豐曉杰

（晉能集團大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機作為連續(xù)運輸裝備，具有易于控制、運輸過程安全、運輸距離長等優(yōu)勢，在煤礦領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用[1]。早期我國的煤礦設(shè)備主要依賴進口，國產(chǎn)設(shè)備使用穩(wěn)定性相對較差。煤礦設(shè)備使用環(huán)境復(fù)雜，對設(shè)備的強度和剛度等提出了相對較高的要求[2]。設(shè)計人員在對煤礦機械裝備結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，為了提升其安全系數(shù)，通常都會增加結(jié)構(gòu)件的規(guī)格尺寸。對于帶式輸送機換向滾筒同樣如此。增加結(jié)構(gòu)件的厚度能夠增加其高度，確保設(shè)備的安全運行[3-4]。但是過分增加換向滾筒結(jié)構(gòu)件規(guī)格尺寸，會造成材料的浪費，在一定程度上增加了生產(chǎn)加工制作成本，不利于帶式輸送機的可持續(xù)發(fā)展[5]。因此，有必要對換向滾筒進行受力分析，在此基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，在保證換向滾筒滿足實際使用需要的前提下，盡可能減少結(jié)構(gòu)件的規(guī)格尺寸，避免出現(xiàn)材料浪費現(xiàn)象，降低換向滾筒的生產(chǎn)加工制作成本[6]。

1 換向滾筒總體結(jié)構(gòu)概述

以DTL180型礦用帶式輸送機為例進行研究分析，對該型號帶式輸送機的換向滾筒進行研究。DTL180型帶式輸送機的換向滾筒相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：皮帶寬度為180 cm，換向滾筒的寬度和直徑分別為200 cm和180 cm。滾筒軸通過滾筒軸承進行支撐，兩個軸承之間的距離為208 cm。軸的總體長度為300 cm，安裝脹套和軸承部位的直徑分別為38 cm和34 cm。輻板厚度也存在梯度變化，與輪轂連接的部位、與筒殼連接的部位，輻板厚度分別為160 cm和6 cm。工作時皮帶與滾筒的相遇點和分離點的張力大小分別為1 200 kN和540 kN。皮帶與換向滾筒之間通過摩擦力傳遞扭矩，實現(xiàn)帶式輸送機的正常工作，兩者間的摩擦系數(shù)為0.3。

2 換向滾筒受力模型的建立

2.1 三維模型構(gòu)建

由于帶式輸送機換向滾筒的實際模型結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，內(nèi)部涉及到很多的細節(jié)問題。為了對模型建立過程以及計算過程進行簡化，有必要對換向滾筒的一些細節(jié)特征進行簡化。涉及到的簡化主要包含下述幾個方面：小結(jié)構(gòu)特征比如圓角、凸臺等省略；兩個零件通過焊接連接時將其視為一個零件；將軸承位置的約束視為簡支梁結(jié)構(gòu)形式。首先基于上述假設(shè)簡化，利用SolidWorks軟件根據(jù)換向滾筒實際尺寸建立三維模型。然后將模型轉(zhuǎn)換成為STP格式，以便導(dǎo)入到ANSYS軟件中進行模擬分析。

2.2 有限元模型的建立

1）網(wǎng)格劃分。將STP格式的三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中需要馬上對其進行網(wǎng)格劃分。ANSYS軟件中包含有多種網(wǎng)絡(luò)劃分形式，不同形式網(wǎng)格單元會對計算過程以及結(jié)果產(chǎn)生決定性影響。在所有的網(wǎng)絡(luò)類型中，用得比較多的包括兩個，分別為SOLID45和SOLID95。換向滾筒中的受力結(jié)構(gòu)件，比如輻板、輪轂以及滾筒軸等，利用SOLID45實體網(wǎng)格類型實施劃分，其他結(jié)構(gòu)件利用SOLID95網(wǎng)格類型進行劃分，采用自動網(wǎng)格劃分形式。

