李小波

（晉能控股煤業(yè)集團北辛窯煤業(yè)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(yīng)用，作為主要的煤炭輸送機構(gòu)，帶式輸送機的整體結(jié)構(gòu)相對簡單，輸送效率高，在使用過程中具有較高的穩(wěn)定可靠性。在帶式輸送機的結(jié)構(gòu)組成中，傳動滾筒作為動力傳遞的主要機構(gòu)，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(shè)計過程中，常采用經(jīng)驗法或者類比法進行設(shè)計，對滾筒的使用磨損機理研究不深，造成傳動滾筒的結(jié)構(gòu)較大，導(dǎo)致一定的成本浪費，不利于節(jié)約型生產(chǎn)。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(tài)性能進行分析，并依此進行傳動滾筒的優(yōu)化，提高傳動滾筒設(shè)計的合理性[2]，保證帶式輸送機的可靠性，降低滾筒的生產(chǎn)使用成本。

1 傳動滾筒仿真分析模型的建立

采用Hyper Mesh 結(jié)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(yōu)點，并可提供完善的工具模塊模型進行處理。依據(jù)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(jié)構(gòu)及裝配較為復(fù)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(jié)構(gòu)進行忽略處理。依據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)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(dǎo)入Hyper Mesh 中進行有限元仿真模型的處理[4]。

傳動滾筒的結(jié)構(gòu)相對規(guī)范，采用六面體單元網(wǎng)格對滾筒進行網(wǎng)格劃分，并采用shell 殼單元建立有限元模型，設(shè)置殼單元的大小為8mm，實體單元為5mm，對傳動滾筒進行網(wǎng)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(wǎng)格劃分模型

在傳動滾筒的結(jié)構(gòu)中，筒體為殼單元，對不同的零部件設(shè)置相應(yīng)的材質(zhì)，轉(zhuǎn)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(shè)定，脹套與輪轂軸之間的接觸設(shè)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(zhuǎn)，對滾筒施加響應(yīng)的張緊力載荷進行仿真分析[6]。

2 傳動滾筒的仿真結(jié)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(dǎo)入ANSYS 中，進行傳動滾筒應(yīng)力及位移的仿真分析。通過計算，得到傳動軸的應(yīng)力變化云圖如下頁圖2 所示，筒體的應(yīng)力云圖如下頁圖3所示。

從圖2、圖3 可以看出，傳動軸的應(yīng)力最大值為142 MPa，最大應(yīng)力位于軸與脹套相連接的位置，傳動軸的應(yīng)力分布由兩端向中間逐漸減小，分布較為均勻；筒體的應(yīng)力最大值為45 MPa，最大應(yīng)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(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。從整體上看，傳動滾筒受到的應(yīng)力較小，可對滾筒進行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕滾筒的質(zhì)量。

圖2 傳動軸應(yīng)力（MPa）云圖

圖3 筒體應(yīng)力（MPa）云圖

3 傳動滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yōu)化，選擇Direct Optimization 對滾筒的尺寸進行優(yōu)化設(shè)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(zhì)量。

通過減小滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)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(shè)定各參數(shù)的取值范圍，作為變量進行輸入，以傳動滾筒的質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，求解最小的滾筒質(zhì)量。分析過程中，設(shè)定優(yōu)化分析的約束條件為各部件滿足系統(tǒng)使用的強度要求，并設(shè)定安全系數(shù)為1.5，由此確定傳動軸的許用應(yīng)力為237 MPa，筒體的許用應(yīng)力為157 MPa。對設(shè)計變量進行靈敏度設(shè)置，靈敏度的不同對目標(biāo)函數(shù)的影響不同，傳動滾筒的輻板厚度及筒體的厚度對滾筒質(zhì)量的影響較大，即目標(biāo)函數(shù)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(zhì)量的影響較小，其靈敏度較低。在Direct Optimization 設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，進行優(yōu)化求解。

選取初始樣本數(shù)為100 進行計算，經(jīng)過計算后，選取相應(yīng)的優(yōu)化尺寸，由于傳動滾筒的設(shè)計裕量較大，優(yōu)化后的設(shè)計變量尺寸均有所減小，從而降低了滾筒的質(zhì)量。對優(yōu)化后的滾筒進行建模分析，得到優(yōu)化后傳動滾筒的應(yīng)力變化如圖4 所示。

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

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后傳動滾筒的應(yīng)力變化

4 結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(yōu)化后的傳動滾筒可滿足使用的強度需求，且質(zhì)量較優(yōu)化前減輕了13%，起到了優(yōu)化設(shè)計的作用，更好地為帶式輸送機傳遞動力，保證煤礦的穩(wěn)定運行。