帶式輸送機改向滾筒的靜態分析及結構優化

王宇琪

（晉能控股煤業集團大地選煤工程有限責任公司王村選煤廠， 山西 大同 037003）

引言

作為帶式輸送機的關鍵結構，滾筒的設計制造水平在不斷提高。滾筒的結構逐漸從剛性設計轉變為柔性設計，并隨著帶式輸送機速度的提高，滾筒的要求也不斷提高。改向滾筒是布置在帶式輸送機的端部位置用于改變輸送帶的方向，主要受到徑向載荷的作用，承受的載荷復雜，對帶式輸送機的運行具有重要的影響。

1 改向滾筒有限元模型的建立

改向滾筒在帶式輸送機的運行過程中，兩端由軸承支撐，表面受到輸送帶的正壓力，使用過程中的失效形式主要分為磨損、變形、剪切破壞及裂紋。采用有限元仿真的形式對改向滾筒進行靜態分析，首先需建立改向滾筒的有限元模型。采用Space Claim進行改向滾筒三維模型的建立，Space Claim 可以進行模型的快速創建及編輯，支持多種數據格式，建立三維模型。采用ANSYS Workbench 進行有限元仿真，ANSYS Workbench 集成多個分析模塊，搭建CAE 分析的平臺系統，可以很好地支持改向滾筒的靜態分析及結構優化。

依據某型號的改向滾筒進行簡化假設，將焊接零件看作連續整體進行分析，滾筒視為一體化結構，省去外層的橡膠部分，建立三維模型。將三維模型導入ANSYS Workbench 中使用Mesh 功能進行網格劃分，零部件之間設定為綁定連接[1]。采用自由網格的形式對改向滾筒進行網格劃分，包含四面體及六面體網格，得到滾筒的網格模型如圖1 所示。

圖1 改向滾筒的網格劃分模型

改向滾筒的主要結構包括軸、輪輻及滾筒，設定滾筒結構的材質屬性，軸采用45 鋼，輪輻采用ZG230-450 合金鋼，滾筒采用Q235。對滾筒進行有限元靜態分析，對模型施加相應的約束及載荷[2]。改向滾筒在使用過程中作旋轉運動，兩端采用固定約束，重力及張力作用于筒體上，由此對改向滾筒的應力及變形進行靜態分析。

2 改向滾筒仿真結果分析及結構優化

對改向滾筒進行有限元分析，經過計算后處理，可以得到改向滾筒的應力及變形如下頁圖2-1、2-2所示。從圖2 可以看出，改向滾筒的整體應力較小，最大應力值為13 MPa，最大應力位于滾筒的軸與軸套的連接位置；滾筒的最大變形發生在筒體內部的軸上，采用剖切圖的形式可以看到，整體結構的最大變形量為0.014 mm，位于軸的中間位置處。

圖2 改向滾筒的靜態分析結果

采用ANSYS Workbench 軟件中的Topology Optimization 功能進行改向滾筒的優化設計，通過分析其響應參數，從而提高滾筒的可靠性。滾筒的設計變量即為響應參數，包括輻板的厚度、筒體的厚度及加強環的半徑，狀態變量是優化設計的約束函數，包括改向滾筒的最大位移，最大等效應力，目標函數即為優化的目標，設定為滾筒的質量，即在狀態變量設定的范圍內，對設計變量進行優化[3]，從而達到目標函數最小的優化目的。

Topology Optimization 通過靜力計算進行優化，改向滾筒為對稱結構，存在周期性變化，設定結構周期為6。建立改向滾筒的模型，設定相應的輸入參數，進行網格的劃分，確定各設計參數及狀態變量的范圍，選取整體應力大小以不超出現有應力為優化約束條件，以最小質量為目標進行優化設計，經過計算，得到改向滾筒優化前后的設計參數對比見表1 所示。從表1 中數據可知，經過優化設計后，改向滾筒的質量下降22%，同樣對優化后的滾筒進行靜態分析。

表1 改向滾筒優化前后參數對比

采用同樣的方式，對優化后的改向滾筒進行靜態分析，可以得到優化后改向滾筒的應力及變形分布如圖3 所示。從圖3 可看出，經過優化后的改向滾筒的最大應力值為11.5 MPa，最大變形量為0.025 mm，滾筒整體承受的應力較小，改向滾筒的各部件均可滿足使用要求，最大變形量有一定增加，但相對較小，為可接受的變形。經過優化后，改向滾筒的靜態性能滿足使用需求，且質量有較大的減輕，對于提高滾筒的可靠性具有重要的幫助，實現了滾筒的輕量化設計。

圖3 優化后改向滾筒的靜態分析結果

3 結論

1）經過分析確定滾筒的最大應力為13 MPa，位于軸套的連接位置處，最大變形量為0.014 mm。

2）采用ANSYS Workbench 對改向滾筒進行結構優化設計，并對優化后的改向滾筒進行靜態仿真分析，經過優化后，改向滾筒的質量下降22%，最大應力值為11.5 MPa，最大變形量為0.025 mm。

3）經過優化后的改向滾筒，減輕了自身的質量，提高了滾筒的可靠性，且經過分析滿足靜態使用要求。經過結構優化設計，提高了改向滾筒的可靠性，有利于保障煤礦帶式輸送機的穩定運行。