帶式輸送機傳動滾筒的結構設計及分析

王 菁

（晉能控股煤業集團有限公司煤峪口礦， 山西 大同 037000）

引言

煤礦的煤炭開采生產離不開帶式輸送機對煤炭的輸送，帶式輸送機具有結構簡單、輸送能力強的特點，在煤礦、港口等行業具有廣泛的應用[1]。帶式輸送機的結構簡單，易于布置，可以依據煤礦的特點進行布置，實現對煤炭的輸送。隨著煤礦開采技術的進步，帶式輸送機的輸送距離不斷延伸[2]，對設備的運行速度及承載量也提出了較高的要求。運動滾筒作為帶式輸送機的重要部件，其結構及承載性能對帶式輸送機的使用具有重要的影響[3]。針對帶式輸送機滾筒的結構進行設計分析，并對其承載能力進行分析，保證傳動滾筒使用可靠性，提高煤礦的生產效率。

1 帶式輸送機傳動滾筒的結構設計

在帶式輸送機的運行過程中，傳動滾筒對輸送帶供給動力，滾筒的軸與電動機經變速箱連接，從而將電機的動能傳遞給滾筒[4]，通過滾筒外表面與輸送帶之間的摩擦實現帶式輸送帶的運行。傳動滾筒的典型結構如圖1 所示，傳動軸與滾筒之間采用脹套進行聯接，脹套通過止動螺釘的擰緊實現擴展[5]，與輪轂形成過盈配合，從而加強聯接的緊固性。

圖1 傳動滾筒的典型結構示意圖

帶式輸送機的工作環境惡劣，以輸送量為2 200 t/h、輸送長度為135 m、輸送帶寬度為1 400 mm、提升傾斜度為10°為參數進行傳動滾筒的設計。傳動滾筒的直徑是進行結構設計的重要參數，帶式輸送機整

式中：S入為輸送帶在傳動滾筒進入端的張力，N；S出為輸送帶在傳動滾筒繞出端的張力，N；[p] 為輸送帶的許用比壓值，選用尼龍和聚酯輸送帶，取0.04 MPa；α 為輸送帶在滾筒的圍包角，rad；B 為輸送帶的寬度，mm。

依據傳動滾筒歐拉傳動公式進行輸送帶進入端和繞出端張力的計算，由此進行傳動滾筒直徑的計算[7]，得到傳動滾筒的直徑為800 mm，輸送帶寬度為1400 mm，設計傳動滾筒的寬度為1 600 mm，根據滾筒的設計標準依據滾筒的直徑及滾筒長度對傳動滾筒筒體厚度進行選取，確定滾筒筒體的厚度為18 mm。滾筒的傳動軸在工作過程中主要受到周向和軸向載荷的作用，依據傳動軸的疲勞強度及撓度變化進行傳動軸的設計[8]，選取直徑為220 mm 的傳動軸。體的使用壽命也和滾筒的直徑成正比關系。依據許用比壓，滾筒的最小直徑D 計算為[6]：

2 帶式輸送機傳動滾筒的承載性能分析

2.1 傳動滾筒仿真分析模型的建立

采用有限元仿真分析的形式對所設計的傳動滾筒的承載能力進行分析，首先建立傳動滾筒的模型。在進行滾筒建模的過程中，為簡化計算過程，對模型進行一定的簡化處理。在建模過程中將相近的滾筒軸直徑作為相同尺寸進行處理，對滾筒的鍵槽及倒角等細小結構忽略處理[9]，進行滾筒模型的建立。

針對所建立的滾筒模型導入到有限元分析軟件ANSYS 中對其進行網格劃分。網格劃分是進行仿真分析的前提，傳動滾筒的整體結構包括滾筒軸、輻板、連接盤及筒體等，結構的規則度較低，選用自由網格的形式進行網格劃分處理，得到傳動滾筒的模型如下頁圖2 所示。

