常 遠(yuǎn)

（山西西山煤電股份有限公司東曲礦選煤廠， 山西 古交 030200）

引言

在煤礦惡劣的作業(yè)環(huán)境當(dāng)中，帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)滾筒所受的載荷作用形式多樣，不僅將受到煤炭物料的載荷力，還將受到帶式傳送機(jī)構(gòu)的張力，長(zhǎng)期作用條件下容易使傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞[1]。目前對(duì)傳統(tǒng)滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅從受力方面進(jìn)行了考慮，優(yōu)化傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)是煤礦企業(yè)技術(shù)人員所面臨的難題，整體的傳送系統(tǒng)需要多個(gè)傳動(dòng)滾筒組成，如果能降低每個(gè)傳統(tǒng)滾筒的重量，在保證傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)工作強(qiáng)度的條件下將減小整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的消耗能量，對(duì)于整個(gè)開采工藝生產(chǎn)線有積極的作用[2]。在現(xiàn)代化煤礦企業(yè)的發(fā)展中，綠色發(fā)展理念尤為重要，降低機(jī)械設(shè)備的能量消耗也是發(fā)展目標(biāo)之一，傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是綠色發(fā)展理念的重要實(shí)踐。通過(guò)有限元仿真技術(shù)優(yōu)化模塊，降低傳動(dòng)滾筒質(zhì)量，可有效提高傳動(dòng)滾筒的使用壽命，保障煤礦生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化[3]。

1 傳動(dòng)滾筒受力載荷分布

輸送機(jī)具有過(guò)載保護(hù)、減震緩沖的作用，在輸送煤炭物料的時(shí)候保證其安全。當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行的時(shí)候，將傳遞較大的扭矩給傳動(dòng)滾筒的軸結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)滾筒依據(jù)擬定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)整個(gè)皮帶對(duì)煤炭物料進(jìn)行輸送。

經(jīng)相關(guān)研究資料分析可知，傳動(dòng)滾筒與皮帶接觸表面的載荷力可按照線性關(guān)系進(jìn)行研究，煤炭物料一般均勻分布于皮帶上面，可假設(shè)皮帶傳遞給滾筒的力為均勻分布。但實(shí)際上皮帶中間所受的力要大，所以滾筒表面的受力載荷呈現(xiàn)為類似正弦函數(shù)分布狀態(tài)[4]，如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)滾筒表面載荷分布圖

2 仿真模型建立

2.1 三維模型建立

以煤礦企業(yè)常用的ZP60型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，按照實(shí)際1∶1比例進(jìn)行模型建立，傳動(dòng)滾筒的相關(guān)模型參數(shù)如表1所示。

表1 傳動(dòng)滾筒模型參數(shù) mm

依據(jù)上述傳動(dòng)滾筒的模型參數(shù)建立三維立體模型，在建立模型前應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以提高仿真計(jì)算的精確性，具體簡(jiǎn)化原則如下[6]：

1）去除各零碎部件如倒角、圓角等并重新配重；

2）不考慮焊縫作用，將焊縫處視為與結(jié)構(gòu)同材料；

3）注重主要影響結(jié)構(gòu)性能的部件，對(duì)于一些不重要的零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化；

4）忽略部分軸間高度，將軸視為等直徑軸；

5）將軸承座對(duì)滾筒軸的約束簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁形式；

6）不考慮脹套內(nèi)、外環(huán)的接觸問(wèn)題，將脹套看成一個(gè)統(tǒng)一實(shí)心體。

傳動(dòng)滾筒的三維模型圖如下頁(yè)圖2所示。

2.2 仿真模型計(jì)算分析

2.2.1 仿真模型定義

通過(guò)ANSYS仿真軟件選取適合仿真計(jì)算的網(wǎng)格單元模型，為確保仿真結(jié)果的精確性，采用六面體四節(jié)點(diǎn)的單元結(jié)構(gòu)，選取SOLID45單元類型作為本次劃分后網(wǎng)格單元類型。在確定的網(wǎng)格單元類型后，對(duì)傳動(dòng)滾筒組成部件的材料進(jìn)行選取，如表2所示。

