关于煤矿带式输送机传动滚筒的优化设计及其应用.pdf

优化改造andNo.7,2023DevelopmentManagementMechanical2023年第7 期Total243总第2 4 3 期机械管理开发D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.070关于煤矿带式输送机传动滚筒的优化设计及其应用李帆（山西焦煤霍州煤电汾源煤业，山西忻州035100)摘要：以筒壳厚度、加强环长度和厚度为优化对象，利用Ansys软件对结构进行优化改进。优化后的结构尺寸均有了不同程度的降低，使得滚筒整体质量降低了2 2.14%。将优化后的传动滚筒应用到带式输送机工程实践中，经现场应用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；传动滚筒；余设计；结构优化中图分类号：TD741文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3 X(2023）0 7-0 17 4-0 30引言带式输送机在煤矿领域中的应用非常广泛，是对煤矿及相关工具进行运输的重要装备，输送机的稳定可靠运行对于煤矿开采过程有一定程度的影响。随着煤矿领域技术水平地不断提升，对带式输送机的运行稳定性和可靠性要求越来越高 2 。传动滚筒是输送机中重要和关键的结构件，由传动系统输人的动力需要通过传动滚筒驱动皮带做循环往复运动 3 。鉴于传动滚筒的高可靠性要求，利用传统方法设计时，通常将相关结构尺寸设置过大，存在穴余现象 4 。此现象不仅造成材料资源浪费，还会增加传动滚筒的加工制作成本 5 本文基于Ansys软件对带式输送机传动滚筒进行受力分析，并对其结构进行优化改进，最后应用到工程实践中，取得了良好的经济效益。11传动滚筒的结构概述带式输送机整体的结构相对简单，主要包括传动滚筒、换向滚筒、上托辊、下托辊、张紧装置等 6 。其中，传动滚筒是比较重要的结构件，从电机及传动系统输入的动力，会传入传动滚筒，传动滚筒与皮带接触通过摩擦力驱动皮带运动。如图1所示为传动滚筒的典型结构示意图。可以看出，滚筒由多个结构件构成，主要包括胀套、轮毂、辐板、筒体等，筒体中间部位处于悬空状态，最容易发生变形，因此设置有加强环，目的是提升中间部位刚度，避免工作时中间部位发生过大的变形，影响传动滚筒的正常工作。筒体变截面辐板胀套加强环轴承轮毂、传动轴图1传动滚筒的结构示意图2传动滚筒模型建立及受力结果2.1模型的建立传动滚筒的长度和滚筒直径分别为16 0 0 mm、1670mm，筒体厚度为4 0 mm，胀套宽度、内径和外径分别为116 mm、4 0 0 m m 和4 9 5 mm，轮毂宽度、内径和外径分别为17 0 mm、4 9 5 m m 和6 9 5 mm，轮毂厚度、内径和外径分别为6 0 mm、6 9 5 mm和15 9 4 mm。根据以上尺寸利用SolidWorks软件构建三维几何模型，建模时为了简化，可以将倒角和倒圆等细小结构进行省略。完成建模后将模型导人Ansys软件中进行网格划分和材料属性设置。传动滚筒中的结构类型较多，不同结构使用的材料存在差异，如传动轴使用的材料为4 5 号钢、轮毂和辐板使用的材料为ZG250、胀套材料为5 0 Cr等，严格按照对应材料的基本属性设置模型，以保证模型计算的准确性。网格划分是有限元建模时比较关键的环节，划分质量会对模型计算速度和精度产生直接影响。Ansys软件中提供了多种类型的网格，本案例中选用的是六面体网格进行划分，网格大小由模型自动确定，最终划分得到的网格单元数量为3 3 9 6 4 个（见图2）。2.2受力结果分析完成传动滚筒有限元模型的建立工作后，可以利用软件的计算模块对模型进行计算，然后利用后处理模块对结果进行提取分析。本文研究重点关注传动滚筒工作时的受力和变形情况，因此提取了滚筒的应力分布云图和位移变形分布云图，结果如图3 所示。由图2传动滚筒的有限元模型收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 4作者简介：李帆（19 9 3 一），男，山西孟县人，本科，毕业于安徽理工大学采矿工程专业，助理工程师，现任山西焦煤霍州煤电汾源煤业机电维运队技术员，研究方向为采矿工程。.175.帆：关于煤矿带式车动滚筒的优化设计及其应用2023年第7 期NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV(AVG)DMX=.0498R-04SMX.989E+070220E+08439E+08659E+08879E+08.110E+08.330E+08.3549E+08.769E+08.989E+083-1应力场(Pa)分布NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1USUM(AVG)RSYS=0DMX=,498E-04SMX=.498E-0400.111E-030.221E-030.332E-030.442E-030.553E-040.166E030.276E-030.387E030.498E-033-2位移变形场(m)分布图3传动滚筒的应力场和应变场分布图3 可知，不管是应力场分布还是位移变形场分布，传动滚筒不同位置都呈现出明显的不均匀性，即不同位置的应力和位移变形量存在较大差异。