生變形；輻板輪轂結(jié)構(gòu)最大位移變形量為0.22 mm，出現(xiàn)的位置為輻板與筒殼相接觸的區(qū)域。

3.3 傳動(dòng)滾筒的安全系數(shù)校核

傳動(dòng)滾筒中主要的結(jié)構(gòu)件軸、筒殼和輻板輪轂，其使用時(shí)的安全系數(shù)通常要求達(dá)到1.5，其中安全系數(shù)為材料的屈服強(qiáng)度與實(shí)際受力情況之間的比值[9]。以上3個(gè)結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制作材料分別為45鋼、Q235A和ZG230-450，查閱材料手冊(cè)可知，這3種材料的屈服強(qiáng)度分別為355、235、230 MPa?；谝陨响o力學(xué)分析結(jié)果可知，3種結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力分別為257.23、100.65、159.40 MPa。雖然最大應(yīng)力值均沒有超過對(duì)應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度，但是可以計(jì)算得到其實(shí)際安全系數(shù)分別為1.38、2.33、1.44，傳動(dòng)滾筒主要結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)如圖5所示。由圖5可以看出，軸和輻板輪轂的安全系數(shù)均小于基本要求1.5，只有筒殼的安全系數(shù)達(dá)到了實(shí)際使用需要。

圖5 傳動(dòng)滾筒主要結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)Fig.5 Safety factor of the main structural parts of the transmission drum

對(duì)于傳動(dòng)滾筒中使用的筒殼，除了應(yīng)力方面的要求以外，對(duì)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(jī)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(jié)構(gòu)相對(duì)比較安全，但是傳動(dòng)滾筒的實(shí)際變形量與要求之間比較接近，仍然有進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的空間。

4 傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)與應(yīng)用

4.1 優(yōu)化改進(jìn)方案

基于以上分析可以看出，傳動(dòng)滾筒的軸、輻板輪轂的應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，導(dǎo)致零件的安全系數(shù)較低，另外筒殼的未變形量相對(duì)較大。基于此，有必要對(duì)傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以降低零件的應(yīng)力和位移變形量，提設(shè)備運(yùn)行過程的可靠性和穩(wěn)定性。由于DTL120型帶式輸送機(jī)的整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，所以在對(duì)傳動(dòng)滾筒進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，不得進(jìn)行較大范圍的改動(dòng)[10]。考慮以上因素，本研究主要對(duì)傳動(dòng)滾筒中主要的零部件尺寸進(jìn)行優(yōu)化，提升零件整體的剛性和強(qiáng)度。

(1)優(yōu)化變量選擇。傳動(dòng)滾筒中主要是軸、輻板和筒殼零件出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中或者位移變形集中現(xiàn)象，因此在對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，以上述3個(gè)零件的關(guān)鍵尺寸為優(yōu)化變量，開展優(yōu)化改進(jìn)工作。主要的思路是優(yōu)化以上零部件的直徑或者厚度，以提升整體的剛度和強(qiáng)度，減小零件承受的應(yīng)力和位移變形量?？紤]到軸結(jié)構(gòu)與脹套接觸的部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中，所以以該位置直徑為優(yōu)化變量。傳動(dòng)滾筒的優(yōu)化變量及其變化范圍見表2。

表2 優(yōu)化變量及其變化范圍Tab.2 Optimize variables and their range of change

(2)優(yōu)化約束條件。開展優(yōu)化改進(jìn)工作最主要的約束條件是傳動(dòng)滾筒中主要零件的最大應(yīng)力值，至少應(yīng)該滿足安全系數(shù)高于1.5的基本條件。前文已經(jīng)給出了軸、輻板和筒殼3種材料的屈服強(qiáng)度，根據(jù)安全系數(shù)可以計(jì)算得到以上3種零件工作時(shí)的最大應(yīng)力值，分別為236、153、156 MPa。在開展優(yōu)化改進(jìn)工作時(shí)，確保3個(gè)零件的最大應(yīng)力值不超過對(duì)應(yīng)的臨界值。另一方面，考慮到傳動(dòng)滾筒的生產(chǎn)制作成本，要求在保障基本約束條件的基礎(chǔ)上，傳動(dòng)滾筒的整體質(zhì)量最小，即需要將3個(gè)零件的各項(xiàng)尺寸控制在最小水平。優(yōu)化改進(jìn)工作基于Ansys軟件完成，根據(jù)上述尺寸變化范圍，利用軟件建立對(duì)應(yīng)的有限元模型，并計(jì)算得到結(jié)果。通過對(duì)結(jié)果比較分析，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

