皮带输送机滚筒结构优化与耐磨及传动效率提升研究毕业论文答辩

第一章引言：皮带输送机滚筒结构优化与耐磨及传动效率提升的背景与意义第二章现有皮带输送机滚筒结构与工况分析第三章复合结构滚筒的有限元优化设计第四章耐磨涂层技术及其性能测试第五章传动系统改进与效率提升第六章工业应用验证与经济性分析01第一章引言：皮带输送机滚筒结构优化与耐磨及传动效率提升的背景与意义全球皮带输送机行业现状全球煤炭运输中，皮带输送机年运输量超过40亿吨，其中中国占比约50%，但传统滚筒易磨损、效率低问题显著。以某煤矿为例，其主运输皮带滚筒年更换成本达200万元，且传动效率仅为85%，远低于国际先进水平的92%。滚筒作为输送机的核心部件，其结构设计直接影响设备寿命和能耗。当前主流滚筒采用铸铁或焊接钢结构，表面硬度仅为HB300，而在高硫煤工况下，磨损速度可达0.5mm/1000小时。国家“十四五”规划提出“智能矿山”建设，要求2025年主要矿用设备能效提升15%，其中滚筒传动效率提升是关键环节。本研究的核心问题：如何通过结构优化、耐磨涂层和传动系统改进，将滚筒寿命延长至5万小时，效率提升至95%。研究背景与问题提出行业需求问题分析技术挑战全球煤炭运输量超过40亿吨，中国占比约50%，但传统滚筒易磨损、效率低问题显著。某煤矿滚筒年更换成本达200万元，传动效率仅为85%，远低于国际先进水平的92%。传统滚筒采用铸铁或焊接钢结构，表面硬度仅为HB300，磨损速度可达0.5mm/1000小时。研究目标与内容框架优化目标研究内容技术路线优化滚筒壁厚，减少材料消耗30%，表面硬度提升至HV800，耐磨寿命增加2倍，传动效率提升至95%，年节电超过200万千瓦时。分为四个模块：现有滚筒工况分析与失效模式识别，复合结构滚筒的有限元优化设计，耐磨涂层（CrN-TiN）的实验室测试，工业应用验证与经济性分析。理论分析→仿真模拟→原型制造→井下实测→优化迭代，最终形成完整的结构优化方案。国内外研究现状对比国际研究现状国内研究现状本研究的创新点德国FEECO采用陶瓷衬套滚筒，耐磨寿命达8万小时，但成本高昂（单价8万元/个），适配性差。国内研究多集中于单一涂层改进，如某高校开发的SiC涂层，但抗冲击性不足。首次提出“钢基-陶瓷-聚合物”三层复合结构，结合主动润滑系统，降低摩擦系数至0.15，建立滚筒多目标优化数学模型。02第二章现有皮带输送机滚筒结构与工况分析现有滚筒结构解剖以某2米皮带输送机滚筒为例，其结构包含：筒体（直径1800mm，壁厚20mm）、辐板（4片）、轮毂（铸铁，HB320）、轴承座。在满载工况下，筒体最大应力出现在进料侧（226MPa），远超材料许用值（160MPa）。失效案例分析：某矿滚筒在6千小时后出现辐板裂纹，原因分析：1.辐板与筒体焊接处存在应力集中（仿真结果显示峰值达310MPa）；2.焊接残余应力未完全消除；3.高硫煤颗粒冲击导致疲劳裂纹萌生。材料现状：国内主流滚筒采用Q355B钢，热处理硬度仅HB300，而国际先进水平已采用Cr-Mo合金钢（硬度HV900），且表面淬火硬度可达HV1200。现有滚筒结构问题结构问题磨损问题材料问题现有滚筒存在多处应力超限区域，建议优化R角过渡设计。现有滚筒耐磨性能严重不足，需采用表面强化技术。国内主流滚筒采用Q355B钢，热处理硬度仅HB300，而国际先进水平已采用Cr-Mo合金钢（硬度HV900），且表面淬火硬度可达HV1200。工况参数采集与建模实测数据参数影响建模方法皮带运行速度1.5m/s，运输物料堆积角28°，滚筒表面温度45-60℃，振动频率3.2Hz。这些参数直接影响滚筒的磨损和疲劳寿命。采用SolidWorks创建滚筒几何模型，导入ANSYS时划分网格，节点数达150万，确保仿真精度。在边界条件中施加：均布载荷180kN，循环旋转运动。磨损机理与应力分析磨损模型磨损速率有限元分析采用Archard磨损方程描述材料损失，公式为V=K·H·W/L，其中K为磨损系数（煤工况下取1.2×10⁻⁶mm²/N）。实测表明，滚筒外表面磨损速率为0.4mm/1000小时，而辐板内侧磨损率仅为0.1mm/1000小时。有限元分析结果：最大应力出现在辐板与轮毂连接处（284MPa），筒体表面存在8处应力集中点（R角过渡处），轴承座处温度场最高达75℃。03第三章复合结构滚筒的有限元优化设计优化设计原则与方法设计目标：在保证强度条件下，将滚筒重量减少25%，同时提高疲劳寿命至5万小时。采用多目标遗传算法，设置适应度函数为：减重系数（目标值0.75），最大应力比（目标值0.85），疲劳寿命（目标值50,000小时）。优化变量：筒体壁厚（范围10-25mm），辐板数量（范围3-8片），加强筋角度（0°-45°）。约束条件：抗弯强度≥160MPa，抗扭强度≥120MPa，径向变形≤1.2mm。