按照20 mm×20 mm×20 mm網(wǎng)格大小分別對(duì)筒殼、接盤、脹套進(jìn)行劃分，對(duì)于局部需要特別計(jì)算載荷力分布的地方進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，根據(jù)實(shí)際工況載荷在ANSYS軟件中對(duì)傳動(dòng)滾筒施加力矩傳動(dòng)作用，并對(duì)仿真模型設(shè)置邊界條件，輸入的扭矩引起輸送帶兩側(cè)張力的變化，可將其模擬為作用在傳動(dòng)滾筒上的正壓力和摩擦力。傳動(dòng)滾筒仿真模型如圖3所示。

表2 傳動(dòng)滾筒部件材料參數(shù)

圖2 傳動(dòng)滾筒模型

圖3 傳動(dòng)滾筒仿真模型圖

2.2.2 仿真模型結(jié)果分析

圖4為傳動(dòng)滾筒的應(yīng)力分布狀況，可以看出銅殼結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了變形，在結(jié)構(gòu)中部向下彎曲，最大應(yīng)力值為37.476 MPa。在銅殼結(jié)構(gòu)的中部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，整體的銅殼結(jié)構(gòu)向內(nèi)凹陷。但依據(jù)傳動(dòng)滾筒的材料選取可知，最大應(yīng)力沒有超過(guò)材料的安全工作極限應(yīng)力，目前結(jié)構(gòu)的安全性還是可以滿足實(shí)際工況要求。

3 結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)分析可知現(xiàn)有傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)能夠滿足實(shí)際工況要求，如果能進(jìn)一步優(yōu)化傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，并且能滿足實(shí)際公共要求，將極大地提升傳動(dòng)滾筒的使用壽命。

圖4 傳動(dòng)滾筒應(yīng)力（MPa）分布圖

通過(guò)ANSYS仿真軟件的數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊，將安全應(yīng)力數(shù)值設(shè)置為目標(biāo)參數(shù)，利用APDL的二次開發(fā)工具，通過(guò)編程語(yǔ)言對(duì)傳動(dòng)滾筒的尺寸材料等參數(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，傳動(dòng)滾筒在滿足其剛度、強(qiáng)度的條件下，以滾筒軸直徑d、滾筒殼厚度s、輻板厚度h為設(shè)計(jì)變量，滾筒總重量t最小為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化后的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

傳動(dòng)滾筒軸徑逐漸減小，筒殼厚度和輻板厚度逐漸變薄，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上節(jié)省了材料。將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)重新建立仿真模型，按照原始仿真的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定義，結(jié)果分析如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后傳動(dòng)滾筒應(yīng)力（MPa）分布圖

通過(guò)APDL二次開發(fā)工具多次迭代計(jì)算，在第9次迭代后得出了最優(yōu)結(jié)果，優(yōu)化后的傳動(dòng)滾筒質(zhì)量為5.98 t，整體的總質(zhì)量減輕了23.6%，并且由圖5可知優(yōu)化后的傳動(dòng)滾筒的應(yīng)力分布更加均勻，在滾筒下端相同位置，優(yōu)化后的應(yīng)力數(shù)值為26.433 MPa，相比原有應(yīng)力值37.476 MPa下降了29.47%，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯降低。因此，優(yōu)化后的傳動(dòng)滾筒不僅減輕了整體質(zhì)量，還實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，有效降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其效果較為明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元仿真技術(shù)的二次開發(fā)工具，制定結(jié)構(gòu)輕量化的指標(biāo)參數(shù)，通過(guò)多次迭代得出了最優(yōu)的輕量化設(shè)計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，形成了各個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)組合。優(yōu)化后的新型傳動(dòng)滾筒不僅可以滿足日常開采作業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，還能降低自身質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展理念，并減小煤礦企業(yè)的生產(chǎn)成本。傳動(dòng)滾筒的輕量化設(shè)計(jì)理念為煤礦其他開采設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。