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电动滚筒负载带式输送机特性分析与动力学仿真

2023-09-05 72 上传者：管理员

摘要：基于现有矿用电动滚筒基本结构，介绍一种矿用电动滚筒结构优化设计方案。从传动系统、齿轮联轴器、轴承、紧固件、滚筒材料等方面介绍了电动滚筒结构优化设计，并采用仿真分析方法，从负载特性分析和动力学分析两个角度对优化设计方案进行仿真验证。确认电动滚筒结构优化设计方案切实可行后，将其应用于工程实践，检验电动滚筒结构优化设计方案应用价值。

关键词：
优化设计方案
动力学仿真
带式输送机
电动滚筒
负载特性
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电动滚筒是带式输送机的动力部件，多采用外置式电动滚筒，但由于带式输送机实际工作环境较为恶劣，使得电动滚筒极易出现各类故障问题，其不仅会影响带式输送机使用寿命，还易导致各类安全事故发生。常用的电动滚筒优化设计方法包括有限元分析法、多体动力学法、理论分析法等，在相关方法的支持下，所提出的电动滚筒优化设计方案具有较强可行性。但相关研究对象多集中在外置式滚筒领域，对于内置式行星齿轮系统电动滚筒研究较少。因此，介绍一种内置式行星轮电动滚筒结构优化设计，将具有较高的研究价值。

1、矿用电动滚筒结构优化设计

矿用内置式行星轮系统电动滚筒结构优化设计主要包括传动系统、齿轮联轴器、轴承、紧固件、滚筒材料等内容，具体结构优化设计如下：

1）传动系统：太阳轮和行星轮材料分别选用20Cr Mn Ti和21Cr Mo，热处理方式分别为渗碳淬火和调制，齿轮压力角为20°。

2）齿轮联轴器：外齿轴和内齿套齿数均为20齿，分度圆直径为60 mm，齿高分别为6.75 mm和5.4 mm，齿宽为20 mm。联轴器长度和总长度分别为100 mm和123 mm。

3）轴承：行星轮轴承直径为21 mm，法兰轴和端盖轴承采用深沟球轴承。

4）紧固件：法兰轴和支座、太阳轮与电动机轴之间均采用键连接，键长为140 mm。

5）滚筒材料：法兰轴采用45优质碳素结构钢，特殊重负荷区域采用16Mn合金结构钢。滚筒主体部分采用Q235钢板，端盖、支座分别采用HT200和QT4550-10材料。行星轴用挡圈采用65Mn材料，所有材料均采用热处理工艺。滚筒直径、壁厚、长度等参数分别为630 mm、10 mm、1 150 mm。

2、矿用电动滚筒仿真模型构建

通过Solid Works三维建模软件，根据矿用电动机滚筒结构优化设计方案构建电动滚筒三维实体模型。将模型导入ANSYS有限元仿真软件中，为电滚筒模型设置材料属性和约束条件。其中材料属性与“1”中结构优化设计中参数相同，约束条件则设置为滚筒两端固定。另外，根据滚筒实际运行情况，为滚筒施加轴承载荷。

实施电动滚筒模型网格划分，具体网格划分模型如图1所示。

图1矿用电动滚筒网格划分模型

3、矿用电动滚筒负载特性与动力学仿真分析

3.1电动滚筒负载特性分析

电动滚筒负载特性分析采用模态分析方式，由于模型低频率响应对高阶模态的影响较小，所以在模态分析中主要分析前六阶模态，第一阶模态振型见图2。

在模态分析中，电动滚筒最大振幅出现区域大多集中在端盖和低速级内齿圈两个区域。

在第一阶模态振型中，电动滚筒模态振型表现出整体沿X轴转动的特征，最大振幅区域出现于端盖和低速级内齿圈位置，模态固有振动频率为145.24 Hz。

图2第一阶模态振型

在第二阶和第三阶模态振型中，电动滚筒模态振动分别表现为端盖和低速级内齿圈沿Z轴弯曲振动和Y轴弯曲振动，最大振动区域均出现于低速级内齿圈位置，模态固有振动频率分别为153.7Hz、154.99Hz。

在第四阶和第五阶模态振型中，电动滚筒模态振动均表现为中间机构沿X轴方向扭曲振动，具体振动方向分别为左右振动和前后振动，最大振动区域均出现于低速级内齿圈位置，模态固有振动频率分别为251.29 Hz、255.89 Hz。