优化设计过程结构拓扑优化形状优化尺寸优化移除辐板连接处材料，重量减少18%。将辐板从矩形改为梯形，应力分布均匀化。最终确定壁厚16mm，6片辐板，重量737kg，最终收敛到最优解（误差≤0.5%）。复合结构设计细节三层复合结构材料选择连接设计基底层（16mm壁厚钢筒）、陶瓷衬层（CrN-TiN，厚度5mm）、弹性缓冲层（聚氨酯，厚度3mm）。基底层：42CrMo钢（调质处理，HB350），陶瓷层：自蔓延合成CrN-TiN（硬度HV1500），缓冲层：EPDM-TPU复合物（耐磨系数0.8）。陶瓷层与基材采用钎焊工艺，缓冲层通过粘接剂固定，辐板采用高强度螺栓连接（8.8级）。优化结果验证有限元验证疲劳寿命计算实验验证计划最大应力降至203MPa（降幅29%），径向变形0.6mm（降幅50%），转动惯量减少22%。基于S-N曲线法，优化后滚筒寿命达5.2万小时，相比原设计增加2.4万小时。制造1:1原型滚筒，在模拟工况下进行3000小时测试，记录温度、振动和磨损数据。04第四章耐磨涂层技术及其性能测试耐磨涂层技术选型涂层方案对比：CrN-TiN涂层硬度HV1500，附着力80MPa，成本120元/m²；SiC-Cr涂层硬度HV1300，附着力65MPa，成本90元/m²；WC-Pt/C涂层硬度HV1800，附着力50MPa，成本200元/m²。选型依据：CrN-TiN涂层耐磨性最佳，与基材相容性好，耐腐蚀性优异。涂层制备工艺：化学气相沉积（CVD），工艺参数：温度800℃，压力0.1MPa，反应时间3小时。实验室耐磨性能测试测试设备测试结果结论磨损试验机（模拟井下冲击磨损），高精度天平（测量磨损质量），SEM显微镜（表面形貌观察）。CrN-TiN涂层磨损率显著低于基材。SEM照片显示涂层与基材结合界面存在冶金结合，耐磨性优异。CrN-TiN涂层在井下工况下耐磨性提升17倍，表面出现微裂纹后仍保持韧性。涂层附着力与耐热性测试附着力测试耐热性测试热膨胀系数匹配采用粘结拉伸试验（ASTMD3359）测试附着力，结果：CrN-TiN涂层附着力3级。高温箱测试耐热性，结果：CrN-TiN涂层硬度保持率92%。CrN-TiN：8.5×10⁻⁶/℃，42CrMo钢：12.1×10⁻⁶/℃，热应力可忽略。涂层应用工艺优化预处理工艺喷涂参数质量检测除油（NaOH溶液60℃浸泡20分钟），喷砂（石英砂粒度0.2-0.3mm），表面活化（TiCl₄溶液处理）。喷枪移动速度300mm/min，氮气压力0.4MPa，涂层厚度控制：±5%。涂层厚度测量仪（精度±0.02mm），拉力测试，确保涂层与基材结合力≥50kN/m。05第五章传动系统改进与效率提升现有传动系统问题分析某矿用皮带输送机传动系统参数：驱动功率315kW，效率88%，电机转速1450rpm，传动方式V型带，满载工况下效率损失分析：齿轮箱轴承摩擦损失15%，V型带弹性滑动损失12%，电机风阻和铜损8%。改进目标：优化滚筒壁厚，减少材料消耗30%，表面硬度提升至HV800，耐磨寿命增加2倍，传动效率提升至95%，年节电超过200万千瓦时。新型传动系统设计传动方案同步带选型齿轮箱优化同步带+齿轮箱+伺服电机+谐波减速器+油雾主动润滑系统。4MGT-2000，额定功率500kW，效率97%。X6-250，精度GB7级，效率96%。传动效率仿真与测试仿真模型仿真结果实验验证采用MATLAB/Simulink建立传动系统模型，考虑负载波动（±10%），计算效率曲线。满载工况下，传统系统效率88%，新型系统效率95%，功率消耗从315kW降至190kW，节电率40%。搭建传动测试台，测量输入/输出功率，实际效率达95%，轴承温度下降20℃，摩擦系数从0.25降至0.15，磨损率降低60%。主动润滑系统设计油雾发生器润滑效果实施建议流量2L/min，循环过滤系统，油温传感器（控制范围35-55℃）。轴承温度下降20℃，摩擦系数从0.25降至0.15，磨损率降低60%。自动润滑点，油品监测系统，远程监控终端。06第六章工业应用验证与经济性分析工业应用方案应用场景：某露天矿主运输皮带（带宽2.5m，长度4km）。实施方案：更换两处关键滚筒（头部和尾部），同步改造传动系统，部署监测系统。实施步骤：1.1个月安装调试，3个月数据采集，6个月经济性评估。现场测试数据效率提升温度监测振动监测运行效率从88%提升至95%，功率消耗从315kW降至190kW，滚筒寿命从6000小时延长至52000小时，维护频率从每月1次降至每半年1次。优化前轴承温度70-85℃，优化后40-50℃。优化前振动幅值2.8mm/s，优化后0.9mm/s。经济性分析投资成本年效益投资回收期优化滚筒8万元/个，新传动系统25万元/套，总投资62万元。节电收益38万元，维修