范慶剛

（霍州煤電集團金能煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 034000）

引言

隨著煤礦領域的不斷發(fā)展，礦用帶式輸送機正朝著大型化、高速度化方向發(fā)展，這對帶式輸送機的結構設計提出了更高的要求[1-3]。帶式輸送機正常工作過程中發(fā)生皮帶跑偏現(xiàn)象是十分常見的問題，皮帶跑偏必然會對輸送機的正常工作造成一定程度的影響，改變輸送機的受力狀態(tài)[4-5]。通常情況下，在對帶式輸送機驅動滾筒進行設計時，不會考慮皮帶對其受力狀態(tài)的影響。但實際上皮帶跑偏會對其受力狀態(tài)和變形量產生影響[6]。因此，有必要考慮皮帶跑偏對驅動滾筒的影響對其開展優(yōu)化設計工作，使驅動滾筒的結構更加滿足實際應用狀態(tài)。本文基于ANSYS 軟件，考慮皮帶跑偏的影響對帶式輸送機的驅動滾筒進行優(yōu)化設計。

1 驅動滾筒基本數(shù)據(jù)

研究對象為DTL160 型帶式輸送機的驅動滾筒。驅動滾筒的原始結構數(shù)據(jù)信息主要包括：皮帶寬度為1.4 m；筒體長度和直徑分別為1.6 m 和1.67 m；筒殼厚度為38 mm；幅板的內徑、間距和厚度分別為0.695 m、1.2 m 和60 mm；幅板的內徑和寬度分別為0.495 m 和0.17 m；軸的總長度以及端部外徑分別為2.56 m 和0.2 m，軸承寬度為0.5 m。帶式輸送機正常工作時涉及到的一些技術參數(shù)主要包括：皮帶在驅動滾筒中的包角大小為180°；驅動扭距的大小為280 kN·m；皮帶和驅動滾筒之間的摩擦系數(shù)為0.3。

驅動滾筒由多個結構件組裝而成，不同結構件使用不同的材料生產加工制作。其中軸、筒殼、輪轂和幅板的生產加工材料分別為45 鋼、Q235、ZG25、ZG25，這3 種材料的彈性模量分別為193 GPa、200 GPa、200 GPa，泊松比均為0.29。

2 驅動滾筒靜力學建模及分析結果

2.1 驅動滾筒靜力學模型的建立

1）幾何模型。利用PRO/E 軟件建立驅動滾筒的三維幾何模型，模型建立過程中嚴格按照驅動滾筒的實際幾何參數(shù)執(zhí)行。但由于驅動滾筒結構復雜，內部涉及到很多小的結構特征，這些結構特征會對計算過程產生非常不利的影響。因此在建立幾何模型時對這些小結構特征，比如圓角、小凸臺等進行忽略處理，該簡化不會對計算結果產生非常顯著的影響。

2）模型導入與網(wǎng)格劃分。將PRO/E 軟件建立好的幾何模型導出為ANSYS 軟件可以識別的格式，并將其導入到ANSYS 軟件中進行后續(xù)的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格單元劃分是整個模型建立過程中非常關鍵的環(huán)節(jié)，需要根據(jù)模型實際情況合理選擇網(wǎng)格單元類型。結合具體情況最終選擇的網(wǎng)格單元類型為SOLID45，設置好網(wǎng)格大小后軟件會對網(wǎng)格單元進行自動劃分，最終劃分得到的單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為15 683 格19 465 個。

3）材料屬性設置。上文中已經給出了驅動滾筒不同結構件對應的生產加工材料及其材料屬性。將這些屬性參數(shù)分別輸入到對應的幾何模型中參與模擬計算，以得到理想的模擬結果。

4）載荷和約束條件的設置。帶式輸送機在正常工作過程中，驅動滾筒主要受到4 個方面的載荷：自身重量載荷、旋轉慣性力載荷、皮帶施加在滾筒表面的載荷、驅動裝置施加的扭矩載荷。約束方面，驅動滾筒主要受到兩端軸承的約束，只能夠繞軸旋轉，其他約束全部固定。

2.2 驅動滾筒靜力學分析結果

如果皮帶不發(fā)生跑偏問題，帶式輸送機不會產生軸向力。如果皮帶發(fā)生跑偏問題，帶式輸送機就會產生軸向力，且跑偏現(xiàn)象越嚴重產生的軸向力越大。因此可以在模型中設置軸向力大小來反映皮帶跑偏的嚴重程度。如圖1 所示為不同軸向力工況條件下滾筒軸和筒殼的最大應力和變形量統(tǒng)計情況。

圖1 不同軸向力工況條件下筒殼和滾筒軸的最大應力和變形量統(tǒng)計情況

由圖1 中的變化曲線可以明顯看出：滾筒軸和筒殼的最大應力和變形量全部隨著軸向力的增加而不斷增大；當軸向力不超過200 kN 時，軸向力變化對最大應力值和變形量影響不是非常顯著，說明當皮帶跑偏現(xiàn)象不嚴重時，不會對驅動滾筒造成非常嚴重的影響；當軸向力超過200 kN 以后，隨著軸向力的增大，最大應力值和變形量出現(xiàn)了大幅度的增加。

