關于TDJ 50型帶式輸送機滾筒結構優化研究

李 領

（汾西礦業集團中興煤業公司，山西 交城 030500）

引言

帶式輸送機因其具有結構簡單、穩定性好、效率高等特點而得到了廣泛的應用。帶式輸送機在煤礦開采運輸中發揮著不可替代的作用，同時滾筒又作為輸送機中關鍵部件，承受著絕大部分工作載荷，滾筒失效將對企業產生經濟損失，對于帶式輸送機的可靠性具有重要影響[1]。

滾筒作為焊接結構，其故障失效形式主要包括：表層磨損、滾筒筒體焊縫產生裂紋、結構塑性變形等[2]。由于滾筒所受的載荷工況復雜，驅動滾筒在工作時受到軸向與徑向的載荷，同時有物料傳遞給滾筒的疲勞沖擊載荷。因此，對TDJ50型帶式輸送機滾筒結構進行優化分析，不僅有助于了解滾筒的整體性能，還為其結構優化提供有力參考。

1 滾筒結構介紹

一般而言根據滾筒的受力方式不同，可以將滾筒分為傳動滾筒、改向滾筒，傳動滾筒的作用是將驅動力依靠摩擦傳遞給皮帶，從而實現對物料的運輸。改向滾筒位于端部，實現對皮帶傳動方向的控制。根據滾筒的表面形式，又可以分為光面滾筒、套膠滾筒、鑄膠滾筒等，此種分類方式主要是為了適應不同的工作環境與工作條件[3]。

TDJ50型帶式輸送機滾筒的直徑為660 mm，如圖1所示，其主要結構部件組成包括滾筒軸、筒體、輪轂、輻板等。在有限元模型的處理上將此焊接結構視為一個整體，不同部件之間設置為剛性連接單元。

2 拓撲優化基本理論

圖1 傳動滾筒結構

拓撲優化是以結構輕量化為優化目標，可以對分析對象施加載荷與邊界條件，根據拓撲理論分析計算出承力較小的區域，并將此類區域的材料挖空去除，從而得到拓撲優化的結果。優化分析的三個基本要素包括：設計變量、目標函數、約束條件。一般根據用戶設定；約束條件是變量函數的一個不等式關系式，以確定分析模型中函數變量的最佳取值[4]。

常規的有限元分析軟件均集成了拓撲優化分析算法，選擇了ANSYS Workbench，因為其具有較強的網格劃分能力以及非線性收斂能力。可導入CAD軟件創建的三維模型，并具有獨特的網格智能生成技術，可以在保證計算精度的前提下，盡量減小模型處理時間。

ANSYS Workbench中的Design Exploration分析模塊就集成了拓撲優化分析算法，該模塊操作簡單，易于上手。同時根據用戶的需要，設置不同的優化目標與優化變量，提升了模型優化能力。Design Exploration分析模塊具有如下兩種特點：

1）非線性耦合能力好，對模態、流體等都可進行優化。

2）獲取CAD模型的幾何尺寸鏈，可對模型的尺寸進行分析，實現對模型的參數化優化[5]。

通過對該拓撲優化基本理論的分析，可為后文開展滾筒的拓撲優化研究奠定理論基礎。

3 滾筒有限元分析模型建立

3.1 滾筒模型建立

3.1.1 三維模型

為保證分析結果的可靠性，依據TDJ50型帶式輸送機的工程圖紙，創建滾筒的三維模型，三維軟件創建的滾筒模型為裝配體，為真實反應滾筒的受力情況，將滾筒和滾筒軸區分開來。

3.1.2 輸送機參數

TDJ50型帶式輸送機運送能力Q=1 800 t/h；輸送機上煤料的堆積密度ρ=970 kg/m3；主機長L=115 m，垂直提升高度H=8.5 m；輸送機帶寬B=1 400 mm，皮帶運轉速率v=6 m/s；輸送帶上單位長度煤炭質量QB=17 kg/m。

