DTL80型带式输送机传动滚筒受力分析及结构优化_李丽娜.pdf

DTL80 型带式输送机传动滚筒受力分析及结构优化李丽娜（山西省长治经坊煤业有限公司，山西长治047100）摘要：传动滚筒作为带式输送机中关键的结构件，其设计的科学性以及运行的稳定性对设备整体运行的可靠性有重要的影响。利用 ANSYS软件对 DTL80 型带式输送机传动滚筒进行受力分析，发现传统滚筒各结构件均存在很大的安全冗余现象。以轴的直径、筒壳厚度和辐板厚度为优化对象，以安全系数为约束条件，以结构件的重量为优化目标，开展优化改进工作。通过优化改进使得传动滚筒的整体质量降低了 20%左右。将优化后的传动滚筒部署到工程实践中，发现整体运行良好，验证了优化改进方案的科学性与合理性。关键词：带式输送机传动滚筒受力分析结构优化中图分类号：TD528.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0137-03引言煤矿开采中带式输送机是非常关键的输送装备，其运行过程的稳定性会对煤矿开采效率产生直接影响1。传动滚筒是带式输送机中的核心机械结构，由电机输出的动力经减速器后需要通过传动滚筒，利用滚筒与皮带之间的摩擦力驱动皮带做循环往复运动，实现煤矿物料的运输2。传动滚筒工作时承受较大载荷，对其力学性能提出了较高的要求3。传统设计中为了提升传动滚筒的运行可靠性，会过分增大关键结构件的尺寸，使得安全系数出现很大的冗余，进而增加结构件的制作成本和运行时的能耗 4。本文以DTL80 型带式输送机传动滚筒为对象，利用有限元软件对传动滚筒的受力情况进行分析，在此基础上对结构进行优化改进，实践应用发现效果良好。1带式输送机主要结构分析本文以煤矿中常用的 DTL80 型带式输送机为对象进行分析，如图 1 所示为带式输送机的结构示意图，其主要由传动滚筒、改向滚筒、托辊、皮带等部分构成5。输送机工作时电机输出的动力首先经过减速器，再输入到传动滚筒中，传动滚筒通过摩擦力将动力输出到皮带上，进而驱动皮带作往复循环运动。因此传动滚筒工作时需承受复杂的载荷。DTL80 型带式输送机的滚筒宽度和皮带宽度分别为 1 000 mm和 800 mm，主轴长度为 1 600 mm，滚筒直径和筒壳厚度分别为 500 mm和 10 mm，轴上轴承部位和胀套部位的直径分别为 120 mm和 140 mm，其中轴肩部位的宽度为 10 mm，两轴承之间的间距为1 100 mm。轮毂外径、内径和厚度依次为 300 mm、190mm和 100 mm，与筒壳连接的辐板间距及其厚度依次为 850 mm和 15 mm。传动滚筒中使用的是 Z9 型胀紧连接套，胀套的外径、内径和长度分别为 190 mm、140mm和 84 mm。2传动滚筒受力分析模型建立建立模型时，首先需要利用 SolidWorks 软件根据DTL80 型带式输送机传动滚筒的实际结构尺寸建立三维几何模型。为了方便计算过程，需要对细小结构进行省略处理6。将建立好的模型导出为 STL 格式，并导入到 ANSYS 软件中进行有限元模型的建立。在ANSYS 软件中首先对其进行网格划分，本研究中选用的网格类型为四面体网格，最终划分得到的网格单元和节点数量分别为 13 284 和 16 428 个。然后需要对各结构件的材料属性进行设置，轴为 45 号钢材料制作，对应的弹性模量、泊松比和屈服强度分别为206 GPa、0.3、355 MPa；筒壳为 Q235A 材料制作，对应的弹性模量、泊松比和屈服强度分别为 212 GPa、0.29、335 MPa；辐板轮毂为 ZG230-450 材料制作，对应的弹性模量、泊松比和屈服强度分别为 200 GPa、0.31、230 MPa。最后需要根据传动滚筒的工作状态，对边界条件进行约束。图 2 为传动滚筒的有限元模型。3传动滚筒受力结果分析与讨论3.1受力结果分析在 ANSYS 软件中建立好有限元模型后，即可调收稿日期：2022-02-21作者简介：李丽娜（1989），女，山西长治人，大专，毕业于山东理工大学矿山机电专业，助理工程师，从事煤矿安全工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.053图 1带式输送机的结构示意图图 2传动滚筒的有限元模型优化改造机械管理开发第 38 卷用分析模块对模型进行计算，完成计算工作后可以提取结算结果对模型进行分析。本研究主要对带式输送机传动滚筒的应力和位移变形情况进行分析。结果发现，不论是传动滚筒的应力分布还是位移变形分布，在不同位置的分布均匀性存在很大的差异。部分位置的应力值相对较大，绝大部分位置的应力值均相对较小。对比分析发现，轴上与胀套相接触的部位出现了显著的应力集中现象，最大应力值为 142.097 MPa（见图 3-1），而轴上的位移变形量相对较小，最大位移变形值为 0.118 mm。对于筒壳而言，其最大应力值出现的位置是与辐板连接的部位，最大应力值只有 45.75MPa，与轴上最大应力值相比较要小很多。但是筒壳与皮带相接触的部位出现了明显的位移变形情况，最大位移变形部位处在滚筒中间，其大小为 0.38 mm（见图 3-2）。出现这种情况的原因在于滚筒与皮带出现了显著的摩擦和挤压作用，筒壳属于悬空结构，导致在中间部位出现了一定的弯矩，所以产生了较大的变形量。轮辐轮毂结构的应力集中和位移变形集中现象均处在筒壳和轴的中间区域，最大应力值为 39.85MPa，最大位移变形量为 0.22 mm。3.2受力结果讨论传动滚筒中轴、筒壳和轮辐轮毂的生产制作材料分别为 45 号钢、Q235A和 ZG230-450，上述三种材料对应的屈服强度依次为 355 MPa、335 MPa 和 230MPa。基于此可以计算得到以上三种结构的安全系数，安全系数的计算公式为 n=s/，式中 s和 分别表示材料的屈服强度值和实际的应力值。最终计算得到的安全系数分别为 2.5、5.137 和 5.77。通常情况下，在机械结构设计中安全系数取 1.5 即可。