帶式輸送機轉向滾筒的多目標優化設計

郭志萍

（同煤集團同家梁礦， 山西 大同 037025）

引言

帶式輸送機是對散裝物料進行輸送的重要設備，在我國煤礦的開采輸送中被廣泛應用。作為煤炭輸送的主要設備，帶式輸送機能夠方便地對煤炭進行長距離大運輸量的輸送，并且布置靈活，具有較強的適應性，提高了煤炭的輸送效率。隨著帶式輸送機的發展，大型化的設備應用逐漸增多，在帶式輸送機中，滾筒是進行傳動的重要零部件，其重量及結構對帶式輸送機整體的性能及可靠性具有重要的影響。轉向滾筒依據現場的工況條件進行布置，用于改變輸送帶的傳動方向，從而實現煤炭的定點輸送[1]。對于轉向滾筒的設計，也向著柔性化優化設計的方向發展。針對某型號的帶式輸送機轉向滾筒采用多目標優化的方法進行設計，以減輕轉向滾筒的重量，節約資源，提高帶式輸送機的運行效率。

1 轉向滾筒多目標優化設置

采用ANSYS Workbench 有限元分析軟件對轉向滾筒進行優化設計，需首先建立轉向滾筒的結構模型，采用SolidWorks 2018 進行模型的建立，將建立的滾筒模型導入到ANSYS Workbench 中，將兩者進行銜接，完成模型的建立。

針對轉向滾筒的結構及性能參數進行設置，通過改變轉向滾筒的尺寸，將滾筒的質量降低，并提高其低階的固有頻率，保證轉向滾筒的變形量及最大應力滿足系統的要求[2]。依據滾筒的結構及性能，設定對滾筒進行優化的參數及其范圍界定見表1。

從表1 中可知，在進行轉向滾筒的優化設計中，設計變量為筒榖內徑、筒榖厚度、筒體厚度，優化目標函數為固有頻率及滾筒質量，系統的約束條件為滾筒的最大變形量及最大應力。對于優化目標函數，應增加滾筒的地接固有頻率，減小滾筒的質量，避免滾筒產生共振，提高帶式輸送機的性能[3]。依據表1中的內容，在ANSYS Workbench 中進行相應的參數設置，如圖1 所示。

表1 轉向滾筒優化參數及范圍值

圖1 轉向滾筒優化參數設置

2 轉向滾筒多目標優化分析

優化模塊是ANSYS Workbench 中進行快速優化的基礎，能夠確定產品的影響參數，并提高產品的可靠性，解決系統的多目標優化問題。對轉向滾筒采用目標驅動優化進行分析，選取直接優化的方法，轉向滾筒的多目標優化分析模型如下[4]：

式中：x1，x2，x3分別為變量筒榖內徑、筒榖厚度、筒體厚度；Mass 為滾筒的質量；Frequency 為滾筒的固有頻率；Press 為滾筒的最大應力；Deformation 為滾筒的最大變形量。

采用多目標遺傳優化算法對轉向滾筒進行多目標優化，這種優化方法依據群體的變化不斷迭代，直到產生種群的最優解[5]。對轉向滾筒的群體進行設置，設定遺傳算法的樣本數量為100，進行收斂的數目為50，最大迭代次數為20，對轉向滾筒進行優化分析，系統的目標函數即滾筒的質量及頻率的迭代過程分別如圖2、圖3 所示。

圖2 滾筒質量的迭代過程圖

圖3 滾筒固有頻率的迭代過程圖

從圖2 中可以看出，在進行滾筒的優化迭代過程中，滾筒的最小質量為1 100 kg，最大質量為1 430 kg，在進行遺傳迭代的過程中，轉向滾筒的質量不斷變化，在大約迭代到150 次時，質量變動范圍逐漸穩定。從圖3 中可以看出，轉向滾筒進行迭代優化的最大頻率為325 Hz，最小頻率為215 Hz，隨著迭代過程的進行，頻率值逐漸穩定在250～325 Hz。進行轉向滾筒的多目標優化，以轉向滾筒的質量為主要的目標函數，低階固有頻率為輔助的目標函數，在系統迭代產生的最優解中，兩個目標函數之間存在著相互關聯，相互矛盾的情況，這時，采用主要的目標函數滾筒質量最小值，低階固有頻率滿足系統要求即可[6]。根據系統生成的優化結果，在其中挑選出最符合轉向滾筒優化的解，優化結果的參數對比見表2。

通過對表2 中的數據分析可知，對轉向滾筒進行多目標優化，得到優化后的結果，優化后的轉向滾筒一階固有頻率增加了38.63 Hz，同時，轉向滾筒的質量降低了110 kg，滾筒的最大變形量稍有增加，符合系統要求。通過對轉向滾筒的優化設計，在保證轉向滾筒滿足約束條件的同時，改善了滾筒的結構，提高了滾筒結構的穩定性，同時有效地降低了轉向滾筒的質量，并提高了一階固有頻率，避免了滾筒的共振及其他破壞形式，整體上有效地提高了轉向滾筒的性能，節約了滾筒的材料，有利于帶式輸送機的性能提升。

表2 優化參數比較

3 結論

采用ANSYS Workbench 有限元分析軟件對轉向滾筒進行多目標優化設計，以轉向滾筒質量和固有頻率為目標函數，以轉向滾筒的最大位移和最大應力作為約束條件，采用多目標優化分析，得到轉向滾筒的最優解。通過對比可知，轉向滾筒一階固有頻率增加了38.63 Hz，同時，轉向滾筒的質量降低了110 kg，優化后的結果有效地降低了轉向滾筒的質量，并提高了一階固有頻率，避免了滾筒的共振及其他破壞形式的發生，提高了轉向滾筒的性能。對轉向滾筒的多目標優化設計同樣可以適用于帶式輸送機的其他零部件的優化設計中，從而可以更好地提高帶式輸送機的性能，提高煤炭的輸送效率。