4.2 優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果

完成優(yōu)化改進(jìn)工作后，Ansys軟件給出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)結(jié)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(yōu)化改進(jìn)使得主要零件的結(jié)構(gòu)尺寸均出現(xiàn)了不同程度的變化。優(yōu)化改進(jìn)后帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒主要零件的應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律與優(yōu)化改進(jìn)前相比較，變化不大。整體的應(yīng)力分布不均勻，大部分位置的應(yīng)力相對(duì)較小，只有局部位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。但是最大應(yīng)力值與優(yōu)化改進(jìn)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(yīng)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(duì)較大。更重要的是，優(yōu)化改進(jìn)后3個(gè)零件的安全系數(shù)全部高于1.5，完全能夠滿足實(shí)際使用需要。

圖6 優(yōu)化改進(jìn)后傳動(dòng)滾筒主要零件的應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress distribution cloud diagram of main parts of transmission drum after improvement

優(yōu)化改進(jìn)后帶式輸送機(jī)傳動(dòng)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(gè)主要零件的位移變形分布規(guī)律與優(yōu)化改進(jìn)之前相比較基本類似。不同零件之間以及相同零件不同區(qū)域之間的位移變形情況呈現(xiàn)出很大的不均勻性。大部分部位的位移變形量相對(duì)較小，只有局部位置出現(xiàn)了比較明顯的位移變形現(xiàn)象。其中，軸和筒殼2個(gè)零件中部位置的位移變形量越大，與中心部位距離越遠(yuǎn)對(duì)應(yīng)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(yōu)化改進(jìn)前相比較，由于各個(gè)零件的關(guān)鍵尺寸有所增大，剛性有所增強(qiáng)，所以最大位移變形量均出現(xiàn)了不同程度的降低。優(yōu)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(yōu)化改進(jìn)后傳動(dòng)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(duì)軸、筒殼和輻板輪轂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，帶式輸送機(jī)傳動(dòng)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(huán)境下，優(yōu)化改進(jìn)后的傳動(dòng)滾筒運(yùn)行過程必然會(huì)更加可靠與穩(wěn)定。

4.3 應(yīng)用效果分析

基于上文所述的優(yōu)化改進(jìn)方案，對(duì)DTL120型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒進(jìn)行技術(shù)改造，并對(duì)其實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行連續(xù)3個(gè)月的測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)滾筒整體運(yùn)行情況良好，相對(duì)比較穩(wěn)定，整個(gè)測(cè)試期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。此次傳動(dòng)滾筒技術(shù)改造工作，在一定程度上提升了帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程的可靠性。分析優(yōu)化改造前后帶式輸送機(jī)故障率發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后設(shè)備的故障率降低了20%以上，為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)、維修成本，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。此次針對(duì)DTL120型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的分析與優(yōu)化改進(jìn)工作，達(dá)到了預(yù)期效果，獲得了相關(guān)技術(shù)人員的一致好評(píng)。

5 結(jié)論

本文主要以DTL120型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其傳動(dòng)滾筒的靜力學(xué)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。所得結(jié)論主要如下。

(1)基于SolidWorks和Ansys軟件建立了傳動(dòng)滾筒的有限元模型，根據(jù)模型分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主要零部件存在應(yīng)力集中和位移變形集中現(xiàn)象，不利于傳動(dòng)滾筒運(yùn)行過程的穩(wěn)定性，會(huì)增加零件運(yùn)行時(shí)的故障率。

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

(3)基于設(shè)計(jì)的優(yōu)化改進(jìn)方案，對(duì)DTL120型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒開展技術(shù)改造工作，對(duì)改造后的設(shè)備進(jìn)行3個(gè)月的實(shí)踐測(cè)試，發(fā)現(xiàn)整體運(yùn)行穩(wěn)定良好，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。