由上述分析可知，皮帶跑偏會對驅動滾筒的受力狀態(tài)和變形量產生一定程度的影響。由于煤礦井下工作環(huán)境復雜，皮帶跑偏是十分常見的問題。所以在對驅動滾筒進行結構設計時，需要考慮皮帶跑偏的影響，以得到更準確的設計結果，使之更符合實際工況。

3 不同工況條件下結構參數(shù)的影響靈敏度的分析

3.1 影響靈敏度的內涵

對于帶式輸送機驅動滾筒而言，其內部結構件的規(guī)格尺寸改變，必然會對使用過程中的應力和應變大小等造成一定程度的影響。但是不同參數(shù)對結果影響的程度是存在差異的，這就是所謂的影響靈敏度。靈敏度越大說明該參數(shù)對結果的影響程度更大。相反的，靈敏度越小則說明該參數(shù)對結果的影響程度相對較小。當靈敏度小到一定程度時，就可以忽略該參數(shù)對結果的影響。通過對驅動滾筒各參數(shù)的靈敏度分析，能夠確定哪些因素對驅動滾筒的應用效果影響最顯著，進而對其進行優(yōu)化改進。

3.2 基于影響靈敏度對優(yōu)化目標的選擇

上文已經對皮帶跑偏和不跑偏情況下驅動滾筒的受力以及變形量情況進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)皮帶跑偏會對驅動滾筒的受力和變形產生顯著的影響。在結合驅動滾筒結構特征的基礎上，選擇輪轂寬度、筒殼厚度、輻板厚度以及輻板間距4 個參數(shù)進行影響靈敏度分析，以確定哪些參數(shù)對驅動滾筒的性能影響最為顯著。進行影響靈敏度分析時，以驅動滾筒的最大應力和應變量，以及整體質量為目標。上述4個參數(shù)的變化范圍分別為150～190 mm、32～44 mm、50～70 mm、900 ～1 500 mm。

如下頁圖2 所示為皮帶跑偏和不跑偏兩種工況下，4 個參數(shù)對驅動滾筒性能的影響靈敏度統(tǒng)計結果。從圖2 中可以看出，皮帶發(fā)生跑偏與不跑偏時對比，4 個參數(shù)對驅動滾筒最大應力和變形量的影響靈敏度的影響都非常顯著，但是對整體質量的影響靈敏度卻幾乎沒有變化。由此說明，皮帶跑偏會對影響靈敏度產生一定程度的影響。進一步分析可知，筒殼厚度、輻板厚度的影響靈敏度最大?；诖?，本研究中以筒殼厚度和輻板厚度作為優(yōu)化變量，對驅動滾筒的結構進行優(yōu)化改進。

4 筒殼厚度、輻板厚度對驅動滾筒的影響

基于以上分析可以看出，不管是皮帶發(fā)生跑偏還是不跑偏，筒殼厚度和輻板厚度對驅動滾筒的性能影響最為顯著。因此，以該2 個參數(shù)為變量，再次建立驅動滾筒的有限元力學分析模型。建立模型時，除上述2 個參數(shù)以外，其他各參數(shù)全部保持不變。如下頁圖3 所示為不同筒殼厚度和輻板厚度對應的驅動滾筒最大應力值和變形量結果。

從圖3 中的變化曲線可以看出：2 個參數(shù)對于驅動滾筒的性能影響具有相似的規(guī)律。在研究范圍內，不管是皮帶發(fā)生跑偏還是不跑偏，驅動滾筒的最大變形量隨著筒殼厚度和輻板厚度的增加而逐漸降低，而最大應力值隨著上述2 個參數(shù)的不斷增大，先是逐漸上升而后又逐漸降低?；谏鲜鼋Y果可知，當帶式輸送機發(fā)生皮帶跑偏問題時，會在一定程度上增加驅動滾筒的最大應力值和變形量。在此工況條件下，筒殼厚度和輻板厚度的變化對驅動滾筒的性能影響程度更明顯。從控制驅動滾筒最大應力和變形量角度出發(fā)，可以將筒殼厚度和幅板厚度分別設計成44 mm 和70 mm。

5 結論

圖2 不同工況條件下4 個參數(shù)的影響靈敏度

1）皮帶跑偏現(xiàn)象會對驅動滾筒的使用性能產生一定程度的影響。所以在對驅動滾筒進行設計時，需要考慮皮帶跑偏的影響。

2）基于優(yōu)化結果，將筒殼厚度和輻板厚度分別設置為44 mm 和70 mm 時驅動滾筒的最大應力值和變形量最小。

圖3 筒殼厚度和輻板厚度對驅動滾筒最大應力和變形量的影響規(guī)律