可见，传动滚筒中主要结构均存在很大的安全系数冗余。工程应用中，对于筒壳的位移变形量需满足条件|u|M AXD/B，式中|u|M AX表示最大位移变形量，D 和 B 分别表示传动滚筒的直径和带宽。计算得到的传动滚筒最大位移值为 0.625 mm，大于实际位移变形量 0.38mm。因此传动滚筒的筒壳刚度满足实际使用需要，且存在一定的冗余。4传动滚筒结构优化改进研究4.1优化改进方案基于以上分析可以看出，DTL80 型带式输送机传动滚筒的结构设计存在很大的冗余。虽然能增加结构运行期间的可靠性，但是会在一定程度上提升结构的制作成本和运行时的能耗。本研究中选取传动滚筒中的三个关键参数作为优化对象，分别为辐板厚度、筒壳厚度和轴的直径，优化时的取值范围分别为 320mm、315 mm、50160 mm。优化时的约束条件为确保各个结构件的安全系数在 1.5 以上，同时保证筒壳的最大位移变形值在 0.625 mm范围内。在以上约束条件下对应的轴、筒壳和辐板轮毂最大应力值分别为237 MPa、157 MPa 和 154 MPa。优化的目标是确保传动滚筒的质量最小，以降低结构件的生产制作成本。4.2优化改进结果根据上述的优化改进方案在 ANSYS 软件中基于正交实验的思想开展优化改进工作，最终确定的轴的直径、筒壳厚度和辐板厚度分别为 100 mm、5.63 mm和 5.53 mm。由于上述尺寸与原始尺寸相比较均出现了一定程度的降低，使得传动滚筒的整体质量也出现了一定程度的降低。优化前和优化后的总质量分别为408.75 kg 和 324.26 kg，质量降低了 84.49 kg，降低幅度达到了 20%左右。如下页图 4 所示为优化前后传动滚筒结构的最大应力和最大位移统计情况。可以看出优化后各结构件的最大位移和最大应力均与优化前相比有了提升，但各个结构件的安全系数均在 1.5 以上，且传动滚筒的最大位移为 0.601 mm，能够满足工程应用需要。因此认为此次优化改进是科学合理的。将优化后的传动滚筒部署到 DTL80 型带式输送机工程实践中，经过现场测试发现性能良好，使用期间传动滚筒的故障率并没有显著提升。通过对传动滚筒的优化改进，使其生产制作成本降低，在保障设备运行稳定性的前提条件下，为企业创造了良好的经济3-1轴应力（MPa）3-2筒壳位移（mm）图 3传动滚筒中轴应力分布云图和筒壳位移分布云图NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=7TIME=1SEQV（AVG）DMX=.118 222SMN=.289E-06SMX=142.097.289E-0631.577 263.154 494.731 6126.30915.788 647.365 878.943 0110.520142.097NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=7TIME=1SEQV（AVG）DMX=.380 147SMN=.074 603SMX=.380 147.074603.142501.210400.278299.346197.108552.176451.244349.312248.380141382023 年第 2 期效益。5结语本文以 DTL80 型带式输送机传动滚筒为研究对象，在利用 ANSYS 软件对其受力情况进行分析的基础上，对结构进行优化改进。通过受力分析发现传动滚筒关键结构件均存在安全冗余现象，会增加结构件的制作成本和运行时的能耗。以轴的直径、筒壳厚度、辐板厚度为优化对象。通过优化改进，在保证传动滚筒安全系数在 1.5 以上的前提条件下，使结构件的整体质量降低了 20%左右。意味着传动滚筒的生产制作成本会大幅度降低，为相关企业创造了很好的经济效益。参考文献1钱科.长距离连续带式输送机自适应控制系统研究J.煤矿机械，2021，42（12）：57-59.2楚瑶.基于不同胀套连接下的矿用带式输送机滚筒结构性能研究J.机械管理开发，2021，36（11）：58-60.3师健.带式输送机滚筒轮辐受力分析有限元仿真研究J.能源技术与管理，2021，46（1）：124-126.4殷华，曹现刚.基于参数化设计的矿用带式输送机结构优化研究J.能源与环保，2021，43（5）：233-238.5李勇，苏恒瑜，马曙.矿用带式输送机传动滚筒静力学分析及其结构优化研究J.能源与环保，2021，43（10）：294-299.6胡慧，刘成.新型内置式传动滚筒的结构设计与滚筒体模态分析J.黄河科技学院学报，2021，23（5）：10-15.（编辑：王慧芳）图 4优化前后传动滚筒结构的最大应力和最大位移统计情况Stress Analysis and Structure Optimization of Drive Drum of DTL80 Belt ConveyorLi Lina（Shanxi Changzhi Jingfang Coal Industry Co.,Ltd.,Changzhi Shanxi 047100）Abstract:As a key structural part of belt conveyor,the scientific design and operation stability of drive drum have an important impact onthe reliability of the overall operation of the equipment.The stress analysis of the drive drum of DTL80 belt conveyor is carried out by usingAnsys software,and it is found that there is a large safety redundancy phenomenon in each structural part of the tradit