基于ANSYS的帶式輸送機驅動滾筒的優化設計

衛志軍

（西山圪堆煤業有限公司， 山西 古縣 040200）

引言

作為將煤礦井下開采的煤炭運輸到地面上的連續性輸送設備，帶式輸送機系統憑借著其結構簡單、輸送效率高、成本低廉的特點，成為煤炭生產企業所不可缺少的核心機械[1]。帶式輸送機主要包括機架、輸送帶、驅動滾筒和張緊裝置，工作時驅動電機利用驅動滾筒和輸送帶之間的摩擦力帶動輸送帶的運行，從而實現對煤炭連續不斷的運輸，同時驅動滾筒還主要受到輸送帶在啟動時的振動和沖擊，因此驅動滾筒工作的可靠性和穩定性直接決定了輸送機系統能否穩定可靠的工作，為確保輸送機驅動滾筒在使用時的可靠性，多數設計企業利用加大滾筒的安全系數、加大滾筒的尺寸來降低驅動滾筒在使用時發生變形、斷裂等危害，但該方法除了靠加大滾筒的質量降低輸送帶的傳動效率外，對輸送機工作可靠性的提高有限，總體說來是得不償失，因此迫切需要開發一種新的、能夠對輸送機滾筒進行設計校核的方法，在實現輸送機工作可靠性的前提下降低驅動滾筒的整體質量，達到降低成本的目的。

1 帶式輸送機的工作原理及滾筒受力數學模型

帶式輸送機系統在靜止情況下通過輸送帶上的初始張緊力F0在輸送帶和驅動滾筒之間產生一定的正壓力，當驅動電機帶動驅動滾筒轉動時，在主動輪的驅動力矩的作用下，利用和輸送帶之間的正壓力產生的摩擦力驅動輸送帶運行，此時在驅動滾筒與輸送帶分離的一側輸送帶內的張緊力由F0降低為F2，輸送帶切入驅動滾筒一側輸送帶內的張緊力則由F0增大為F1，在運行過程中兩側輸送帶作用下產生的力矩和作用在滾筒上的力矩大小一致，由于輸送帶為黏彈性結構，因此輸送帶的長度隨輸送帶內張力的變化而變化，使輸送帶和驅動滾筒的圍包角α、靜止弧度γ以及工作弧度β均會受到輸送帶內張緊力的變化而變化，作用在驅動滾筒上的力的受力分析如圖1所示。

圖1 帶式輸送機驅動滾筒受力分析

由圖1可知，帶式輸送機中的張緊力在驅動滾筒的表面是不斷變化的，因此由歐拉公式可知，在輸送帶的有效工作弧度范圍內，輸送帶上任意的張緊力可表示為[2]：

在圍包角內任意一段微弧dθ中，作用在驅動滾筒上的正壓力可表示為：

此時輸送帶微弧下的驅動滾筒的面積可表示為：

式中：B為輸送機系統輸送帶的寬度；R為輸送帶作用出的驅動滾筒的最大半徑；此時作用于工作弧度內的壓力可表示為：

在工作時作用于滾筒表面的摩擦力可表示為：

2 帶式輸送機滾筒的仿真分析

ANSYS軟件是一款廣泛應用于結構分析的有限元仿真軟件，利用CREO三維建模軟件建立輸送機滾筒的三維模型并將其導入到ANSYS仿真分析軟件[3]中，采用映射網格劃分及自由網格劃分的方法對其進行網格劃分，并通過計算對驅動滾筒施加一定的工作載荷，其如圖2所示。

對其進行仿真分析，結果如圖3、4所示。

圖2 驅動滾筒三維仿真模型

圖3 驅動滾筒受力（MPa）分布云圖

圖4 驅動滾筒受力（MPa）變形云圖

由仿真分析結果可知，在工作載荷和沖擊的作用下，驅動滾筒的最大應力約為37.15 MPa，其主要發生在驅動滾筒兩側與滾筒邊板的焊接縫隙位置，在輸送帶運動時的外力作用下，對驅動滾筒產生一個向內的擠壓作用，使其產生了向內的變形凹陷，其最大的變形量出現在驅動滾筒中間位置的無輸送帶作用的一側，最大變形量約為0.3 mm，其變形量由輸送帶的切入側向外逐漸擴散，在輸送帶脫離的位置達到最大。

3 帶式輸送機驅動滾筒的優化設計

優化設計是利用最優設計的思想，對所有影響因素進行總的綜合評估分析，在所有影響因素中尋找一個最優的平衡點，實現一個最接近約束條件的設計。利用APDL[4]工具對該帶式輸送機驅動滾筒進行結構優化設計，將驅動滾筒的直徑D、壁厚s及輻板的厚度h作為優化時的變量，將驅動滾筒的總質量作為優化的目標值，由于驅動滾筒材料密度已知，因此可將滾筒總重的求解轉換為對滾筒體積V的求解，其目標函數的優化設計數學模型可表示為：

式中：B為驅動滾筒的寬度。

根據求解優化數學模型，將其帶入到APDL工具中，對其進行10次的迭代求解，對10次求解結果中目標函數的總質量進行分析，得出其分布曲線，如圖5所示，最大應力的變化曲線如圖6所示。

圖5 驅動滾筒總質量的變化曲線

圖6 驅動滾筒最大應力的變化曲線

由迭代求解結果可知，隨著迭代優化的增加，其滾筒質量總體上呈現逐漸降低的趨勢，并在第十次求解時達到最小，使驅動滾筒的總質量由最初的約7.27 t下降到了優化后的5.37 t，總質量降低了約26.14%，其最大的應力隨著迭代的加深，應力逐漸降低，使其滿足結構強度的要求。

4 結論

驅動滾筒主要用于將驅動電機的輸出動力傳遞給輸送帶，從而帶動整個輸送機系統的連續運轉，是帶式輸送機系統的關鍵部件，驅動滾筒的使用壽命和工作時的穩定性直接關系到帶式輸送機系統能否正常工作。通過建立驅動滾筒受力的數學模型，利用ANSYS仿真分析軟件對驅動滾筒受力時的應力和應變情況進行分析并進行優化設計。優化后的結構表明：在各處應力滿足使用要求的情況下，能夠使驅動滾筒的總質量由最初的約7.27 t下降到了優化后的5.37 t，總質量降低了約26.14%，極大提高了驅動滾筒的使用壽命，提高了輸送機在工作時的穩定性。