李 逸

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)備修造廠，山西 介休 032000）

引言

帶式輸送機(jī)具備有靈活性強(qiáng)、設(shè)備簡單、運(yùn)行可靠性高等優(yōu)勢，在煤礦領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用[1]。傳動(dòng)滾筒是帶式輸送機(jī)中非常重要的零部件，電機(jī)輸出的動(dòng)力需要經(jīng)過傳動(dòng)滾筒才能驅(qū)動(dòng)整個(gè)設(shè)備運(yùn)行，因此工作時(shí)需要承受較大的載荷[2]。在對傳動(dòng)滾筒進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如果過分追求安全系數(shù)就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)笨重，不僅增加了零部件的生產(chǎn)加工成本，也會(huì)增加后期運(yùn)行時(shí)的能耗[3]。當(dāng)前先進(jìn)的有限元技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛，在改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面發(fā)揮著非常大的價(jià)值[4-5]。本文以帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒為研究對象，利用有限元軟件對其受力情況進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)概述

帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)部包含滾筒軸、輪轂，輪輻、筒體、脹套和軸承等（見圖1）。帶式輸送機(jī)正常工作過程中，由電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力，通過傳動(dòng)系統(tǒng)后輸入到滾筒軸中，滾筒軸繞軸承旋轉(zhuǎn)并且將動(dòng)力通過脹套傳輸?shù)酵搀w，使筒體隨之做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。筒體外表面和皮帶接觸，兩者之間通過摩擦力傳遞動(dòng)力?？梢?，傳動(dòng)滾筒是重要的受力結(jié)構(gòu)件，在工作過程中需要承受較大的載荷，是容易出現(xiàn)故障問題的結(jié)構(gòu)件之一。

2 傳動(dòng)滾筒受力模型的建立

2.1 三維模型的建立

以DTL180型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒為研究對象，根據(jù)圖1所示的傳動(dòng)滾筒整體結(jié)構(gòu)及該型號(hào)設(shè)備對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用UG軟件建立傳動(dòng)滾筒的三維幾何模型。模型建立過程中，為了提升模型的計(jì)算速度，對模型中的一些細(xì)節(jié)部位進(jìn)行了忽略處理，比如結(jié)構(gòu)件中的倒角、圓角，小的孔洞和凸臺(tái)等。但這種簡化并不會(huì)對最終的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，幾乎可以忽略不計(jì)。將建立好的模型導(dǎo)出為IGS通用格式，以便后期導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行有限元模型的建立。

圖1 帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 有限元模型的建立

三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件后，首先需要設(shè)置材料屬性。由于傳動(dòng)滾筒內(nèi)部包含有不同的零件，且不同零件的生產(chǎn)加工材料存在差異，所以需要分別設(shè)置。本模型中使用的材料主要有45鋼、Q235A、ZG230-450，查閱材料手冊可以獲得上述三種材料對應(yīng)的彈性模量、泊松比和密度等物理參數(shù)，將其輸入到有限元模型中以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后需要對傳動(dòng)滾筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分質(zhì)量對計(jì)算過程和結(jié)果均有非常重要的影響，在結(jié)合實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)格邊長設(shè)置為15 mm，最終劃分得到的網(wǎng)格數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為159 834和213 482。約束傳動(dòng)滾筒只能繞軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如下頁圖2所示為建立好的傳動(dòng)滾筒有限元模型。