2）材料屬性定義。換向滾筒中涉及到多個結(jié)構(gòu)件，不同結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)制作材料存在一定的差異。其中滾筒軸使用45鋼生產(chǎn)，其彈性模量和泊松比分別為193 GPa和0.28。筒殼使用Q235生產(chǎn)，彈性模量和泊松比分別為200 GPa和0.29。幅板使用ZG230-450加工，彈性模量和泊松比分別為207 GPa和0.28。脹套使用40Cr加工，彈性模量和泊松比分別為206 GPa和0.3。將以上數(shù)據(jù)參數(shù)輸入到對應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)中，以便得到理想的結(jié)果。

3）載荷和約束。換向滾筒在正常工作過程中，受到的載荷主要包括滾筒自身重力、旋轉(zhuǎn)時的慣性力以及皮帶施加的表面載荷。約束方面主要受到滾動軸承對其施加的簡支梁形式的約束。如圖1所示為換向滾筒有限元模型。

圖1 帶式輸送機換向滾筒有限元模型

3 換向滾筒受力結(jié)果分析與討論

根據(jù)上述過程建立好帶式輸送機換向滾筒有限元模型后，可以調(diào)用軟件中的分析計算模塊對模型進行計算，計算完成后可對模型進行后處理，即對結(jié)果進行分析。如圖2所示為換向滾筒中筒殼、滾筒軸和輻板的應(yīng)力分布云圖。

圖2 換向滾筒中筒殼、滾筒軸和輻板的應(yīng)力（MPa）分布云圖

筒殼在工作時主要承受兩方面的力，分別為皮帶施加在表面上的力、脹套的預(yù)緊力。從圖中可以看出筒殼的最大應(yīng)力值為35.57 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力值的部位為與輻板進行焊接連接的部位。滾筒軸的最大應(yīng)力值為94.07 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力值的部位為與脹套進行連接的部位。除個別位置出現(xiàn)應(yīng)力集中外，整個軸的其他區(qū)域受力相對較小，整體應(yīng)力分布比較均勻。輻板的最大應(yīng)力值為169.8 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力值的部位為與脹套進行連接的位置，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要是由于脹套安裝時施加的預(yù)緊力引起的。輻板其他區(qū)域的應(yīng)力也相對很小。

基于以上分析可以看出，換向滾筒中的筒殼、滾筒軸以及輻板結(jié)構(gòu)件整體受力比較小，各自的應(yīng)力值均比材料的許用應(yīng)力值小很多。表明這些結(jié)構(gòu)件的強度和剛度都非常大，能夠滿足實際使用需要。但是，結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力值與材料許用應(yīng)力值之間的差別太大，說明結(jié)構(gòu)件的剛度和強度存在富余的情況，有進行優(yōu)化改進的空間。在保證這些結(jié)構(gòu)件滿足實際使用需要的前提下，適當降低它們的規(guī)格尺寸以節(jié)省加工制作成本。

4 換向滾筒的優(yōu)化設(shè)計研究

4.1 優(yōu)化設(shè)計基本思路

在整個帶式輸送機結(jié)構(gòu)體系中，換向滾筒的作用是對力矩進行傳遞，實現(xiàn)整個設(shè)備的正常運行。皮帶工作時的張力直接作用在換向滾筒表面上，在該作用力的影響下導(dǎo)致滾筒各個結(jié)構(gòu)件，包括輪轂、輻板以及滾筒軸等發(fā)生位移變形、產(chǎn)生應(yīng)力。通過優(yōu)化設(shè)計能夠在保證換向滾筒結(jié)構(gòu)滿足實際使用需要的前提下，盡可能減小其生產(chǎn)制作成本，即體現(xiàn)在換向滾筒總體質(zhì)量的降低上。結(jié)合帶式輸送機換向滾筒實際情況，可以將滾筒軸直徑、筒殼厚度以及輻板厚度作為優(yōu)化變量，以換向滾筒的強度和鋼度作為約束條件，以換向滾筒整體質(zhì)量作為優(yōu)化目標開展優(yōu)化設(shè)計工作。

