煤礦伸縮式鋼架帶式輸送機換向滾筒優化設計

劇江濤

(山西省能源發展中心，山西 太原 030000)

0 引 言

隨著綠色環保、低碳節能理念的提出，再加上運輸設備大型化、系統化、現代化的發展趨勢，輕量化設計理念的推行勢在必行。換向滾筒的重量大約為帶式輸送機運輸設備總重量的1/5以上，滾筒進行輕量化設計不僅可以降低成本，減少材料損耗，對于設備結構的安全可靠也至關重要。某煤礦所用的帶式輸送機為LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機，設備的換向滾筒為老式換向滾筒，滾筒重量大、制造成本高，筆者對其在保證設備強度與剛度要求的前提下進行輕量化設計，最大程度地減輕設備重量，提升設備使用性能。

1 帶式輸送機換向滾筒優化設計

伸縮式鋼架帶式輸送機換向滾筒優化設計的常見方法有粒子群算法、子問題近似法、拓撲優化理論等。上述分析方法分析次數多、優化設計效率低，只能運用有限差的方法分析。為提高優化效率，文中擬采用以響應面為研究基礎的確定性優化方法對LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機換向滾筒進行優化設計，以應力與位移大小為限制條件對換向滾筒質量進行函數分析，求出最佳數值，得出最小滾筒質量[1]。

1.1 響應面建模流程

LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機換向滾筒響應面的建模首先應確定變量、目標函數以及約束條件。以變量為基礎，運用BBD的方法對換向滾筒進行數據選取，通過該數據進行現場試驗后可獲取相應的響應值，然后將響應值擬合后可得到目標的近似目標函數[2]。再運用二次規劃算法對已經建立的模型進行優化設計分析，針對問題進行優化求解，即可得出相應的優化結果。以該結果為基礎可進行二次設計試驗，以此往復上述試驗步驟。當最終結果符合收斂準則，即前后兩次試驗所得優化結果差值小于一定數值后，即可確定試驗優化完成。其具體的優化流程示意圖如圖1所示。

1.2 換向滾筒優化設計

LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機的換向滾筒主要由筒體、滾筒軸、筒轂軸承座等部件組成，其最大允許壓力為35 MPa，最大變形量為其直徑的萬分之一。通過運用有限元分析中的靜力學法對LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機換向滾筒進行分析可得出滾筒的具體參數為如表1所列，材料屬性具體參數如表2所列。

圖1 響應面建模優化流程示意圖

表1 帶式輸送機換向滾筒具體參數表

表2 材料屬性參數表

樣本點數據的獲取一般采用有限元分析的方法得到，需要網格劃分、施加載荷、施加約束、計算結果及處理4個步驟[3]。網格劃分主要有四面體、掃掠型、自動網格法、多域掃掠型4種方式。換向滾筒形狀屬于非規則圖形，故選用自動網格法。在Ansys Workbench軟件中選擇Solid186單元，將尺寸設置為30 mm，即可生成四面體單元。

換向滾筒載荷與約束力的施加較為簡單。載荷的施加主要集中在滾筒與輸送帶相連面，設備運轉開始后實際接觸面積只有原有的一半[4]。軸端的支撐力主要在軸與軸承的安裝部分，且該作用力在滾筒表面失效發生時可忽略。除上述兩個力之外換向滾筒就只有零件自重與張緊力，其受力示意圖如圖2所示。將上述作用力輸入Ansys Workbench軟件，計算可得出結果為0.0942 MPa，其計算公式如下：

式中：P為均布載荷，MPa；F為輸送帶張緊力，N；B為輸送帶寬度，mm；D為換向筒直徑，mm。

圖2 軸向均布載荷與約束、載荷加載示意圖

求解主要是通過將滾筒進行三維模型建立、材料設置。有限元分析、網格劃分、施加載荷與約束后進行數據分析求解，得出樣本響應值的過程。此設計將殼體厚度、筒轂厚度及其內徑選定為變量值，其初始值分別為x0=[24 60 370]T，將其輸入至Design-Expert軟件后，將滾筒應力R1與位移R2作為響應值進行設計分析，得出最終結果為：①位移殘差呈正態分布，幾乎分布與一條直線之上；②位移殘差與預估值點分布分散，符合預測邏輯，表明分析數據完成，無遺漏；③位移預估值與實際分析值幾乎重合，分布合理，實驗數據準確。經數據模擬和分析計算后可得，當R1=0.89，R2=0.92時，其響應面最為合理。

1.3 換向滾筒模型優化

通過分析，LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機換向滾筒的數學優化模型[5]為：

minf(x)

st.R1(x)-0.1≤0

R2(x)-35≤0

式中：x為變量值；f(x)為目標函數；R1(x)、R2(x)為約束條件。

設計變量中，筒殼厚度初始值為24 mm，上下限為20 mm、28 mm；筒轂厚度初始值為60 mm，上下限為50 mm、70 mm；筒轂內徑初始值為355 mm，上下限為320 mm、390 mm。目標函數滾筒質量的初始值為1 288.4 kg。

運用序列二次規劃法對上述模型進行優化求解。運用Matlab軟件中的優化工具GUI對上述數據進行優化求解可知，x=[20 50 390]T時，設計變量值為最優量。經過6次迭代收斂計算后，可得出換向滾筒的最優質量參數為1 116.1 kg。

2 應用分析

運用上述設計對LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機換向滾筒進行輕量化改造，優化前的滾筒質量為1 288.4 kg，優化后的滾筒質量為1 116.1 kg，共減輕質量172.3 kg，滾筒實際重量較改造前下降了13.37%，且經過500 h的連續工作試運轉無發生設備故障，符

合設計要求。其具體改造實物圖如圖3所示。

圖3 LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機實物圖

3 結 語

帶式輸送機是煤礦生產中的重要運輸設備，隨著節能環保理念與設備大型化、現代化理念的不斷加深，某煤礦的LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機已無法適應設備發展的要求。文中以LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機為研究對象，結合確定性優化設計理念，對LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機的換向滾筒進行輕量化設計，經過確定性優化設計并進行實地改造實驗后，滾筒質量下降約13.37%，符合產品優化理念，提高了產品的自身性能。優化后的換向滾筒運行正常，無特殊故障，符合使用要求。