在第六阶模态振型中，电动滚筒模态振动表现为法兰沿X轴方向左右振动，最大振动区域均出现于端盖位置，模态固有振动频率为292.93 Hz。

在电动滚筒运行过程中，由于外部负载和内部扰动等因素的共同影响，其可能会出现系统同频率共振情况，进而引发电动滚筒损坏问题。因此，为保障电动滚筒运行中不会受到外部负载和内部扰动等因素的影响，保障电动滚筒运行稳定性和安全性，需对可能产生振动的因素进行综合分析，并将相关振动因素的振动频率与电动滚筒各阶模态振型进行匹配对比。

电动滚筒中高速级太阳轮和低速级太阳轮的工作频率分别为371.83 Hz和122.83 Hz，两者均与电动滚筒各阶模态振动频率存在较大差异，所以在电动滚筒和输送带较低外部负载扰动下，基本不会出现同频率共振情况。

3.2电动滚筒动力学分析

3.2.1行星齿轮系统传动比

仿真中电动滚筒的驱动单元采用22 k W电动机，电动滚筒的预计转速为970 r/min，对应的旋转角速度为5 820°/s。设置模型仿真时间和步数分别为1.0 s和500步，通过ADAMS软件中的模型求解器程序对模型进行仿真分析，进而获取到虚拟样机模型在1 s仿真时间内的仿真分析结果。高速级/低速级太阳轮转速曲线如图3所示。

由图3可知，高速级/低速级太阳轮转速分别为5 820°/s和289°/s，由此可计算出行星齿轮系统的传动比为20.13。理论分析计算后可得行星齿轮系统的传动比为20，如此可获取到虚拟样机仿真技术的传动比误差率为0.65%，实际误差率较小，证明虚拟样机方法可作为电动滚筒动力学分析方法。

图3高速级/低速级太阳轮转速曲线

3.2.2行星齿轮系统均载特性

仿真分析中设定行星齿轮系统传动比为20，高速级/低速级太阳轮转矩分别为216 000 N·m和4 320 000 N·m。由于高速级太阳轮和低速级太阳轮的转动方向相反，所以需要在模型仿真中合理设置扭矩方向。高速级太阳轮传递力，如图4所示。

图4高速级太阳轮传递力

由图4可知，高速级太阳轮对行星轮1和行星轮2的作用力均为3 325 N，说明两个行星轮处于受力均衡状态。

低速级两个行星轮对高速级太阳轮X方向的作用力合力接近于0，说明高速级行星轮对低速级行星轮的作用力传递效果较为良好，行星齿轮系统较为稳定。低速级两个行星轮对高速级太阳轮Y方向的作用力合力同样接近于0，说明行星齿轮系统在Y方向上的作用力传递较为良好。

3.2.3电动滚筒负载平衡

在负载平衡状态下，电动滚筒电动机的驱动转矩M和滚筒载荷MR分别为196 000 N·mm和4 320 000N·mm，并且滚筒处于匀速转动状态，提高和降低电动机驱动转矩，滚筒会以恒定加速度调整转速。不同电动机驱动转矩条件下仿真分析结果如图5所示。

4、矿用电动滚筒结构优化设计的工程应用

通过仿真分析可初步确认矿用电动滚筒结构优化设计具有较强可行性。为进一步验证结构优化设计的应用价值，研究中会根据电动滚筒结构优化设计方案制作电动滚筒实物，并将优化后的电动滚筒替代带式输送机现有滚筒，通过优化前后的滚筒综合性能对比来确认电动滚筒结构优化设计应用价值。

具体工程应用分析于某煤矿中进行，其实际工作环境极为复杂，会对电动滚筒正常运行造成较为严重负面影响，同时也可以最大程度分析电动滚筒综合性能。在经过长达3个月的应用后确认，相较于现有电动滚筒来说，优化后的电动滚筒使用寿命提高13.6%，并且由于固有振动与带式输送机正常工作频率存在较大差异，所以实际生产过程中基本不会出现同频率共振情况，更有利于保障带式输送机运行安全性和稳定性。

参考文献:

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文章来源:郝文华.带式输送机电动滚筒负载特性分析与动力学仿真[J].机械管理开发,2023,38(08):8-9+12