SSJ680型带式输送机传动滚筒结构强度的分析

王 智

(霍州煤电集团有限责任公司 庞庞塔煤矿，山西 临县 033200)

0 引言

带式输送机的结构比较简单，主要包括皮带、滚筒、托架等部件。带式输送机具有运输能力强、工作噪声小、故障率低、能耗小、安装与使用方便等优点，被广泛应用于煤矿开采、轻化工、交通运输、汽车制造等行业。由于带式输送机的诸多优点，在社会经济的发展中发挥着重要的作用，同时输送机的结构、性能也在不断改进与提高，积极地适应了经济发展的需求。

输送机结构虽然相对比较简单，但是由于长期处于物料冲击载荷的反复作用下，滚筒结构容易发生故障。滚筒结构中存在的焊缝容易在疲劳载荷的反复作用下萌生裂纹，微小裂纹在疲劳载荷的作用下不断扩展，从而致使结构产生严重破坏。因此需要对滚筒的结构强度进行分析，以提高滚筒的性能[1]。

1 SSJ680型带式输送机滚筒

带式输送机的工作原理相对比较简单，滚筒在运行时与传输皮带产生一定的摩擦力，借助该摩擦力实现对输送机传送带上物料的运输。SSJ680型带式输送机滚筒运输能力较大，属于重型滚筒。其传动滚筒的结构如图1所示，主要包括筒皮、滚筒轴、辐板以及轮毂等部件。

图1 传动滚筒结构

滚筒表面形式多样，SSJ680型带式输送机滚筒为包胶滚筒，可提供足够大的表面摩擦力，有效地避免皮带打滑，能适应工作环境较为复杂的情况。滚筒主要受皮带正压力和摩擦力的作用，摩擦力的大小与正压力相关。在对滚筒强度进行分析时，皮带对滚筒的正压力并不是均匀分布的，其压力的大小与接触角之间有一定的函数关系[2]。

2 分析模型的建立

首先，根据SSJ680型带式输送机传动滚筒的工程图纸，基于Croe软件建立其三维实体模型，为便于有限元的计算，简化了模型中一些不影响应力分析的细小特征，如孔、凹槽等。然后，将三维实体模型以STP格式导入Hypermesh软件中，对模型进行网格处理。

2.1 滚筒参数

根据SSJ680型带式输送机技术参数可知，输送机输送能力为Q=1 400 t/h；主要输送介质为散煤，输送机上煤料的堆积密度为ρ=970 kg/m3；滚筒直径为1 250 mm；皮带宽度为2 200 mm，皮带运行速率为v=5 m/s；滚筒与皮带之间的摩擦因数μ=0.35；输送带上单位长度煤炭质量QB=18 kg/m[3]。

2.2 材料属性

输送带滚筒各部件的材料参数如下：滚筒轴与轮毂的材料均为Q235，该材料的屈服强度为235 MPa，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.26；铸造接盘的材料为ZG230-450 H，其屈服强度为230 MPa，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.27[4]。

2.3 网格划分

由于Hypermesh软件具有强大的网格处理功能，因此将滚筒三维模型导入软件，采用六面体单元和扫掠网格划分方法，得到滚筒的网格模型如图2所示，滚筒筒体共生成132 572个单元和92 408个节点[5]。

图2 滚筒网格模型

2.4 边界与载荷

滚筒的约束条件相对比较简单，仅需要对滚筒轴的X、Y、Z方向的位移进行限制，同时将X、Y方向的旋转自由度设置为0。滚筒径向所受的载荷情况由表面载荷与皮带夹角之间的函数关系确定，对加载实际过程以及载荷计算在此不再一一赘述。

3 滚筒受力分析结果

根据ANSYS有限元分析计算结果，其应力分布情况与滚筒在实际使用中受力相似，如图3所示，滚筒的最大应力出现在滚筒轴与轴承的接触面，同时胀套与轮毂、辐板等位置应力都较大。滚筒面由于与皮带直接接触，具有一定的应力分布，但相对其他区域分布比较均匀，滚筒的最大应力值为37.304 3 MPa。校核滚筒的强度，滚筒的材料主要为Q235，其屈服强度为235 MPa，根据滚筒等效应力计算结果，核算滚筒满足强度要求。但由于滚筒在工作时，皮带对滚筒的载荷直接作用于滚筒，同时物料下降的冲击载荷容易对滚筒造成损伤。而筒壳与辐板的连接位置存在焊缝，存在应力集中的情况，是滚筒结构中的薄弱区域。

图3 滚筒应力分布图

图4为滚筒位移云图。由图4可以看出，滚筒的最大变形出现在筒皮的中部，最大位移值为0.537 mm，总体变形量较小，不影响滚筒的使用。因此可以考虑在不影响滚筒结构强度与刚度的基础上对其进行减重优化，同时可以采用内部加筋的方式降低结构中存在应力集中的问题。

图4 滚筒位移云图

4 滚筒结构优化设计分析

滚筒作为带式输送机重要的承载部件，在使用过程中常出现不同的故障，如出现疲劳裂纹的萌生、关键零部件在冲击载荷下折断等现象。为了有效提高带式输送机的使用寿命与可靠性，现对SSJ680型带式输送机传动滚筒结构优化改进提出两点建议：

(1) 由于滚筒为焊接结构，不可避免地在滚筒内部存在较多的焊缝，根据滚筒强度分析结果，在轮毂与筒皮、滚筒轴与轮毂连接位置应进行合理的焊缝布置，通过改进工艺减少焊缝的数量，从而提高滚筒的可靠性。

(2) 由于仿真计算的结果显示滚筒中部的变形较大，为了有效降低滚筒的变形量，可在滚筒内部轮毂之间设置加强筋板，增加滚筒的抗变形能力，同时可对应力分布较小的区域进行合理的减重优化，达到提高滚筒使用性能的目的。

5 结论

本文以SSJ680型带式输送机传动滚筒为研究对象，分析滚筒的受力情况，根据该型带式输送机工程图纸建立了滚筒的三维模型。基于ANSYS创建滚筒的有限元分析模型，通过计算分析得到了滚筒的应力、变形的分布情况。根据计算结果，滚筒的最大应力值为37.304 3 MPa，最大应力点位于轮毂与辐板连接位置；最大位移值位置在滚筒中部，最大位移为0.537 mm，最后核算强度与刚度均满足设计要求。根据计算分析的结果对该型带式输送机滚筒结构提出两点优化建议：①由于滚筒内部存在较多的焊缝，应力分布情况显示在焊缝连接位置容易出现应力集中，为了提高滚筒的性能可减少滚筒内部焊缝数量；②增加滚筒的刚度，可在轮毂之间增加加强筋板，可有效提高滚筒的刚度。