礦用帶式輸送機傳動滾筒仿真分析及優化

李小波

（晉能控股煤業集團北辛窯煤業有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

帶式輸送機在煤礦的運輸中具有廣泛的應用，作為主要的煤炭輸送機構，帶式輸送機的整體結構相對簡單，輸送效率高，在使用過程中具有較高的穩定可靠性。在帶式輸送機的結構組成中，傳動滾筒作為動力傳遞的主要機構，其自身的性能對帶式輸送機的運行具有重要的影響[1]。在傳動滾筒的設計過程中，常采用經驗法或者類比法進行設計，對滾筒的使用磨損機理研究不深，造成傳動滾筒的結構較大，導致一定的成本浪費，不利于節約型生產。針對這一問題，采用有限元仿真的形式對傳動滾筒使用中的靜態性能進行分析，并依此進行傳動滾筒的優化，提高傳動滾筒設計的合理性[2]，保證帶式輸送機的可靠性，降低滾筒的生產使用成本。

1 傳動滾筒仿真分析模型的建立

采用Hyper Mesh 結合ANSYS 軟件對帶式輸送機傳動滾筒進行仿真分析，Hyper Mesh 作為廣泛使用的有限元前處理軟件，具有操作簡便、多軟件適配的優點，并可提供完善的工具模塊模型進行處理。依據某型號帶式輸送機使用的傳動滾筒[3]，進行傳動滾筒仿真模型的建立。

由于傳動滾筒的結構及裝配較為復雜，對其進行一定的簡化處理，忽略滾筒外層的膠皮，并將滾筒的脹套作為實體進行處理。在建模過程中，對滾筒傳動性能影響不大的結構進行忽略處理。依據滾筒的結構尺寸進行零件建模，并進行裝配，得到傳動滾筒的裝配體模型。將裝配體模型以stp 格式導入Hyper Mesh 中進行有限元仿真模型的處理[4]。

傳動滾筒的結構相對規范，采用六面體單元網格對滾筒進行網格劃分，并采用shell 殼單元建立有限元模型，設置殼單元的大小為8mm，實體單元為5mm，對傳動滾筒進行網格劃分處理，得到傳動滾筒的有限元模型如圖1 所示。

圖1 傳動滾筒網格劃分模型

在傳動滾筒的結構中，筒體為殼單元，對不同的零部件設置相應的材質，轉動軸為45 鋼，筒體為Q235A，以各材料的屬性進行有限元仿真分析。兩個實體之間的連接，采用MPC 算法對面與面之間的約束進行設定，脹套與輪轂軸之間的接觸設置為固定接觸，筒體與輻板之間模擬殼單元與實體單元之間的接觸[5]，相互耦合。傳動滾筒的運動過程中，軸承作為主要的約束，限制軸承外表面的自由度，限制其他方向的自由度，僅繞Z 軸進行旋轉，對滾筒施加響應的張緊力載荷進行仿真分析[6]。

2 傳動滾筒的仿真結果分析

將Hyper Mesh 中建立的傳動滾筒有限元模型以CDB 文件的格式導入ANSYS 中，進行傳動滾筒應力及位移的仿真分析。通過計算，得到傳動軸的應力變化云圖如下頁圖2 所示，筒體的應力云圖如下頁圖3所示。

從圖2、圖3 可以看出，傳動軸的應力最大值為142 MPa，最大應力位于軸與脹套相連接的位置，傳動軸的應力分布由兩端向中間逐漸減小，分布較為均勻；筒體的應力最大值為45 MPa，最大應力位于筒體與輻板的連接位置，此處與筒體連接的輻板厚度較小，產生一定的應力集中。從整體上看，傳動滾筒受到的應力較小，可對滾筒進行一定的結構優化，減輕滾筒的質量。

圖2 傳動軸應力（MPa）云圖

圖3 筒體應力（MPa）云圖

3 傳動滾筒的結構優化

通過分析可知，傳動滾筒各部件具有較大的安全裕量，采用ANSYS Workbench 對滾筒進行快速優化，選擇Direct Optimization 對滾筒的尺寸進行優化設計[7]，在保證使用強度的前提下，改變傳動滾筒的部件尺寸，減小滾筒的質量。

通過減小滾筒的結構尺寸進行優化，選取滾筒的主要尺寸傳動軸直徑、筒體厚度、輻板厚度為變量，設定各參數的取值范圍，作為變量進行輸入，以傳動滾筒的質量作為目標函數，求解最小的滾筒質量。分析過程中，設定優化分析的約束條件為各部件滿足系統使用的強度要求，并設定安全系數為1.5，由此確定傳動軸的許用應力為237 MPa，筒體的許用應力為157 MPa。對設計變量進行靈敏度設置，靈敏度的不同對目標函數的影響不同，傳動滾筒的輻板厚度及筒體的厚度對滾筒質量的影響較大，即目標函數對厚度變化敏感，以筒體的厚度影響最大，其次是輻板的厚度，由于傳動軸直徑對滾筒質量的影響較小，其靈敏度較低。在Direct Optimization 設定相應的參數，進行優化求解。

選取初始樣本數為100 進行計算，經過計算后，選取相應的優化尺寸，由于傳動滾筒的設計裕量較大，優化后的設計變量尺寸均有所減小，從而降低了滾筒的質量。對優化后的滾筒進行建模分析，得到優化后傳動滾筒的應力變化如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，經過優化后的傳動軸的最大應力為160 MPa，筒體的最大應力為76 MPa，兩者相對優化前的應力均有所增加，但能夠滿足許用應力的要求；對比滾筒的質量，優化后的傳動滾筒質量減少了55 kg，相比優化前的下降13%，其在滿足使用需求的同時，降低了滾筒的質量，起到了優化的作用。

圖4 結構優化后傳動滾筒的應力變化

4 結論

傳動滾筒作為帶式輸送機的主要傳遞部件，其性能對帶式輸送機的使用具有重要的影響。針對帶式輸送機的傳動滾筒采用有限元仿真的形式對其結構強度進行分析，建立了傳動滾筒的有限元模型，并對其強度進行分析。結果表明：

1）傳動滾筒的傳動軸及筒體均滿足強度需求，并具有較大的安全裕量。

2）優化后的傳動滾筒可滿足使用的強度需求，且質量較優化前減輕了13%，起到了優化設計的作用，更好地為帶式輸送機傳遞動力，保證煤礦的穩定運行。