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)的重要傳動部件、主要的受力部件，工作時主要起到傳動、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。滾筒在運行時承受法向載荷與切向載荷，且載荷在軸向和周向隨時間變化，因此很難對滾筒進(jìn)行數(shù)值方法上的模擬，也無法研究滾筒的失效機(jī)理和確定滾筒的設(shè)計準(zhǔn)則，只能通過增大設(shè)計余量，在沒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。但目前國內(nèi)對滾筒的有限元分析還停留在對單一零部件的分析，優(yōu)化設(shè)計單一零部件的某些參數(shù)，如長度、厚度等，考察單一參數(shù)對滾筒性能的影響。這樣做存在的問題是需要進(jìn)行大量參數(shù)對滾筒性能影響的分析和校核過程，造成研發(fā)設(shè)計進(jìn)度緩慢、浪費資源的問題。針對這個問題，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)果自動生成變量參數(shù)組合，并判斷參數(shù)對于優(yōu)化設(shè)計目標(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。

1 滾筒靜力學(xué)分析

針對滾筒安全因素過高的問題，提出以滾筒質(zhì)量為設(shè)計目標(biāo)，由于安裝位置和安裝空間無法變化，因此滾筒質(zhì)量基本由各零部件的厚度所決定。在對滾筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計之前，需首先對滾筒進(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)計提供計算基礎(chǔ)。通過強(qiáng)度分析結(jié)果判斷對滾筒應(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。

1.1 建立滾筒三維模型

結(jié)合滾筒的實際結(jié)構(gòu)尺寸，選用直徑為1250mm、帶寬為2200mm的滾筒作為研究對象，基于SOLIDWORKS建立滾筒的三維模型。同時，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)行了模型簡化，保留了滾筒的關(guān)鍵特征，建立了經(jīng)簡化的滾筒三維模型，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)合滾筒的實際材料特點，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solid185三維實體單元用于滾筒的實體部分，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45683個節(jié)點，53672個單元。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-滾筒與皮帶分離點處的張力，N；

μ-摩擦系數(shù)；

B-傳送帶帶寬，mm；

D-傳動帶厚度，mm。

經(jīng)計算S=71000N，μ=0.35。

1.4 滾筒靜強(qiáng)度分析結(jié)果

采用第四強(qiáng)度理論對滾筒的靜強(qiáng)度進(jìn)行評價，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)計流程

滾筒在質(zhì)量上的優(yōu)化設(shè)計，本質(zhì)上是個多目標(biāo)和多變量的問題，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)，同時變量存在一個變化范圍，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)計工具Design Exploration，工具能夠自動設(shè)計參數(shù)變化組合并判斷哪個參數(shù)對于優(yōu)化設(shè)計目標(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算次數(shù)?；贒esign Exploration的優(yōu)化設(shè)計流程如圖4所示。

優(yōu)化設(shè)計流程分成2個部分依次進(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)果判斷各個參數(shù)對優(yōu)化設(shè)計目標(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)計流程

3 滾筒優(yōu)化設(shè)計

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)計變量的變化范圍如表2所示。根據(jù)計算優(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生成參數(shù)組合及對應(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)計后的應(yīng)力分析結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計后的滾筒應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)在滾動軸兩端，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)場應(yīng)用測試。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，與其他同類型滾筒相比，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

通過尋找變量最佳參數(shù)組合，對滾筒進(jìn)行了減重的優(yōu)化設(shè)計，取得了較好的輕量化設(shè)計效果。滾筒總計減重499.6kg，降幅達(dá)到14.73%，說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。從應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度的角度來看，滾筒依然存在大幅減重的空間，需要去驗證其他參數(shù)對滾筒強(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)計安全因素過高、自重過大、能耗大的較好的方法。