带式输送机滚筒关键零件有限元分析

奚丽峰1, 2
1 中煤科工集团上海有限公司 上海 201401 2 上海煤科检测技术有限公司 上海 201401

摘 要：运用传动滚筒结构分析方法、SolidWorks 实体建模、Ansys 有限元分析，对滚筒整体分析结果与关键零部件单独分析结果比较得出结论，焊缝质量直接影响到滚筒使用寿命；在对部件进行分析时，选用整体分析更为准确；筒圈的主要破坏是受旋转时承受交替拉伸压缩的变形所致，设计中应关注交变力并优化结构。

关键词：带式输送机；滚筒；有限元分析

中图分类号：TD528 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）12-0046-04

0 引言
随着煤矿产量日益提高，输送量需求大、运输距离长、运行带速高、可靠性要求高的带式输送机在煤矿井下被广泛使用，“十三五”时期国家煤矿安全监察局开展的“机械化换人、自动化减人”工作，降低人工参与的强度，大大提高企业安全生产科技保障能力，使用带式输送机作为目前井下连续运输机械中效率最高、使用最普遍的一种主运输手段，可以很大程度上降低劳动力强度。

滚筒是整机中关键的元件，其是否安全关乎到煤矿整体的运输系统。滚筒的设计、制造、使用都是与整机息息相关，本文通过利用Ansys 有限元软件对于滚筒关键零件的设计分析，掌握应力的分布规律以及对结构进行优化，使滚筒在设计朝着安全性方向进一步提高。

1 滚筒基本情况
滚筒是整机的重要组成部分，按照作用区别一般可分成传动以及改向滚筒，起到传递动力且改变胶带的运行方向，同时承受胶带很大的运行张力，所以滚筒及关键部件在设计、制造和应用各个阶段都深度关系到整机的安全及可靠运行。

带式输送机滚筒在使用过程中最常见的故障有：1）筒体开裂，由于长期承受胶带上施加的交变应力，特别是卷板后焊接的筒圈，受焊接均匀性的影响，其承受力不平衡造成筒体开裂是最常见故障之一；2）断轴，由于轴的加工中存在倒角或圆角，受力有应力集中现象，当超过轴的疲劳强度，造成主轴断裂；3）滚筒轴承损坏卡阻，轴承密封处受异物进入滚道，使得油脂被排除，长此以往造成缺油，滚柱在滚道内干磨，导致轴承损坏，最终影响滚筒平稳运转。

为避免滚筒故障的发生，对滚筒的结构进行分析是十分必要的，国内外许多专家和学者基于解析法对带式输送机的滚筒进行了深入的研究，运用滚筒分组的方法，提出了很多假设前提，但是对于分析滚筒各关键部件存在的关系，特别遇到外形、剖面不同的辐板和组装时已存在预紧应力更是无法解决，使得对滚筒进一步的分析受限；本次研究使用有限元法，将滚筒当成整体来研究，得到相对实际的结果。

2 滚筒有限元分析
2.1 滚筒的整体建模和分析
主传动滚筒举例分析，选取筒径D=1 000 mm，筒厚h=24 mm，筒体长度L=1 600 mm，筒壳长度l=1 356mm，轴承座间距b=2 100 mm；假设紧边张力P1=171kN，松边张力P2=37 kN，扭矩T=40 kN.m。

2.2 几何模型的建立
由于筒体组成结构复杂，所以在建立几何模型时，遵循以下原则：
1）模型应具有足够的准确性 为了模型与实际保持基本接近，在考虑到形状和结构组成的符合性，同时思量支撑情况和边界条件的符合性，还要考虑负载和实际状况一致。