3.1.3 材料屬性

根據滾筒大部分結構均采用Q235鋼，已知該材料的屈服極限為235 MPa，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.26。

3.1.4 網格劃分

如圖2所示，為滾筒的有限元網格劃分模型，為了簡化計算量，根據滾筒的實際結構可知，滾筒結構具有較好的對稱性，網格單元大小設置為10 mm，采用六面體網格劃法滾筒筒體生成195 572個單元，滾筒軸生成157 130個單元[6]。

圖2 滾筒網格劃分模型

3.2 載荷工況與邊界條件

3.2.1 載荷

在滾筒結構強度分析中，其邊界條件與受載情況對其分析結果有重要的影響，為了模擬滾筒實際受力情況，根據滾筒的使用經驗與受力分析，選取兩種分析工況。

工況一：不考慮滾筒裝配應力的作用，僅有工作載荷作用于滾筒表面，表面載荷的施加為模擬皮帶對滾筒的作用力，將滾筒與皮帶接觸區角度劃分為每15°一個等份，每個第份取均值。

工況二：考慮裝配預緊力，切向力、周向力等，改載荷狀態更能反映出滾筒的實際受載情況，由于篇幅所限，在此不再對載荷的計算做展開分析。

3.2.2 邊界條件

滾筒的有限元分析模型為1/4對稱模型，首先在其對稱邊界面施加對稱約束，即設置軸向的自由度為0，滾筒軸中心設置Y、Z方向方向自由度為0。

4 兩種工況滾筒筒殼與副板應力對比分析

根據工況一與工況二的載荷對滾筒進行了分析，分別提取了滾筒筒殼與輻板的應力分布情況，下面對兩種工況下應力情況進行分析。

4.1 工況一

如圖3-1所示，為筒殼在工況一狀態下等效應力，根據計算結果可知此時最大等效應力為23.07 MPa，最大應力位于筒殼與輻板連接接觸區域。3-2為輻板的應力分布情況，由分析結果可以得到滾筒軸向應力與剪切應力相對于周向應力更小很多。軸向應力的分布與皮帶接觸角度密切相關，最大應力點位于與皮帶接觸的頂點。

圖3 工況1等效應力云圖分布

4.2 工況二

如圖4所示為滾筒結構在工況二時等效應力分布情況，此時筒殼最大等效應力為114.05 MPa，輻板最大等效應力為152.125 MPa，其余大部分區域應力在82.5～100 MPa之間。由應力分布情況可知筒殼中部應力較小，均小于50 MPa，在兩端與輻板相連接的區域應力最大；輻板的最大應力主要分布在輻板與軸相連的區域，即輻板周向應力分布特點為內側應力大于外側。

5 滾筒結構拓撲優化

根據ANSYS Workbench的計算結果，結合Design Exploration拓撲優化分析模塊，在前文強度分析的基礎上，采用多載荷步方式，設定結構的強度為拓撲優化函數，指定滾筒的體積為約束條件，設定優化的目標值為40%，設置好后在分析模塊中設置迭代次數、收斂公差等參數。根據ANSYS的分析結果，對滾筒結構優化可總結為如下三條優化改進意見：

1）輻板為滾筒的重要承力部件，在滾筒的結構設計中應增加輻板的強度。

圖4 工況2等效應力（MPa）云圖分布

2）輻板與筒殼之間連接的區域容易產生應力集中，可以采用局部鑄造的結構，將此處位置的焊縫轉移至應力較小的區域。

3）滾筒的蒙板、輪轂等區域內部所承受的載荷較小，可以根據需要對其結構進行適當優化減重。

6 結論

1）滾筒的應力分析結果顯示最大等效應力為152.125 MPa，出現在輻板與筒殼的焊縫處，故在此處極易率先發生疲勞裂紋失效現象。

2）依據有限元分析結果，設定滾筒體積優化的目標值為40%，分析得到滾筒結構優化三條優化改進意見。