DTL120 型矿用带式输送机滚筒的结构性能研究

冯艳山

（山西焦煤汾西矿业中兴煤业公司， 山西 交城 030500）

引言

随着国家工业水平的快速发展，不同类型的带式输送机凭借其运输方便、生产效率高、噪声小、结构简单等特点被广泛应用到了煤矿开采领域[1]。而滚筒作为带式输送机上的关键部件，保证其具有较高的结构性能及较长的使用寿命，对提高矿用带式输送机的作业效率及安全具有重要作用[2]。随着滚筒在带式输送机上的长时间运行，加上经常受到较大的外界冲击，导致出现滚筒磨损严重、结构变形或开裂故障，滚筒一旦出现故障失效，将会造成设备的停产维修，这将给企业带来巨大的经济损失[3]。因此，找到滚筒使用中薄弱部位，掌握其结构的变形规律，提高滚筒的结构强度，已成为当前企业及设计人员重点关注的问题。而采用有限元分析方法来从理论方面开展滚筒的理论研究，成为当前最为经济、有效的产品设计方法和发展趋势。

1 滚筒的分类

滚筒作为带式输送机中的关键部件，其内部结构由轴承座、轮毂、筒壳、滚筒轴等组成，根据其加工生产方式的不同，可将其分为全焊接结构和铸焊接结构等形式。全焊结构主要是将筒壳、轮毂、轮辐等部件进行焊接，而铸焊接结构主要是将轮辐和轮毂铸造为一体式结构。全焊接式滚筒具有承受载荷力小、制造方便、不易损坏等优点，已在带式输送机中广泛应用。根据轴与轮毂的连接特点，滚筒又分为了键连接和静配合连接，其中配合连接具有传动扭矩大、定心性能好、承载能力高、承受冲击性强等特点。另外，根据滚筒的功能特点，将其分为了改向滚筒和传动滚筒，与改向滚筒相比，传动滚筒能承受较大的外力作用，其表面也能承受较大的反向压力和切向摩擦力作用；为提高其结构的扭矩传递效果，传动滚筒的轴主要通过胀套方式与轮毂进行连接，在带式输送机中应用的较为普遍。传动滚筒由于采用了全焊接方式，在其使用过程中，极易在焊缝位置处出现焊接开裂，以及滚筒磨损严重、内部轴承损坏等问题，需要对其维护或拆卸更换，极大影响了带式输送机的正常作业，失效严重时，也将给设备及生产现场构成严重的安全威胁。因此，实时掌握滚筒在不同工况条件下的结构变形规律，对有效采用相关措施来防止事故发生具有重要作用。

2 滚筒结构分析模型建立

为进一步分析传动滚筒的结构性能，结合DTL120 型矿用带式输送机的结构特点，建立了该输送机中传动滚筒结构分析模型。传动滚筒的外形结构如图所示，所建立的滚筒外壳直径为780 mm，筒壳厚度为20 mm，轮毂430 mm，轮毂长度为140 mm，辐板厚度为20 mm。同时，ABAQUS 软件将所建立的滚筒模型材料设置为Q235 材料钢，其材料的主要性能参数如下页表1 所示。对滚筒进行了网格划分，网格大小设置为10 mm。由于滚筒除了受到胶带的张力和滚筒自身重力作用外，也受到轴端的扭矩作用，故在模型建立过程中，可通过软件自带的SURF154 来法向正压力和切向摩擦力进行设置。另外，利用球坐标约束方式对轴外表面进行了约束，而利用输入端耦合自由度的方法对滚筒绕轴线转动的自由度进行约束限制。滚筒1/2 模型法向正压力图如下页图2 所示。

