張銘洋

（鄭煤集團(tuán)（河南）白坪煤業(yè)有限公司，河南 登封 452470）

滾筒作為帶式輸送機(jī)的重要傳動(dòng)部件、主要的受力部件，工作時(shí)主要起到傳動(dòng)、改向的作用。由于其在系統(tǒng)中的重要性，滾筒也成為了影響整機(jī)系統(tǒng)和操作人員人身安全的重要因素。滾筒在運(yùn)行時(shí)承受法向載荷與切向載荷，且載荷在軸向和周向隨時(shí)間變化，因此很難對(duì)滾筒進(jìn)行數(shù)值方法上的模擬，也無(wú)法研究滾筒的失效機(jī)理和確定滾筒的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，只能通過(guò)增大設(shè)計(jì)余量，在沒(méi)有理論支撐的情況下提高安全系數(shù)，以此保證滾筒的安全性。但這也使得滾筒的重量增大，能耗增加，可靠性卻沒(méi)有得到明顯的提高。

由于數(shù)值方法上難以模擬，企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)通常借助先進(jìn)的有限元法對(duì)滾筒進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等指標(biāo)上的分析。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)滾筒的有限元分析還停留在對(duì)單一零部件的分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)單一零部件的某些參數(shù)，如長(zhǎng)度、厚度等，考察單一參數(shù)對(duì)滾筒性能的影響。這樣做存在的問(wèn)題是需要進(jìn)行大量參數(shù)對(duì)滾筒性能影響的分析和校核過(guò)程，造成研發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)度緩慢、浪費(fèi)資源的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，建立了滾筒的靜強(qiáng)度分析流程，基于Ansys Workbench中的Design Exploration模塊，模塊根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果自動(dòng)生成變量參數(shù)組合，并判斷參數(shù)對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的敏感程度，選取最為敏感的變量進(jìn)行滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 滾筒靜力學(xué)分析

針對(duì)滾筒安全因素過(guò)高的問(wèn)題，提出以滾筒質(zhì)量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，由于安裝位置和安裝空間無(wú)法變化，因此滾筒質(zhì)量基本由各零部件的厚度所決定。在對(duì)滾筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，需首先對(duì)滾筒進(jìn)行靜力學(xué)分析，靜力學(xué)分析的目的在于：（1）找到滾筒受力后最大應(yīng)力出現(xiàn)位置，掌握滾筒基本的應(yīng)力、變形等情況；（2）建立參數(shù)化模型，為滾筒的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供計(jì)算基礎(chǔ)。通過(guò)強(qiáng)度分析結(jié)果判斷對(duì)滾筒應(yīng)力影響最大或最為敏感的參數(shù)組合。根據(jù)參數(shù)敏感度進(jìn)行滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 建立滾筒三維模型

結(jié)合滾筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，選用直徑為1250mm、帶寬為2200mm的滾筒作為研究對(duì)象，基于SOLIDWORKS建立滾筒的三維模型。同時(shí)，為提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將滾筒中的圓角、倒角、圓孔等非關(guān)鍵特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，保留了滾筒的關(guān)鍵特征，建立了經(jīng)簡(jiǎn)化的滾筒三維模型，如圖1所示。

圖1 滾筒三維模型

1.2 材料屬性及單元選擇

結(jié)合滾筒的實(shí)際材料特點(diǎn)，將滾筒的材料屬性設(shè)置為Q235材料。其材料的主要屬性參數(shù)如表1所示。

表1 滾筒材料屬性設(shè)置

正確的選擇單元類(lèi)型是有限元分析的基礎(chǔ)，考慮到滾筒受法向載荷及切向載荷，因此選擇solid185三維實(shí)體單元用于滾筒的實(shí)體部分，選擇shell181單元用于等截面輻板和筒皮這種等截面的板狀構(gòu)件。

1.3 網(wǎng)格劃分及受力加載

基于ANSYS Workbench中的掃略網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元尺寸為3mm，網(wǎng)格劃分共計(jì)45683個(gè)節(jié)點(diǎn)，53672個(gè)單元。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 滾筒網(wǎng)格劃分

滾筒承受輸送帶張力、傳動(dòng)端的扭矩及自身重力。傳送帶張力轉(zhuǎn)化為法向載荷Pθ和切向摩擦力fθ作用于傳動(dòng)帶與滾筒的接觸面上，且在傳送帶與滾筒的包圍角內(nèi)符合歐拉公式的變化規(guī)律。兩種載荷大小為：

式中：

S-滾筒與皮帶分離點(diǎn)處的張力，N；

μ-摩擦系數(shù)；

B-傳送帶帶寬，mm；

D-傳動(dòng)帶厚度，mm。

經(jīng)計(jì)算S=71000N，μ=0.35。

1.4 滾筒靜強(qiáng)度分析結(jié)果

采用第四強(qiáng)度理論對(duì)滾筒的靜強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，滾筒等效應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 滾筒等效應(yīng)力云圖

從圖3可以看出，滾筒在法向與切向載荷作用下，最大應(yīng)力為38.93MPa，出現(xiàn)在滾筒轉(zhuǎn)軸的兩端，結(jié)果與理論分析結(jié)果相符。應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力值235MPa，安全因素為6，遠(yuǎn)超工程需要，因此有必要進(jìn)行滾筒在質(zhì)量上的優(yōu)化分析。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