2）模型应具有良好的时效性 如果节点以及单元划分的越多那么模型的精度往往也越好，然而增长了前处理、数据的准备及运行计算的时间，使得整体分析时间普遍延长。

3）省略掉滚筒轴端倒角、倒圆、退刀槽、密封沟槽和轴键槽对组件的影响。通过SolidWorks 实体建模，模型如图1 所示。

图 1 滚筒及截面图

2.3 几何结构简化
由于几何模型直接影响分网过程和网格形式，所以虽然它是根据分析对象抽象出来，但也不能照搬进行。应根据对象的分析目的决定了模型的简化程度。为使本次的建模过程能实现高效率、高精度，建议零部件简化方式如下：
1）将焊接联接的两个部件当作持续的一个整体；
2）省略掉轴承座（转化为对支撑轴端的轴向和径向约束），胀套预紧用的螺钉，螺钉孔等次要部件，只分析驱动滚筒及其主要零件的应力和变形；
3）滚筒轴简化成球坐标约束；
4）认为滚筒和轴是整体刚性的；
5）将胀套看作是实体，仅把胀套、轮毂、轴三者的力作用计入其中；
6）根据有限元理论，模型在尖角处容易发生应力奇异，即在各部件的变径处产生应力的极大值。该分析的目的是计算滚筒在复杂应力的作用下强度是否满足要求，为了避免奇异应力的出现，滚筒轴变径处的倒角不能省略，但在此处会产生力集中，需要对此处进行网格细化，并且增大圆角半径。

2.4 传动滚筒载荷的模拟
对传动滚筒载荷模拟应当严谨。如图2 所示，滚筒载荷的处理方法为：
1）滚筒的重力载荷 需沿重力方向加以重力加速度；
2）滚筒的径向载荷 为更加接近于现实，假设用同等带宽的胶带模拟实际围包角缠绕在滚筒上，然后从胶带的两端施加各自的载荷；
3）滚筒的扭矩载荷，在轴两侧加施与滚筒旋转方向一致的扭矩。

图 2 滚筒载荷图

2.5 模拟约束
在模型加载之后，设置相应的边界条件加以约束，限定边界节点相关自由度。如图3 所示。

模拟约束必须遵循以下原则：
1）需要充足的约束促使结构不产生刚体运动，得到刚度矩阵非奇异，最终得出位移的确定解；
2）不得有过多约束 由于筒圈和传动轴之间采用胀套过盈连接方式，在有限元建模中可将这两个部件视为一个整体，动力源在轴端所传递的动力可以直接传递给传动滚筒。只需要定义轴上的约束可满足实际需求。

2.6 求解
在完成建模和加载工作后，即可直接进行Ansys 求解。由于主要对滚筒在静力状态下的受力分析，所以选用静力分析模式。整体受力情况如图4 所示。在整体分析过程中，由于轴上倒角和圆角的原因，使得轴上出现应力集中现象，从表1 中可知最大应力约为155.81 MPa，最大位移发生在筒圈上，位移约为0.96 mm。

2.7 滚筒整体分析与部件单独分析结果比较
2.7.1 轴
轴等效云如图5、图6 所示，可得整体分析最大等效应力约为155.81 MPa；单独分析最大等效应力约为74.38 MPa；最大等效应力都出现在轴肩处；同样，单独分析时忽略了滚筒其他部件对轴的直接的影响，所以其分析结果与实际需求有所差别。

2.7.2 轮毂
轮毂等效云图如图7、图8 所示，可得整体分析最大等效应力约为68.44 MPa；单独分析最大等效应力约为60.04 MPa；最大等效应力都产生于筒壳和轮毂焊接部位；单独分析时，轮毂的受力情况有所改变，而且忽略了胀套对腹板的影响，使得胀套周边的轮毂应力与实际中相差很大。
2.7.3 筒圈
筒圈等效云图如图9、图10 所示，可得整体分析最大等效应力约为62.41 MPa；单独分析最大等效应力约为56.57 MPa；而最大等效应力都出现在筒圈与轮毂焊接的位置，其径向的应力和三个剪应力的值较小，周向、轴向的值较大，并且等效应力沿周向是变化的，所以外部周向以及轴向普遍比里面的力要大；单独分析时，忽略了滚筒其他部件对筒圈的影响，所以其分析结果与实际需求有所差别。

图 7 轮毂整体分析

图 8 轮毂单独分析

图 9 筒圈整体分析

图 10 筒圈单独分析

3 结语
基于有限元Ansys 围绕传动滚筒和关键零元件在设计工况下开展静力学研究，最终结论如下：
1）综合上述传动滚筒和关键零件有限元分析，能够清晰得到应力存在有一定规则，虽然应力的极大值未产生于筒体外圈，但这个位置恰好有焊缝，其质量优劣决定了筒体正常寿命，所以整体制作必须遵守合规的加工工艺文件，保证焊接全过程关。
2）通过分析对比可知，不论是整体分析还是单独分析，关键零部件的极值位置没有变化，但是其值大小相差相对比较大。在对关键零元件开展工作时，选用整体分析更为准确。
3）筒圈的主要破坏形式是由筒圈和轴在旋转时承受相应交替拉伸压缩的变形所导致，设计中交变力要引起重视并优化设计结构。

参考文献
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