圖2 傳動(dòng)滾筒的有限元模型

3 傳動(dòng)滾筒的受力結(jié)果分析

根據(jù)以上流程建立好帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的有限元模型后，即可調(diào)用程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行計(jì)算，完成計(jì)算后可提取傳動(dòng)滾筒的受力情況和位移變形情況，如下頁圖3所示為傳動(dòng)滾筒的應(yīng)力分布云圖和變形分布云圖。由應(yīng)力分布云圖中可以看出，整個(gè)傳動(dòng)滾筒不同位置的受力情況非常不均勻，最小應(yīng)力值只有3.371 MPa，最大應(yīng)力值為169.8 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置位于筒體的中間部位。傳動(dòng)滾筒筒體的生產(chǎn)制作材料為Q235A，此類材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa?？梢钥闯鲎畲髴?yīng)力值與材料的許用應(yīng)力值之間相差很大，存在很大的富余。從變形分布云圖同樣可以看出，傳動(dòng)滾筒不同位置的變形量分布非常不均勻，最小變形量只有0.013 2 mm，而最大變形量達(dá)到了0.293 mm。最大變形量出現(xiàn)的位置同樣處于筒體的中間部位，與最大應(yīng)力值出現(xiàn)的部位基本相同。根據(jù)帶式輸送機(jī)相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，傳動(dòng)滾筒工作時(shí)的最大變形量ymax=2D/2800范圍內(nèi)，其中D表示滾筒的直徑。本案例中，滾筒直徑為1 800 mm，代入上式可計(jì)算得到y(tǒng)max=1.28 mm?？梢钥闯觯搀w的最大變形量與允許變形量之間同樣差距很大，存在很大富余。

圖3 傳動(dòng)滾筒的受力和應(yīng)變情況計(jì)算結(jié)果

基于以上分析可以看出，帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力值和變形量與許用值之間存在很大差距，這種設(shè)計(jì)方法雖然可以保障傳動(dòng)滾筒的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，但必然會(huì)增加其生產(chǎn)制作成本。此外，也會(huì)增加傳動(dòng)滾筒的重量，從而增加工作過程中的能耗。所以，有必要對傳動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其結(jié)構(gòu)更加合理，降低結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制作成本以及運(yùn)行時(shí)的能耗。

4 傳動(dòng)滾筒的優(yōu)化改進(jìn)

基于以上分析可以看出，現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒，其結(jié)構(gòu)存在一定缺陷。本文利用ANSYS軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，考慮到傳動(dòng)滾筒中軸徑、筒殼厚度、輻板厚度三個(gè)參數(shù)對重量影響較大，因此以上述三個(gè)參數(shù)為優(yōu)化變量，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置的取值范圍分別為200~400 mm、20~50 mm、30~50 mm。以傳動(dòng)軸、筒殼和輻板所使用材料的許用應(yīng)力值和最大變形量為約束條件，以上三個(gè)零件材料的許用應(yīng)力值分別為145 MPa、235 MPa和135 MPa。以整個(gè)傳動(dòng)滾筒的重量為優(yōu)化目標(biāo)，確保其重量最小。

基于正交實(shí)驗(yàn)方法對三個(gè)優(yōu)化變量進(jìn)行取值，并利用ANSYS軟件建模分析，對比不同取值時(shí)的計(jì)算結(jié)果，最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸徑、筒殼厚度、輻板厚度分別為350 mm、24 mm、31 mm時(shí)滾筒的重量最小，為6 t。優(yōu)化改進(jìn)前對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)分別為380 mm、30 mm、50 mm，對應(yīng)的滾筒重量為7.71 t。可見通過優(yōu)化改進(jìn)，在保證傳動(dòng)滾筒滿足各項(xiàng)使用性能的前提下，其重量降低了22.18%，效果顯著。

5 改進(jìn)后傳動(dòng)滾筒的實(shí)踐應(yīng)用效果

將優(yōu)化改進(jìn)后的傳動(dòng)滾筒應(yīng)用到DTL180型帶式輸送機(jī)中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，為驗(yàn)證應(yīng)用效果，對其使用情況進(jìn)行了連續(xù)6個(gè)月時(shí)間的觀察。經(jīng)過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的傳動(dòng)滾筒整體運(yùn)行穩(wěn)定，在測試期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。機(jī)械結(jié)構(gòu)件中材料成本占到整個(gè)結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)制作成本的60%左右。通過本次優(yōu)化改進(jìn)使得傳動(dòng)滾筒的重量降低了22.18%?；诖耍梢猿醪焦浪銈鲃?dòng)滾筒的生產(chǎn)加工成本可以節(jié)約13.31%左右。另外，傳動(dòng)滾筒作為重要的傳力結(jié)構(gòu)件，其重量的降低能在一定程度上降低帶式輸送機(jī)的能源消耗，為煤礦企業(yè)節(jié)省一定的成本?？傊?，此次針對傳動(dòng)滾筒的優(yōu)化改進(jìn)成果是顯著地，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。