圖2 傳動滾筒網格劃分模型

傳動滾筒在生產過程中采用不同的材質進行焊接及裝配完成，滾筒軸采用的材料為45 鋼，其彈性模量為2.06×1011MPa，泊松比為0.28；輪轂及輻板的材料為ZG25 碳素結構鋼，其彈性模量為1.75×105MPa，泊松比為0.3；脹套的材料為50Cr 合金結構鋼，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。

對傳動滾筒進行約束邊界的設置，約束其中節點的自由度，在傳動滾筒中節點的自由度與單元的類型具有直接的關系，每個節點具有6 個方向的自由度。帶式輸送機軸承的約束是進行仿真分析的約束條件，傳動滾筒約束的加載位置位于軸承的安裝位置，軸頸的外圓表面。對傳動滾筒限制3 個方向的移動和2 個方向的旋轉運動，僅作周向的轉動。

依據滾筒受到的張力作用對傳動滾筒進行載荷施加，輸送帶運行過程中對滾筒表面施加的壓力是持續隨機性變化的，由于有限元分析的方式不能達到理想化持續性的載荷效果，對滾筒受到的最大載荷進行載荷函數的設定。設定滾筒受到的載荷作用為均布載荷，將載荷加載在滾筒的節點上，對滾筒的承載能力進行分析。

2.2 傳動滾筒承載能力的結果分析

后處理是進行有限元分析的核心步驟，依據分析的結果進行滾筒承載能力的分析，依據所設定的仿真條件，對傳動滾筒的應力及應變進行分析，得到傳動滾筒的應力及應變分布如圖3、圖4 所示。

從圖3 中可以看出，帶式輸送機傳動滾筒受到的最大應力位于傳動軸與軸承相連接的位置及輻板與滾筒筒體相連接的位置，最大應力值為973 kPa，小于材料的屈服極限；從圖4 中可以看出傳動滾筒產生的變形的位置主要位于滾筒傳動軸的中間位置及輻板的位置，最大變形位于傳動滾筒筒體表面靠近進入端的位置，最大的變形量為0.498 mm。依據滾筒的剛性要求，其最大允許變形量||ymax||≤2D/2 800=0.698 mm。

圖3 傳動滾筒的應力（Pa）分布

圖4 傳動滾筒的變形（mm）分布

由此可知，傳動滾筒的最大變形量滿足滾筒的剛性要求，傳動滾筒的設計承載滿足系統的使用需求。通過對傳動滾筒的分析可知，滾筒的應力集中主要位于軸承與傳動軸的連接位置，滾筒表面進入端的位置，輻板與筒體之間的連接位置；滾筒的主要變形部位位于傳動軸及筒體的中間位置及實際應用中輻板的中間位置。所設計的滾筒滿足系統的使用需求，且具有較大的安全裕量，可對滾筒的結構進行一定的優化設計，降低生產制造過程中的成本。

3 結語

傳動滾筒是帶式輸送機進行物料輸送的重要的驅動部件，對帶式輸送機的穩定運行具有重要的影響。隨著煤礦開采能力的提升，帶式輸送機的運載量、速度及輸送距離都有所提高，對帶式輸送機傳動滾筒的結構及承載性能具有較高的要求。針對帶式輸送機的傳動滾筒結構，依據輸送條件進行傳動滾筒的設計，采用脹套的結構形式聯接，并計算分析滾筒的直徑及厚度。采用有限元仿真分析的形式對滾筒的承載能力進行分析，結果表明所設計的滾筒的應力及應變符合系統的使用需求。傳動滾筒的使用過程中的最大應力主要位于軸承與傳動軸的連接位置，滾筒表面進入端的位置，輻板與筒體之間的連接位置;主要變形部位位于傳動軸及筒體的中間位置及實際應用中輻板的中間位置。在實際應用時，針對上述位置進行一定的結構優化，提高傳動滾筒的使用壽命，保證煤礦的高效運輸。