矿用带式输送机改向滚筒的优化与应用研究_王姣姣.pdf

矿用带式输送机改向滚筒的优化与应用研究王姣姣（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西长治046699）摘要：以 DTL160/330/31600 型带式输送机为研究对象，在对设备及改向滚筒整体情况进行概述的基础上，利用 UG 和 Ansys 软件构建了滚筒的受力分析模型。应用结果发现，改向滚筒的最大应力为 13.364 MPa，远低于材料的屈服强度。对改向滚筒主要结构件进行轻量化设计，使得滚筒的整体质量降低了 12.39%。再次进行静力学分析，发现滚筒的最大应力降低了 11.565 MPa，降低幅度为 15.56%。将优化后的改向滚筒应用到煤矿工程实践中，发现达到了预期效果，创造了良好的经济效益。关键词：带式输送机；改向滚筒；轻量化设计；应力集中中图分类号：TD528.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0115-030引言带式输送机在煤矿领域有广泛的应用，最大特点是结构简单、能实现散装物料的连续运输等1。改向滚筒是带式输送机中重要的结构部件，作用是实现皮带的换向，达到循环往复运动的效果2。在对带式输送机改向滚筒进行设计时，考虑到煤矿运行环境的复杂性，设计人员为了提升改向滚筒运行稳定性和可靠性，通常会对其采用冗余设计3。这种设计思想虽然能保证改向滚筒的可靠稳定运行，但设计是不科学、不合理的，有优化改进的空间4。以 DTL160/330/31600 型带式输送机为对象，基于先进的有限元技术对设备的改向滚筒结构进行优化改进，并将其应用到工程实践中验证，发现效果良好。1带式输送机及改向滚筒概述以煤矿中使用较多的 DTL160/330/31600 型带式输送机为例进行研究，如图 1 所示为带式输送机整体结构示意图。结合设备型号及结整体结构示意图可知，带式输送机同时由三部功率为 1 600 kW 的电机驱动。设置有两个驱动滚筒，一个滚筒由两部电机驱动，另一个滚筒由一部电机驱动。还设置有机尾滚筒、上托辊、下托辊以及两种型号的改向滚筒。驱动滚筒由于需要对动力进行传输，因此需要承受较大的工作载荷。改向滚筒的作用是改变皮带的运动方向，工作时承受的载荷相对较小，因此对整体结构性能要求更低。驱动滚筒和改向滚筒整体结构类似，都由筒壳、轮毂轮辐、轴等部分构成5。在设计阶段，为了提升改向滚筒的运行可靠性，设计人员会采用冗余设计方法对改向滚筒进行设计，导致其质量增加。不仅增加了设备的加工成本，还会在一定程度上增加设备的运行成本。2改向滚筒的有限元分析2.1三维模型建立所属型号的带式输送机有两种型号的改向滚筒，以直径为 830 mm 的改向滚筒为例进行分析。筒壳厚度为 30 mm，轴的直径为 264 mm，轮毂厚度为 40mm，轮毂外径为 328 mm，两个轮毂间的距离为 1 560mm。根据以上真实数据，利用 UG 软件构建改向滚筒的三维几何模型，建模时对细小结构进行省略处理，以保证模型计算速度。将建立好的模型分别通过 IGS的中间格式导入 Ansys 软件中。在 Ansys 软件中需要对模型进行材料属性设置和网格划分。轴、轮毂轮辐、滚筒使用的材料分别为45 钢、ZG230-450 钢、Q235 钢，将以上材料的基本物理属性，包括密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度等输入到对应的模型中，以确保模型计算的准确性。利用软件中内置的六面体网格类型对模型进行网格划分，网格大小由模型自动确定，最终划分得到的网格单元数量和节点数量分别为 640 000 个和1 060 000 个。下页图 2 所示为带式输送机 830 mm改向滚筒的有限元模型。2.2受力结果分析完成有限元模型的分析工作后，可对分析结果进行提取。本文重点对改向滚筒的应力进行研究，下页图 3 所示为改向滚筒的应力分布云图。由图 3 可知，整个改向滚筒的应力分布呈现出非常显著的不均匀性，大部分位置的应力都相对较小，几乎为零，出现这种情况的原因在于改向滚筒本身承受的载荷较小。只有局部位置出现了一定程度的应力集中现象，但也不是非常明显，最大应力只有 13.364 MPa，位置为轴套收稿日期：2022-04-27作者简介：王姣姣（1992），女，山西长治人，大专，毕业于晋中职业技术学院矿山机电专业，助理工程师，从事煤矿安全培训工作。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.046图 1带式输送机整体结构示意图改向滚筒上托辊机尾滚筒下托辊驱动滚筒改向滚筒改向滚筒优化改造机械管理开发第 38 卷与轴相连接的部位。对改向滚筒主要零部件的最大应力进行了统计，结果发现轴、套筒、筒壳、支撑环的最大应力分别为9.466 3 MPa、6.8637 MPa、1.009 3 MPa、0.643 08 MPa。可以看出，各零部件的受力均相对非常小，均远远小于材料的屈服强度。基于以上结果可知，改向滚筒各结构件在设计时存在非常显著的冗余现象，有一定的优化改进空间。3改向滚筒结构优化与应用分析3.1结构优化改进基于以上分析可以看出，改向滚筒存在明显的结构冗余现象，结构方面存在很大的优化改进空间。为了实现改向滚筒的轻量化设计，降低各零部件的质量，在确保整体性能达标的情况下，降低改向滚筒的加工制作成本。采用如下方法对其结构进行优化改进：考虑到轴中部位置承受的应力相对较小，可以设置为空心轴，在保证轴扭矩强度的同时降低质量；支撑环采用周期性开槽方式减轻其质量；轮辐轮毂通过增加中间孔洞尺寸，同时减小轮毂部位厚度的方式降低质量；筒壳通过周期性开槽的方式减小其质量。图4 所示为支撑环、筒壳、轮辐轮毂、轴结构件优化改进后的形状示意图。针对优化改进后的改向滚筒结构，再次利用 UG和 Ansys 软件建立有限元模型。建模时除结构尺寸改进外，其他所有材料属性、网格划分方法、边界条件设置等与原模型相同。