3 传动滚筒结构性能分析

结合带式输送机的实际工作环境，开展了传动滚筒在无装配预应力和有装配预应力条件下的结构强度变化分析研究。

图1 传动滚筒结构简图

表1 传动滚筒材料主要参数

图2 滚筒1/2 模型法向正压力图

3.1 传动滚筒在无装配预应力的分析

通过建立的传动滚筒仿真模型，得到了滚筒在无装配预应力条件下的结构应力图，如图3 所示。由图可知，整个滚筒结构出现了无规则的应力集中现场，主要集中在辐板与轮毂之间的过渡圆上，且内圆左右两侧的应力值最大，达到了55.307 MPa，并沿外圆呈逐渐降低趋势，辐板上下两端的应力也相对较小。整个滚筒的最大应力控制在其材料的屈服强度范围内。由此，掌握了传动滚筒在无装配预应力条件下的结构变形规律。

图3 滚筒中辐板与轮毂等效应力（MPa）云图

3.2 传动滚筒有装配预应力的分析

图4 为滚筒在有装配预应力条件下的结构应力图。由图可知，滚筒上的胀套、轮毂等不同部件均出现了不同程度的应力集中现象，其中，轮毂上的最大应力为148 MPa，胀套轴上的最大应力为80 MPa，出现在胀套与轴之间的配合连接处，筒壳上的最大应力值出现在与辐板连接处，且沿配合区域呈逐渐减小趋势。针对辐板结构，其应力由一侧向径向呈逐渐减少趋势，到滚筒壳体处呈现缓慢上升趋势。另外，滚筒辐板在预应力作业下呈向外膨胀趋势。由此可知，滚筒上的轮毂结构是整个结构的薄弱部位，一旦滚筒在较大外力且长时间的作业过程中，极容易率先在轮毂部位处出现结构变形或开裂现象，这给滚筒的安全运行构成了重要威胁。

图4 滚筒有装配预应力（MPa）图

4 传动滚筒改进措施及效果分析

4.1 传动滚筒改进措施

结合前文对滚筒不同工况环境下的结构应力变化情况分析可知，传动滚筒的轮毂及辐板是整个结构的薄弱部位，虽其应力强度控制在材料的屈服强度范围内，但在其长期使用过程中，极容易率先在滚筒及辐板部位上出现应力集中现象，严重中会导致其出现结构变形、结构开裂或断裂等故障现象，这给滚筒及带式输送机的作业安全构成了严重威胁。为此，结合传动滚筒结构特点，提出了如下改进措施：

1）将滚筒的材料由当前的Q235 材料改为Q345材料，虽在一定程度会增加材料成本，但与部件的作业安全及更换频率相比，将降低设备的总体费用；

2）在现有辐板厚度基础上，将其厚度增加2mm，并在辐板应力集中较大区域开设φ2mm 的较小圆孔，可有效将辐板上集中的应力转移至圆孔处，减小辐板的应力集中现象；

3）将轮毂的材料设置为45 号钢，以此增加轮毂材料的耐磨性，减小与轴之间的接触摩擦力；

4）将滚筒中的轴承由滚动球轴承改为圆锥轴承，以提升轴承的受力情况及使用寿命；

5）定期对滚筒的磨损及变形情况进行检查维修，添加润滑油，针对出现疲劳失效的滚筒，应及时进行维修更换，以保证带式输送机的使用寿命及作业安全性。

4.2 应用效果评价

结合所提出的传动滚筒改进措施，生产了一批滚筒部件，并将其在DTL120 型矿用带式输送机上进行了安装使用。在为期6 个月的设备使用过程中，与原来的滚筒使用情况相比，改进后的滚筒整体结构的磨损程度及结构变形程度明显减少，滚筒运行时的噪声也明显降低，滚筒的故障情况由原来的将近10 次降低至2 次，带式输送机也因设备维修故障率的降低而使其生产效率提高了将近50%。由此，验证了此研究思路及改进措施具有一定的可靠性及可行性。

5 结论

采用最经济、最有效的方法开展矿用带式输送机滚筒的结构性能研究，成为当前企业重点思考的方向。保证滚筒具有更高的结构性能及降低的故障概率，是降低企业生产成本的关键之一。本文的研究对提升带式输送机的生产效率具有重要作用，为其他部件的性能提升研究提供重要指导。