4.2 優(yōu)化變量、目標和約束條件

所謂優(yōu)化設(shè)計變量指的就是能夠在指定范圍內(nèi)進行變化的量。在結(jié)合換向滾筒結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，設(shè)置了三個優(yōu)化變量，分別為滾筒軸直徑、輔板厚度和筒殼厚度。優(yōu)化過程中的約束條件主要是換向滾筒內(nèi)各個結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力值不得超過對應(yīng)材料的許用應(yīng)力值。優(yōu)化目標為換向滾筒的整體質(zhì)量，可以根據(jù)各結(jié)構(gòu)件尺寸計算對應(yīng)的體積，然后結(jié)合材料的密度就可以計算得到換向滾筒的整體質(zhì)量。為簡化計算過程，本文將所有材料的密度全部設(shè)置為7.85×10-6kg/mm3。

4.3 換向滾筒優(yōu)化設(shè)計整體流程

基于ANSYS軟件對其進行優(yōu)化設(shè)計。為了不對帶式輸送機整體結(jié)構(gòu)造成影響，換向滾筒的筒殼直徑以及寬度保持不變，優(yōu)化設(shè)計變量主要為滾筒軸直徑、輔板厚度和筒殼厚度。如圖3所示為換向滾筒優(yōu)化設(shè)計整體流程圖。

圖3 換向滾筒優(yōu)化設(shè)計整體流程圖

4.4 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析

如下頁圖4所示為優(yōu)化設(shè)計過程中不同計算次數(shù)對應(yīng)的換向滾筒整體質(zhì)量。從圖中可以看出，隨著計算次數(shù)的不斷增加，換向滾筒的整體質(zhì)量大體上在逐漸降低。經(jīng)過10次計算后，滾筒質(zhì)量基本保持穩(wěn)定，不再顯著降低。保持穩(wěn)定后的滾筒總質(zhì)量為5.98 t，而在優(yōu)化前對應(yīng)的質(zhì)量為7.71 t。由此可以看出，在對換向滾筒部分結(jié)構(gòu)件尺寸進行優(yōu)化改進后，換向滾筒總體質(zhì)量得到了顯著降低，其生產(chǎn)加工成本隨之會降低很多，為企業(yè)節(jié)省了大量的生產(chǎn)加工成本。雖然對其結(jié)構(gòu)尺寸進行了優(yōu)化改善，但是不會影響其正常使用，能夠保證所有結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力值維持在對應(yīng)材料的許用應(yīng)力值范圍以內(nèi)。

圖4 換向滾筒整體質(zhì)量隨計算次數(shù)的變化曲線

如圖5所示為優(yōu)化前后各參數(shù)數(shù)據(jù)對比。

5 結(jié)論

帶式輸送機換向滾筒是保證整個設(shè)備正常運行的關(guān)鍵，但是一味地追求換向滾筒的強度和剛度，過分增加結(jié)構(gòu)件的規(guī)格尺寸會在一定程度上增加結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)加工成本，造成材料浪費。利用ANSYS軟件對帶式輸送機換向滾筒的受力情況進行分析，發(fā)現(xiàn)其中幾個重要結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力值與材料許用應(yīng)力值之間的差距較大，存在富余現(xiàn)象?；诖藢ζ浣Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，改進后的滾筒結(jié)構(gòu)不僅滿足實際使用需要，同時多個結(jié)構(gòu)件的規(guī)格尺寸顯著降低，使得整體的質(zhì)量從優(yōu)化設(shè)計前的7.71 t降低到了優(yōu)化后的5.98 t，為企業(yè)節(jié)約了大量生產(chǎn)加工成本，優(yōu)化改進效果顯著。

圖5 優(yōu)化前后各參數(shù)數(shù)據(jù)對比（單位：mm）