提取应力分布云图，发现整体的应力分布规律与优化前类似，即应力现出明显的不均匀性，大部分区域的应力非常小，局部区域出现了应力集中现象。最大应力有所降低，降低到了 11.56MPa，出现最大应力的部位有所改变，优化后轴支撑部位应力最大。图 5 所示为带式输送机改向滚筒优化改进前后的最大应力和质量的对比情况。由图 5 中数据可知，通过此次优化改进，使得改向滚筒的最大应力从13.364 MPa 降 低 到 了 11.565 MPa，降 低 幅 度 为15.56%。另外，由于采用了轻量化设计思想，因此其质量有所降低，从优化前的 2 558.751 kg 降低到了优化后的 2 276.64 kg，降低幅度为 12.39%。最大应力降低意味着材料更不容易出现塑性损伤，会延长使用寿命；总体质量的降低意味着结构件的加工制度成本及后续运行会降低。3.2应用效果评价为了验证改向滚筒优化改进方案的可靠性，根据以上优化方案，对 DTL160/330/31600 型带式输送机中的 830 mm 改向滚筒进行技术改造。目前技术改造工作已经完成，且优化后的改向滚筒已经在工程实践中连续运行一年时间。运行时间对改向滚筒的具体情况进行观察。结果发现，改向滚筒整体运行良好，整个运行期间没有出现明显的故障问题，整体故障率与优化改进前相比较有一定程度的降低，降低幅度为10%左右，不仅提升了带式输送机的运行稳定性，还为企业节省了一定的设备维护保养成本。另外，改成滚筒整体质量的降低，能在一定程度上节约设备的加图 2改向滚筒的有限元模型图 3改向滚筒的应力分布云图图 4优化改进后各结构件的形状图 5优化改进前后的最大应力和质量对比情况13.364 Max11.87910.3948.909 27.424 45.939 74.454 92.970 11.485 40.000 582 31 MinUnit:MPa各零件最大应力轴：9.466 3 MPa轴套：6.863 7 MPa筒壳：1.009 3 MPa支撑环：0.643 08 MPa0.00500.00250.00750.001 000.00（mm）4-1支撑环4-2筒壳4-3轮辐轮毂4-4轴1510503 0002 0001 0000最大应力/MPa整体质量/kg优化前优化后13.36411.5652 558.7512 276.64最大应力整体质量1162023 年第 6 期工制作成本，为相关企业创造良好的经济效益。4结论1）改向滚筒的受力相对较小，结构设计方面存在很大的冗余，存在材料浪费现象；2）通过 Ansys 对改向滚筒进行分析发现，其最大应力只有 13.364 MPa；3）对改向滚筒的主要结构件，包括支撑环、筒壳、轮辐轮毂、轴等进行轻量化设计，对优化后的改向滚筒再次进行静力学分析，发现最大应力降低了15.56%，整体的质量降低了 12.39%；4）将优化后的改向滚筒应用到带式输送机工程实践中，发现取得了良好的效果，为企业创造了良好的效益。参考文献1张海波.李村煤矿南翼上仓斜巷带式输送机防过载冲击设计及应用J.煤矿机械，2022，43（4）：157-160.2任远.带式输送机关键部件及其参数的选型与设计J.机械管理开发，2020，35（9）：32-33.3朱冰心.带式输送机滚筒结构设计及优化D.兰州：兰州交通大学，2019.4陈鑫.带式输送机改向滚筒的改进和有限元分析J.机械管理开发，2019，34（9）：140-142.5赵志琴.煤矿带式输送机改向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.（编辑：王慧芳）Research on Optimization and Application of Diverting Rollers of Mining Belt ConveyorsWang Jiaojiao（Shanxi Huo er Xinhe Coal Mine Group,Changzhi Shanxi 046699）Abstract:The redirecting roller is the main component of the mining belt conveyor,and the load it bears during operation is relativelysmall.Taking the DTL160/330/31600 belt conveyor as an example,on the basis of an overview of the equipment and the overall situationof the diverting roller,the force analysis model of the roller is constructed by using UG and Ansys software.It was found that the maximumstress of the redirecting roller was 13.364 MPa,which was much lower than the yield strength of the material.The lightweight design of themain structural parts of the diverting drum reduces the overall weight of the drum by 12.39%.The static analysis was carried out again,andit was found that the maximum stress of the drum was reduced by 11.565 MPa,and the reduction range was 15.56%.The optimizeddiverting drum is applied to the coal mine engineering p