永磁滚筒驱动带式输送机驱动架强度分析

邓宗岳，高海生，于歆婷

1沈阳职业技术学院 辽宁沈阳 110045

2沈阳煤业 (集团) 机械制造有限公司 辽宁沈阳 110123

带 式输送机是煤炭生产企业重要的运输设备，其输送量及运行稳定性和安全性对煤矿的经济效益产生重要影响[1]。传统的带式输送机普遍采用三相异步电动机加耦合器和减速器的驱动方案。随着国家对节能环保的要求逐渐提高，以及对现代化矿井、智能化矿井的建设需求，永磁同步电动滚筒作为驱动滚筒的优势越来越明显。沈阳煤业集团下属某矿井出于节省井下空间及节能提效的考虑，提出了永磁滚筒驱动带式输送机的驱动方案。

1 永磁同步电滚筒驱动方案及优势

传统的电动机加耦合器和减速器驱动形式，机械传动环节多、效率低，同时由于电动机和减速器外接于驱动滚筒，增加了驱动部的宽度，占用了井下宝贵的空间。永磁同步电滚筒驱动形式则取消了减速器，利用外转子永磁同步电动机低速大转矩的优势，将永磁同步电动机的外转子和带式输送机的驱动滚筒相连，并将永磁同步电动机内置于驱动滚筒内，使得机头部分结构更加紧凑，改善了矿井内的作业环境，保障了安全通道的畅通[2-4]，同时结合配套的变频器及水冷却装置，可保障设备的软启动和稳定运行。

沈阳煤业 (集团) 机械制造有限公司多年来对于传统驱动形式带式输送机积累了丰富的设计和制造经验，但对于新传动形式的带式输送机缺少相关经验。由于驱动形式的改变，使得驱动架对整机的正常运行起到关键作用，其强度能否满足要求需重点关注。借鉴传统机架进行改型设计，并借助有限元分析方法对驱动机架强度进行校核，以保证设备的可靠性，为驱动架的合理设计和优化提供参考。

2 驱动架结构及载荷理论计算

以 DSJ100/63/2×200 带式输送机运输原煤为例，对其运行工况下的驱动架进行分析计算。带式输送机的滚筒布置如图 1 所示。其中滚筒 1 和 2 为驱动滚筒，驱动滚筒 1 上输送带的张力为F1，滚筒 2 上输送带的张力为F14和F15。

图1 带式输送机滚筒布置Fig. 1 Layout of drums of belt conveyor

带式输送机主要计算参数如表 1 所列。

表1 带式输送机主要计算参数Tab.1 Main calculation parameters of belt conveyor

2.1 圆周驱动力计算

对于驱动滚筒来说，其圆周驱动力Fu为驱动滚筒上所有阻力之和，即

式中：FH为主要阻力；FN为附加阻力；FS1为特种主要阻力；FS2为特种附加阻力；FSt为倾斜阻力。

由于输送距离较长，附加阻力明显小于主要阻力，可以引入一个系数来计算，即

式中：C为与输送带长度有关的系数；f为根据工作条件选取的摩擦因数；L为输送机长度；qRo为上托辊单位长度质量；qRu为下托辊单位长度质量；qB为输送带单位长度质量；qG为输送带上单位物料质量[5-8]。

查询设备相关参数，计算得圆周驱动力Fu=48 256 N，由圆周驱动力即可计算其余滚筒上输送带的张力，驱动滚筒 2 上输送带的张力F14=57 122 N，F15=36 056 N。

2.2 驱动架结构

驱动架采用三角形结构，由于采用双滚筒，因此驱动架采用双对角形设计，如图 2 所示。

图2 驱动架结构Fig. 2 Structure of driving frame

为便于井下运输，驱动架需做成分体式，即由底梁、竖梁和两斜梁焊接而成的两侧架通过中间梁用螺栓连接组成。在斜梁上有轴承座板和相应的螺栓孔，永磁同步电滚筒的轴承座置于斜梁的轴承座板上。

