帶式輸送機改向滾筒結構優化分析

熊光偉

（太原煤氣化集團公司龍泉能源公司， 山西 太原 030000）

0 引言

煤炭資源作為我國重要的能源形式，其在我國的經濟發展中起到舉足輕重的作用，隨著我國經濟的快速發展，煤炭資源的需求量日益加大。據統計，我國煤炭資源在一次能源中占比超過七成。隨著科技水平的不斷進步，煤礦機械化水平日益提升。帶式輸送機作為重要的物料輸送設備，其在我國礦山、化工、冶金行業應用十分廣泛，隨著礦井開采規模及開采難度的不斷加大，普通帶式輸送機已經無法滿足礦井正常生產要求，目前礦井的運輸已經朝著大運量、長距離、大傾角方向發展。帶式輸送機主要由輸送帶、驅動裝置、安全裝置、托輥、滾筒等組成，傳動原理為驅動裝置通過滾筒驅動輸送帶[1-2]。滾筒按照工作效果可分為改向滾筒和傳動滾筒，為了追求效率的高效化，本文基于前人研究，以DTL160/330/3×1 600 帶式輸送機為研究對象，對改向滾筒進行結構優化，為礦井降本增效做出一定的貢獻。

1 改向滾筒靜力分析

改向滾筒大多安裝于輸送機的端部，其主要作用為改變輸送皮帶運行方向。通過自重提供張緊力，同時增大傳動滾筒接觸面積，使摩擦力增大，從而實現運輸效率的提升。目前對滾筒的優化設計方法有許多，但主要采用許用應力法進行優化設計，即在應力滿足要求的條件下進行結構設計。本文利用數值模擬軟件對結構靜力進行分析，通過模擬云圖分析結構受力情況，從而對結構尺寸等進行優化，達到優化設計的目的。

ANSYS 軟件是由ANSYS 公司發明的一款軟件，目前推出ANSYS19.0，軟件可以求解結構、熱、流體、電磁、碰撞等問題。利用ANSYS 數值模擬軟件進行改向滾筒模型建立，改向滾筒由滾筒軸、脹套、筒體、軸承座等組成。相對應的部件均有對應的結構尺寸圖，所以通過UG 8.0 對結構尺寸圖進行處理，生成輸送機的Φ830 mm×1 600 mm 改向滾筒裝配體模型，后通過外接軟件將模型導入SpaceClaim 進行模型簡化，忽略安裝孔、倒角、螺栓等，同時整個過程張力均勻布置，無明顯焊接缺陷等。對結構進行力學參數設定，滾軸采用45 號鋼，密度為7.85g/cm3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.31，屈服極限為355MPa，抗拉強度600MPa；輪輻采用ZG230-450，密度為7.85 g/cm3，彈性模量為200GPa，泊松比0.3，屈服強度和抗拉強度分別為230MPa、450 MPa；滾筒采用Q235，密度為7.85 g/cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.33，屈服強度為235 MPa，抗拉強度為375～500 MPa。對模型進行網格劃分，網格采用六面體網格和四面體網格，網格劃分完成共計網格64 萬個，節點106 萬個。改向滾筒網格劃分如圖1 所示。

圖1 改向滾筒網格劃分

對模型進行邊界條件設定，對模型的六個方向進行約束設定，限制X、Y、Z 三個方向的轉動及平動。對模型進行載荷設置，對模型進行邊界條件的約束以及載荷的施加，施加邊界條件為靜力分析邊界條件。對模型進行邊界條件設定，對模型的六個方向進行約束設定，限制X、Y、Z 三個方向的轉動及平動。對模型進行載荷設置，對模型進行載荷施加，皮帶張力設定為40 kN。對模型進行靜力學分析，整體應力云圖如圖2所示。

圖2 改向滾筒整體應力云圖

從圖2 中可以看出，改向滾筒整體受力較為平均，且整體受力較小，僅在軸與軸套連接處位置存在最大的應力值，最大應力值為13.364 MPa，如圖2 中標注max 位置為最大應力值點。

分別對軸及軸套的應力情況進行分析，軸及軸套的應力云圖如圖3 所示。

圖3 軸及軸套的應力云圖

如圖3 所示，軸的應力分布云圖整體呈現對稱分布的特點，對稱軸為軸的中線，可以看出軸的最大應力集中點為軸與軸承接觸位置，在此位置的最大應力值為9.466 3 MPa。觀察軸套的應力分部云圖可以看出，在軸套與軸連接位置出現應力集中，應力最大值為6.863 7 MPa。

2 結構優化分析

對改向滾筒進行優化，在滿足使用需求的同時，實現設計優化。設計主要針對滾筒結構，由于滾筒的結構有著較大冗余現象。同時根據靜力模擬分析得出了冗余結構位置。所以可以對其結構進行拓撲優化。首先進行質量優化，質量優化目標為原先質量的75%～85%，利用ANSYS Workbench 下Topology Optimization 模塊進行優化計算，整體模型在75%～85%質量區間進行優化，經過優化后此時在軸與支撐環位置減重明顯，在軸的中間部位去除部分質量，在軸套、筒體積輪輻位置無明顯質量減少。同時結合模擬結果，并基于應力進行結構優化，此前滾筒的受力最大值為13.364MPa，設定優化應力為10 MPa，基于應力優化后，此時的軸中部及支撐環重量被消減，而軸套質量無變化。

經過對以上要素進行優化計算，最后得出在軸中部受力較小，同時在軸心可設計為空余，在軸的中部適當減少質量。而在輪輻位置強度充裕，可以適當增大圓孔，適當減薄支撐；支撐環周期性開槽；筒體開槽處理。對優化后的結構進行模擬分析，同樣進行建模及后續參數設定，具體步驟與前文過程類似，所以不做論述，得出優化后靜力模擬云圖如圖4 所示。

圖4 改向滾筒整體應力云圖

從圖4 可以看出，優化后的改向滾筒云圖顯示，滾筒的整體變形最大值為0.025 mm，應力最大值出現的位置為支撐處，此時的最大應力值為11.56 MPa。可以看出，經過優化后此時的改向滾筒整體能夠承受工作時的最大應力，最大應力值為11.56 MPa 遠小于選用材料鑄鋼、Q235、45Cr 鋼的許用應力，所以優化后使用能夠滿足要求，整體對改向滾筒進行的輕量化設計能夠滿足要求。

3 結論

1）本文利用ANSYS 數值模擬軟件對改向滾筒進行模擬分析，給出了滾筒模型建立、網格劃分、約束及應力設置等方法，為后續模擬研究奠定基礎。

2）對改向滾筒靜力加載下受力進行分析，發現改向整體受力較為平均，僅在軸與軸套連接處位置存在最大的應力值，最大應力值為13.364 MPa，為優化設計提供參考。

3）經過優化后此時的改向滾筒整體能夠承受工作時的最大應力，最大應力值11.56 MPa 遠小于選用材料鑄鋼、Q235、45Cr 鋼的許用應力，改向滾筒優化設計較為成功。