滾筒在質(zhì)量上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是個(gè)多目標(biāo)和多變量的問(wèn)題，既要受到強(qiáng)度條件的限制，也要滿足質(zhì)量最小的目標(biāo)，同時(shí)變量存在一個(gè)變化范圍，多變量的情況下就存在很多種變量參數(shù)組合。優(yōu)化設(shè)計(jì)目的就是要在其中找到滿足條件的最優(yōu)變量參數(shù)組合，Ansys Workbench提供了強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具Design Exploration，工具能夠自動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)變化組合并判斷哪個(gè)參數(shù)對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)最為敏感，因而可以快速地找到優(yōu)化參數(shù)組合，減少不必要的迭代計(jì)算次數(shù)?；贒esign Exploration的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

優(yōu)化設(shè)計(jì)流程分成2個(gè)部分依次進(jìn)行：

（1）基于Ansys Workbench建立參數(shù)化模型，設(shè)置優(yōu)化參數(shù)變化范圍；

（2）基于Design Exploration，設(shè)計(jì)參數(shù)變化組合，根據(jù)前述靜力學(xué)分析結(jié)果判斷各個(gè)參數(shù)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的敏感程度，最后找到最優(yōu)變量組合并校核優(yōu)化結(jié)果。

圖4 Design Exploration優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

3 滾筒優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)置優(yōu)化變量及其變化范圍

滾筒參數(shù)化建?？梢钥闯銎滟|(zhì)量主要由筒皮和輻板厚度、軸座半徑所決定，因此將這三個(gè)參數(shù)設(shè)置為優(yōu)化變量。設(shè)置優(yōu)化變量的初始值分別為：筒皮厚度t為23mm，輻板厚度t1為40mm，軸座半徑r為285mm。給出優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的變化范圍如表2所示。根據(jù)計(jì)算優(yōu)化前滾筒質(zhì)量為3392.8kg。

表2 滾筒優(yōu)化參量設(shè)置及參數(shù)范圍

3.2 變量組合設(shè)計(jì)及敏感度分析

調(diào)入Design Exploration模塊中的Goal Driven Optimization工具，設(shè)置參數(shù)變化范圍并由工具自動(dòng)生成參數(shù)組合及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、變形值。模塊根據(jù)前述靜力學(xué)分析結(jié)果，判斷參數(shù)對(duì)質(zhì)量和等效應(yīng)力的敏感度，可知等效應(yīng)力、質(zhì)量和總體變形都對(duì)輻板厚度t1較為敏感，由此Design Exploration找到最優(yōu)參數(shù)組合（即t=18，t1=29，d=590），根據(jù)參數(shù)組合參數(shù)化建立滾筒模型，并根據(jù)靜力學(xué)分析流程得到分析結(jié)果。如圖5所示。

圖5 滾筒優(yōu)化設(shè)計(jì)后的應(yīng)力分析結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的滾筒應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)在滾動(dòng)軸兩端，最大值為60.41MPa，質(zhì)量為2893.2kg。從優(yōu)化前后的分析結(jié)果可以看出：優(yōu)化前滾筒質(zhì)量為3392.8kg，最大應(yīng)力為38.93MPa；優(yōu)化后滾筒質(zhì)量為2893.2kg，最大應(yīng)力為60.41MPa。優(yōu)化后滾動(dòng)轉(zhuǎn)軸兩端的應(yīng)力升高，但依然遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度235MPa，與此同時(shí)滾筒質(zhì)量降低499.6kg，降幅14.73%。

4 優(yōu)化后滾筒應(yīng)用效果分析

優(yōu)化后的滾筒具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能，將其在DSJ65/20型帶式輸送機(jī)上進(jìn)行了為期半年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，與其他同類(lèi)型滾筒相比，該滾筒在半年內(nèi)的整體結(jié)構(gòu)變形程度相對(duì)較小，且滾筒兩端的軸幾乎未發(fā)生變形、斷裂等故障，而其他輸送機(jī)則出現(xiàn)了輕微的變形。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)維修人員介紹，使用該滾筒后，帶式輸送機(jī)的故障率同期降低了20%，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收入，并得到了人員的一致認(rèn)可。該研究為滾筒的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提供了重要思路。

5 結(jié)論

通過(guò)尋找變量最佳參數(shù)組合，對(duì)滾筒進(jìn)行了減重的優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了較好的輕量化設(shè)計(jì)效果。滾筒總計(jì)減重499.6kg，降幅達(dá)到14.73%，說(shuō)明了方法的正確性和可行性。滾筒質(zhì)量的大幅降低，有效減少了滾筒的生產(chǎn)制造成本和材料浪費(fèi)。從應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度的角度來(lái)看，滾筒依然存在大幅減重的空間，需要去驗(yàn)證其他參數(shù)對(duì)滾筒強(qiáng)度、剛度等性能的影響。文章基于Ansys Workbench及其Design Exploration模塊取得了可靠的優(yōu)化結(jié)果，為滾筒設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的確定和安全因素的確定方法提供了思路，是解決滾筒設(shè)計(jì)安全因素過(guò)高、自重過(guò)大、能耗大的較好的方法。