大部分位置的应力和位移变形量均相对较小，只有局部位置出现的应力集中和位移变形集中现象，最大应力为9 8.8MPa，最大位移变形为0.4 9 8 mm。应力集中部位主要出现在三个位置，分别为轴承与轴相接触的部位、滚筒表面刚开始与皮带接触的部位、筒体与幅板相接触的部位。位移变形量最大的位置处于筒体中间并且与皮带相接触的部位。传动滚筒中筒体部分需要与皮带接触，因此对其位移变形量提出了一定的要求，如果位移变形量太大会影响两者的接触摩擦。根据相关设计规范，滚筒允许的最大位移变形量ymxD-1 670=1.04 mm,其B1600中：D、B分别为传动滚筒的直径和宽度。而传动滚筒实际的最大位移变形量为0.4 9 8 mm，未超过规范标准值，因此能满足基本要求。滚筒加工材料中ZG250的屈服强度最低为2 5 0 MPa，安全系数为1.5，可以计算得到材料的许用应力为16 6.6 7 MPa。滚筒的最大应力没有超过材料的许用应力。从传动滚筒的受力和位移变形两个层面都说明在设计阶段存在明显的穴余现象，会造成材料浪费问题，加大滚筒的加工制作成本，存在一定的优化改进空间。3传动滚筒的优化设计与应用3.1优化设计通过对传动滚筒的静力学分析，发现滚筒在结构设计方面存在很大的浪费，可以利用先进的有限元技术对传动滚筒的结构进行优化改进。对滚筒性能造成影响的结构参数是多方面的，选取了三个比较典型的结构参数作为优化改进对象，分别为滚筒厚度、加强环长度和宽度。为了不对滚筒结构做大幅度改动，并压缩优化改进计算时间，对三个优化对象的取值范围进行限定，分别在2 0 3 5 mm、8 0 13 0 m m 3 5 6 5 m m 范围内取值。优化改进思路是基于试错法思想，在上述三个范围内分别取值后，利用Ansys软件构建有限元模型进行分析，并对相关结果进行对比以获得最优结果。优化改进时，以材料的许用应力和结构允许的最大位移变形作为约束条件，即要求传动滚筒的最大应力不得超过16 6.6 7 MPa,最大位移变形不超过1.0 4 mm。完成优化改进工作后，最终确定的滚筒厚度、加强环长度和厚度分别为3 2 mm、8 2 m m 和4 2 mm，此时对应的最大应力和最大位移变形分别为13 7.8 7 MPa和0.97mm，在安全范围内，不会影响滚筒的运行稳定性和可靠性。如图4 所示为传动滚筒优化前后优化对象和滚筒质量的数据对比情况。由图中数据可知，通过优化改进使传动滚筒各结构件尺寸均出现了不同程度降低，导致滚筒整体质量出现了大幅度降低，由优化前的7.9 5 t降低到了优化后的6.19 t，降低幅度为22.14%。整体质量的降低可以为企业节省设备的加工制作成本。1109.0滚筒厚度100100加强环长度90加强环高度8.580滚筒质量828.0707.95607.5505040427.03035206.510￥6.106.0优化前优化后图4传动滚筒优化前后的数据对比情况3.2优化效果分析为了验证传动滚筒优化改进方案的可靠性，根据以上优化改进结果加工制作传动滚筒，并将其应用到带式输送机工程实践中。目前优化后的传动滚筒在工程中的应用时间已经超过6 个月。通过对传动滚筒的应用情况进行统计分析，发现其整体运行良好，整个运行期间没有出现明显的故障问题，说明此次针对传动滚筒的优化改进工作是有效的。在保障设备稳定可靠运行的基础上，有效降低了整体重量，不仅可以节ShanxiGuo Bol2（编辑：王婧）上接第17 3 页上接第17 1页laSley and Its Application(编辑：王婧）.176.第3 8 卷机械管理开发省加工制作成本，还可以降低后续的运行成本，取得了良好的经济效益。4结论1)由于传动滚筒结构尺寸过大，导致滚筒的最大应力和最大位移变形均远低于安全标准，会增加滚筒的加工制作成本；2)以筒体厚度、加强环长度和厚度为优化对象，以允许的最大应力和位移变形为约束条件，对传动滚筒进行结构优化，优化后的滚筒不仅能正常稳定运行，还使其质量降低了2 2.14%；3)将优化后的传动滚筒应用到工程实践中，发现其运行过程比较稳定，验证了优化改进方案的可靠性。On the Optimal Design of Coal Mine Belt参考文献1宋超.掘进巷道带式输送机常见故障及处理措施 J.现代机械，2022(1):100-102.2剧江涛.煤矿伸缩式钢架带式输送机换向滚筒优化设计 J.机械研究与应用,2 0 2 2,3 5（1）：15 1-15 2.3廖辉，苏金辉，陈胜飞，等.大型传动滚筒有限元分析与软件二次开发 J.煤矿机械，2 0 2 2，4 3（2）：9 0-9 3.4王倩云.矿用带式输送机传动滚筒受力分析与改进.机械管理开发,2 0 2 1,3 6(12):5 2-5 4.5曹勇.带式输送机传动滚筒筒壳强度分析与优化设计 J.