2.3 驱动架所受载荷

两永磁滚筒连接于驱动架上，永磁滚筒的重力作用于驱动架的斜梁上，在带式输送机正常工作时，主要依靠驱动滚筒的摩擦力带动输送带运输物料，这个过程中输送带产生了张力，驱动滚筒也因此受到输送带的张力作用。永磁滚筒采用标准产品，每个滚筒的质量为 6 500 kg，则其重力为 65 kN。张力由前面计算可得，其作用方向及滚筒重力如图 3 所示。

图3 驱动滚筒受力简图Fig. 3 Force sketch of driving drum

两驱动滚筒所受输送带的张力最终也都将作用于驱动架上，因此计算出的输送带张力最终可以作为驱动架的载荷。

3 驱动架有限元分析

3.1 模型导入和材料设置

将在 SolidWorks 软件中建好的驱动架三维模型导入到 ANSYS Workbench 中。机架由厚度为 20 mm的普通钢板焊接而成，其材料为 Q235A，弹性模量为206 GPa，泊松比为 0.3，屈服应力为 235 MPa，抗拉极限为 390 MPa。在 Workbench 中设置好相应的材料参数，然后将 Q235A 材料赋予驱动架。

3.2 网格划分

采用静强度结构分析，为提高计算精度尽量多采用六面体网格。由于驱动架为钢板焊接结构，钢板厚度较小，应重点关注斜梁处的受力，将斜梁处网格尺寸细化到 5 mm。网格划分后共有 1 823 354 个节点，546 527 个单元。驱动架有限元模型如图 4 所示。

图4 驱动架网格划分Fig. 4 Grid division of driving frame

3.3 设置约束和施加载荷

驱动架下表面和地基通过锚杆相连，将其底面处理为固定约束，根据实际工况将输送带的张力和重力按照实际方向施加到轴承座板上。右驱动滚筒受力方向沿x轴负方向偏左上 16°，左驱动滚筒受力方向沿x轴正方向偏右下 16°，重力方向竖直向下。

3.4 有限元分析结果

在求解处添加需要计算的总应力和总形变，设置求解步骤并进行计算，可得到驱动架应力和变形云图，分别如图 5、6 所示。

图5 驱动架应力云图Fig. 5 Stress contours of driving frame

由图 5 可以看出，最大应力发生在斜梁与底部横梁连接处的肋板位置，该处应力比较集中，受载后产生的应力较大，最大值为 79.38 MPa。其他部位的应力值均未超过 20 MPa。选取屈服应力作为许用应力，因此该规格和结构的驱动架是安全的，且安全系数较大，可以考虑对中间连接梁进行优化减重，选取更小规格的钢板。

由图 6 可以看出，最大变形量为 0.12 mm，位于斜梁上轴承座板的中间位置。根据钢结构设计规范，选取跨度的 1/500 作为许用挠度值，则许用挠度为2.7 mm，因此变形量也在安全范围内[9]。

图6 驱动架变形云图Fig. 6 Deformation contours of driving frame

同时通过分析可知，最大应力发生在斜梁肋板位置，应注意此处肋板可适当加厚，可将肋板做成梯形，避免将斜梁和底梁连接处的三角完全封死，从而避免应力集中。在 SolidWorks 软件中修改斜梁肋板为梯形，重新导入到 ANSYS Workbench 中进行加载计算，得到的优化结果如图 7 所示。

图7 优化后驱动架应力云图Fig. 7 Stress contours of driving frame after optimization

通过分析可以看到，最大应力为 58.37 MPa，比三角形肋板的应力降低，且最大应力也不发生在该处，证明肋板优化后改善了集中应力。

4 结论

永磁滚筒驱动带式输送机因其传动效率高、结构紧凑、节约巷道空间等优势，可推广应用到工程实际当中。目前因缺乏使用经验，应用有限元分析方法能够对驱动架的强度校核起到很好的指导作用。

通过有限元分析可以看到，驱动架的强度足够，且安全系数有足够余量，在中间连接梁等部位还有减重优化的空间；同时变形量也在允许范围内，因此驱动架的刚度满足使用要求。观察最大应力位置，可考虑在设计时将斜梁肋板处设计成梯形，以改善应力集中现象，并要特别注意此处的焊接质量。