煤礦伸縮式鋼架帶式輸送機換向滾筒優(yōu)化設(shè)計

劇江濤

(山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030000)

0 引 言

隨著綠色環(huán)保、低碳節(jié)能理念的提出，再加上運輸設(shè)備大型化、系統(tǒng)化、現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢，輕量化設(shè)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(shè)備總重量的1/5以上，滾筒進行輕量化設(shè)計不僅可以降低成本，減少材料損耗，對于設(shè)備結(jié)構(gòu)的安全可靠也至關(guān)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(shè)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(shè)備強度與剛度要求的前提下進行輕量化設(shè)計，最大程度地減輕設(shè)備重量，提升設(shè)備使用性能。

1 帶式輸送機換向滾筒優(yōu)化設(shè)計

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

1.1 響應(yīng)面建模流程

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

1.2 換向滾筒優(yōu)化設(shè)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(xué)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(shù)為如表1所列，材料屬性具體參數(shù)如表2所列。

圖1 響應(yīng)面建模優(yōu)化流程示意圖

表1 帶式輸送機換向滾筒具體參數(shù)表

表2 材料屬性參數(shù)表

樣本點數(shù)據(jù)的獲取一般采用有限元分析的方法得到，需要網(wǎng)格劃分、施加載荷、施加約束、計算結(jié)果及處理4個步驟[3]。網(wǎng)格劃分主要有四面體、掃掠型、自動網(wǎng)格法、多域掃掠型4種方式。換向滾筒形狀屬于非規(guī)則圖形，故選用自動網(wǎng)格法。在Ansys Workbench軟件中選擇Solid186單元，將尺寸設(shè)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(shè)備運轉(zhuǎn)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(fā)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(jié)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(shè)置。有限元分析、網(wǎng)格劃分、施加載荷與約束后進行數(shù)據(jù)分析求解，得出樣本響應(yīng)值的過程。此設(shè)計將殼體厚度、筒轂厚度及其內(nèi)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(yīng)力R1與位移R2作為響應(yīng)值進行設(shè)計分析，得出最終結(jié)果為：①位移殘差呈正態(tài)分布，幾乎分布與一條直線之上；②位移殘差與預(yù)估值點分布分散，符合預(yù)測邏輯，表明分析數(shù)據(jù)完成，無遺漏；③位移預(yù)估值與實際分析值幾乎重合，分布合理，實驗數(shù)據(jù)準確。經(jīng)數(shù)據(jù)模擬和分析計算后可得，當(dāng)R1=0.89，R2=0.92時，其響應(yīng)面最為合理。

1.3 換向滾筒模型優(yōu)化

通過分析，LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機換向滾筒的數(shù)學(xué)優(yōu)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(shù)；R1(x)、R2(x)為約束條件。

設(shè)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(nèi)徑初始值為355 mm，上下限為320 mm、390 mm。目標函數(shù)滾筒質(zhì)量的初始值為1 288.4 kg。

運用序列二次規(guī)劃法對上述模型進行優(yōu)化求解。運用Matlab軟件中的優(yōu)化工具GUI對上述數(shù)據(jù)進行優(yōu)化求解可知，x=[20 50 390]T時，設(shè)計變量值為最優(yōu)量。經(jīng)過6次迭代收斂計算后，可得出換向滾筒的最優(yōu)質(zhì)量參數(shù)為1 116.1 kg。

2 應(yīng)用分析

運用上述設(shè)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(yōu)化前的滾筒質(zhì)量為1 288.4 kg，優(yōu)化后的滾筒質(zhì)量為1 116.1 kg，共減輕質(zhì)量172.3 kg，滾筒實際重量較改造前下降了13.37%，且經(jīng)過500 h的連續(xù)工作試運轉(zhuǎn)無發(fā)生設(shè)備故障，符

合設(shè)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(jié) 語

帶式輸送機是煤礦生產(chǎn)中的重要運輸設(shè)備，隨著節(jié)能環(huán)保理念與設(shè)備大型化、現(xiàn)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(yīng)設(shè)備發(fā)展的要求。文中以LY00001伸縮式鋼架帶式輸送機為研究對象，結(jié)合確定性優(yōu)化設(shè)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(shè)計，經(jīng)過確定性優(yōu)化設(shè)計并進行實地改造實驗后，滾筒質(zhì)量下降約13.37%，符合產(chǎn)品優(yōu)化理念，提高了產(chǎn)品的自身性能。優(yōu)化后的換向滾筒運行正常，無特殊故障，符合使用要求。