煤炭与化工,2 0 2 1,4 4(12):8 8-9 0.6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，2 0 2 1,4 3（10）：2 9 4-2 9 9.sign of Coal Mine Belt ConveyorDrive PulLi Fanhanxi Coking Coal Huozhou Coal and Power Fenyuan Coal Industry,Xinzhou Shanxi 035100,ChinAbstract:The thickness of the cylinder shell,the length and thickness of the reinforcement ring were taken as the optimization objects,andthe structure was optimized and improved by using Ansys software.The optimised structure dimensions were all reduced to varying degrees,resulting in an overall weight reduction of 22.14%in the drum.The optimised drive pulleys were applied to the belt conveyor inengineering practice and were found to achieve the expected results and create good economic benefits after field application.Key words:belt conveyor;drive pulley;redundancy design;structural optimisation3闫利军.基于ANSYS的矿用液压支架的结构优化设计 J.机械管理开发，2 0 18,3 3(7)：16-17;2 0.4尉建辉.关于提高矿用液压支架掩护梁结构强度的研究 刀.机械管理开发,2 0 19,3 4(11）：5 4-5 6.5王芳。不同工况下ZF13000型矿用液压支架顶梁结构性能分析J.机械管理开发,2 0 2 1,3 6(8)：8 9-9 1.（编辑：王婧）Measures to Optimize the Structural Strength of Mining Hydraulic Support Roof BeamSun Xuefeng(Lyuliang Coal Mine Gas Monitoring System Maintenance and Calibration Centre,Lyuliang Shanxi033000,China)Abstract:For the mining hydraulic bracket in the coal mining process by the impact of gangue in the mining area,the strength of the roofpressure,etc.,easy to deformation and fracture problems,and in order to ensure that the structural strength of mining hydraulic bracket roofbeam is well improved,the structural characteristics of mining hydraulic bracket roof beam are studied and specific optimisation measuresare proposed,which can ensure that mining hydraulic bracket is safer and more stable,with a view to providing reference for relevantpersonnel.Key words:mining hydraulic bracket;roof beam structure;strength optimisation3国家安全生产监督管理总局.煤矿井下低压供电系统及装备通用安全技术要求：AQ10232006S.北京：煤炭工业出版社，2 0 0 7.Design of Gun Bolt Type Two-Proof Lock for Mining Distribution Units(1.Shanxi Luan Coal Technology&Equipment Co.,Ltd.,Changzhi Shanxi 046000,China;2Luan Anyi Electric Co.,Ltd.,Changzhi Shanxi 046000,China)Abstract:In view of the problems of the existing two-proof locking devices used in electrical products such as high-voltage distributiondevices and low-voltage feeder switches in underground coal mines,a gun-bolt type two-proof lock is designed to effectively preventunauthorized power supply and unauthorized cover opening and realize the intrinsically safe operation of mining electrical equipment.Key words:high voltage distribution equipment;gun and bolt type two-prof lock;unauthorised power supply;unauthorised opening of lid