用于带式输送机的大扭矩传动滚筒结构仿真优化

用于带式输送机的大扭矩传动滚筒结构仿真优化
郭鑫
【期刊名称】《《机械管理开发》》
【年(卷),期】2019(034)008
【总页数】3页(P11-12,14)
【关键词】带式输送机; 传动滚筒; 有限元; 增强环; 优化
【作者】郭鑫
【作者单位】大同煤矿集团永定庄煤业公司山西大同037024
【正文语种】中文
【中图分类】TD528.1
引言
在煤矿开采中，带式输送机是广泛采用的输送设备，其经济性能好、安全性能高，对于煤矿开采的高效安全性具有重要应用。

带式输送机中传动滚筒依靠摩擦力驱动输送带，将电机传递的扭矩传递至输送带，是输送机的重要零部件，带式输送机输送量大，工作环境复杂多变，对于传动滚筒的可靠性具有较高的要求[1]。

对于大功率传动滚筒的设计，主要依靠经验法增加其安全系数来保证传动滚筒运行的可靠性，这种方法一方面会因为人为因素造成误差的累积，另一方面会造成传动滚筒的质量过大而浪费资源[2]。

本文采取有限元仿真的方式，针对传动滚筒的变形进行分析及优化，从而达到大扭矩传动滚筒的设计要求。

1 传动滚筒结构及建模
带式输送机由支架上安装轴承进行传动滚筒的支撑，传动滚筒的结构形式较为简单，一般主要由传动滚筒体、传动滚筒轴及其他的轮毂轮辐等附件组成，一般采用焊接的形式，较少的部分传动滚筒采用铸焊的形式[3]，如图1所示。

在筒体的表面上，一般开有不同纹理的条纹来增加传动滚筒与输送带之间的摩擦系数，从而更好的驱动输送带。

图1 传动滚筒的结构形式
有限元方法自提出以来，取得了广泛的发展，不仅可以用于解决二维问题，也扩展到三维领域中，对于结构的分析、校核及优化具有重要作用。

有限元方法可以对复杂的结构体进行分析，采用ANSYS软件进行分析，可以与其他三维软件无缝对接，采用SolidWorks对传动滚筒进行建模，导入到ANSYS中即可进行分析[4]。

在建模过程中要注意对模型进行一定的简化，主要包括将传动滚筒看做一个整体的结构，忽略传动滚筒的纹理、倒角之类细小的结构特征，这样做的目的可以简化有限元分析的计算，加快分析的过程，并且细小的结构特征对于结构分析来说其影响不大。

建立传动滚筒的模型后，导入到ANSYS中，进行材料的定义，并划分网格，滚动轴采取45号钢材料，轮毂等附件采用合金钢ZG25[5]，进行网格划分后，得到传动滚筒的有限元模型如图2所示。

图2 传动滚筒的有限元模型
2 传动滚筒模型计算
传动滚筒对输送带进行驱动，传动滚筒自身所受到的力主要包括输送带及物料通过输送带对于传动滚筒的反作用力，对传动滚筒产生压力作用，以及输送带与传动滚筒之间的摩擦力，传动滚筒的承载主要集中在传动滚筒与输送带接触的表面上。

在计算过程中，ANSYS中设置传动滚筒的受力为沿着圆周方向变化的梯度载荷进行传动滚筒模型的载荷分布[6]。

设定传动滚筒的约束条件，在ANSYS中采取限制传动滚筒自由度的方式，在实际应用中，传动滚筒仅做旋转运动，因此，限定模型中传动滚筒三个方向的平动及另外两个方向的旋转运动，传动滚筒只做沿着圆周方向的转动。

设定好载荷及约束之后，即可进行传动滚筒的受力仿真分析，采用ANSYS后处理得到传动滚筒的应力及位移变化如图3所示。

从图3中可以看出，传动滚筒的筒体中部出现了最大的变形量，最大变形量为1.6 mm，在实际使用中，传动滚筒中部是承载最大的部位，在不断的旋转过程中，中部最大的变形量容易引起焊缝破坏，使传动滚筒受损。

因此，对于传动滚筒的优化，需要在其形变最大的位置处进行结构改进。

图3 优化前传动滚筒位移（mm）变化图
3 优化传动滚筒的仿真
针对图3中仿真的结果，对于传动滚筒的结构优化，在最大变形的筒体中部采取
增加支撑的形式进行。

由传动滚筒的结构形式可知，要增加内部支撑，只能在传动滚筒的内部进行，不能破坏传动滚筒的外部圆周结构。

因此，传动滚筒的优化结构为在传动滚筒中间筒体的内壁焊接增强环来提高传动滚筒的刚性，其剖面结构如图4所示。

图4 增强环剖面图
采取上述同样的方式对优化后的传动滚筒结构进行仿真分析，得到优化后传动滚筒的位移变化如图5所示。

从图5中可以看出，传动滚筒的位移变化最大的位置仍
处在筒体的中部位置，这与优化前的结构一致，表明分析结果的正确性。

通过最大位移数值的变化可以看出，优化后的结构，最大位移变化为1.4 mm，相比优化前的结构，其最大位移量变化减小了12.5%，这说明在筒体中部通过焊接增强环的
形式可以有效地提高传动滚筒的刚度，避免其中部出现过大位移，导致焊缝破坏。

图5 优化后传动滚筒位移（mm）变化图
4 结论
通过对传动滚筒的建模仿真分析可知，在传动滚筒结构中，其中部位置是形变最大处，在不断地旋转过程中，由于最大位移的交替出现，会造成传动滚筒焊缝的破坏，造成传动滚筒的失效。

针对这一问题，采用在最大形变处焊接增强环的方式，来提高传动滚筒中部位置的刚强度。

仿真结果显示，通过这一优化方式，可以有效减小传动滚筒中部的形变12.5%，从而增加传动滚筒的刚强度，增加传动滚筒的使用
寿命，提高带式输送机的运行效率。

对于采取的增强环的具体形式及结构大小尺寸，需结合不同传动滚筒的实际运行条件进行确定，有待进一步的研究。

参考文献
【相关文献】
[1] 彭天好，陈颖，张义龙，等.带式输送机机尾传动滚筒两级螺旋输送自清理装置设计[J].煤炭工程，2018，50（12）：160-162.
[2] 赵志琴.煤矿带式输送机改向传动滚筒焊缝开裂原因及维修措施研究[J].建材与装饰，2018（40）：205-206.
[3] 刘宝林，孟文俊，邬思敏，等.带式输送机驱动传动滚筒的有限元分析与结构优化[J].太原科技大学学报，2018，39（2）：119-124.
[4] 赵晓慈，张以都，孟国营.基于Matlab的带式输送机软启动过程胶带动力学仿真研究[J].矿山机械，2007（5）：79-82.
[5] 许丹，阚晓平，孙爱芹，等.带式输送机动态分析系统的设计与实现[J].辽宁工程技术大学学报，2006（S1）：227-230.
[6] 李光布.基于计算机仿真的带式输送机动态特性预测和控制[J].起重运输机械，2005（2）：47-50.。