趙洪海

(中核二七二鈾業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 衡陽 421001)

鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率和安全性的提高，有利于提高產(chǎn)能和保障工人安全。自動(dòng)投料生產(chǎn)線是針對(duì)傳統(tǒng)鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)線人工投料不便而進(jìn)行的升級(jí)改造項(xiàng)目。電動(dòng)滾筒作為生產(chǎn)線上的重要裝備，具有輸送能力強(qiáng)、安裝方便等優(yōu)勢(shì)，在物料傳輸、分揀等工序有著較廣泛的應(yīng)用。根據(jù)傳輸帶上各部分的作用不同，其上的滾筒可以分為驅(qū)動(dòng)滾筒、無驅(qū)動(dòng)滾筒以及轉(zhuǎn)向滾筒。驅(qū)動(dòng)滾筒一般內(nèi)置減速電機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使生產(chǎn)線上的物料跟著一起運(yùn)動(dòng)；無驅(qū)動(dòng)滾筒通過與轉(zhuǎn)運(yùn)的物料摩擦接觸起到過渡作用，可節(jié)省驅(qū)動(dòng)滾筒的使用數(shù)量；轉(zhuǎn)向滾筒主要用來調(diào)節(jié)傳動(dòng)方向。

許多研究人員通過數(shù)值分析或改進(jìn)滾筒結(jié)構(gòu)，使?jié)L筒的性能得到了提升。新型的電動(dòng)滾筒裝置，提高了滾筒使用時(shí)的穩(wěn)定性、耐用性和便利性，能滿足永磁電動(dòng)滾筒的加載和空載反轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的要求[1]。傳送帶上的圓形滾筒不在外力作用下一般不會(huì)跑偏，鼓形滾筒能對(duì)傳送帶起到糾正的效果[2]。滾筒結(jié)構(gòu)和零部件對(duì)整個(gè)傳輸帶的模態(tài)有影響，保持滾筒轉(zhuǎn)速小于其固有頻率，能夠使物料較平穩(wěn)地傳送；滾筒轉(zhuǎn)速接近系統(tǒng)固有頻率，會(huì)影響傳輸帶穩(wěn)定性[3]?；贑OSMOS軟件對(duì)滾筒進(jìn)行的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，得到了滾筒變形和受力分布的規(guī)律，解決了非標(biāo)滾筒的可靠性問題，提升了滾筒的質(zhì)量[4]。

滾筒作為生產(chǎn)線上的核心部件，既要承受生產(chǎn)線運(yùn)輸料桶的載荷，又要承受相應(yīng)電機(jī)或減速器傳遞的扭矩，其受力相對(duì)復(fù)雜。合理的滾筒結(jié)構(gòu)能提高滾筒的剛度與強(qiáng)度，有利于提高生產(chǎn)線的使用年限和可靠性?；诖?，有必要對(duì)生產(chǎn)線的滾筒進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，使其能夠在實(shí)際工況下正常運(yùn)行。

1 數(shù)值模型計(jì)算基本理論

用數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS，分析滾筒體在運(yùn)載物料時(shí)的承載情況。根據(jù)實(shí)際的滾筒尺寸繪制分析用的滾筒實(shí)體模型，為讓滾筒實(shí)體模型有相應(yīng)材料的物理性質(zhì)，設(shè)置對(duì)應(yīng)材料的物理參數(shù)。研究的滾筒體采用45鋼，其物理屬性見表1。

表1 45鋼的物理性能

通常用于工程問題求解的微分方程，其邊界條件、約束條件等比較復(fù)雜，難以求解；然而借助計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和分析軟件，這些問題可得到比較好的解決。FEM方法借助事先設(shè)置好算法的軟件，在擁有一定硬件條件的計(jì)算機(jī)上，建立離散化后的單元體的求解方程，使用連續(xù)函數(shù)表達(dá)實(shí)體單元函數(shù)的解；同時(shí)單元與單元之間是連續(xù)的，利用其連續(xù)性得到其整體方程[5]：

R=K·U-F，

(1)

式中：R為反作用力矩陣，K為剛度矩陣，U為位移矩陣，F(xiàn)為載荷矩陣。

物質(zhì)體的應(yīng)力應(yīng)變是多變復(fù)雜的理論，受到無量綱因子和相關(guān)系數(shù)的干擾，屬于半經(jīng)驗(yàn)半理論的公式。常見的鋼材視為各向同性，其基本強(qiáng)度理論公式為[6]

(2)

(3)

(4)

式中：δ為等效應(yīng)力，εe為等效變形，U為位移。

2 網(wǎng)格劃分與邊界條件的添加

電動(dòng)滾筒的滾筒體是保護(hù)內(nèi)部軸承、中心軸和轉(zhuǎn)運(yùn)物料的重要部件，因此對(duì)滾筒強(qiáng)度有較高的要求。筒體及其內(nèi)部零部件的受力和變形情況比較復(fù)雜[7-17]，非標(biāo)滾筒一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

核物料轉(zhuǎn)運(yùn)桶的自動(dòng)化投料生產(chǎn)線采用的滾筒，由剛性中心軸、連接軸承與中心軸的卡盤、防塵用的滾筒端蓋等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。滾筒外徑76 mm，長800 mm，采用鋼板焊接而成，滾筒排布采取驅(qū)動(dòng)滾筒與從動(dòng)滾筒間隔排布方式，以節(jié)省電機(jī)的使用量和節(jié)約成本。

1-滾筒；2-中心軸；3-連接卡盤；4-滾筒端蓋。

離散化計(jì)算所用的模型是有限元數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)，將實(shí)體離散化成若干有限個(gè)分區(qū)，或者根據(jù)其實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行切分細(xì)化網(wǎng)格，將劃分出的單元用相應(yīng)的函數(shù)方程表示；再利用其特點(diǎn)將這些函數(shù)方程組合成整體方程，用這個(gè)組裝的整體方程來表示模型。FEM法采用這種模型進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)滾筒體進(jìn)行離散化處理。由于ANSYS Workbench操作界面對(duì)用戶比較友好，滾筒的網(wǎng)格數(shù)量不大；而且滾筒體為單結(jié)構(gòu)，沒有接觸類約束，因此利用數(shù)值計(jì)算軟件中mesh專用網(wǎng)格劃分模塊。采用非結(jié)構(gòu)化的劃分方法對(duì)滾筒體進(jìn)行劃分以及細(xì)化網(wǎng)格，其離散化的滾筒體模型如圖2所示，其單元體數(shù)量為127 909個(gè)，網(wǎng)格劃分疏密適中。

圖2 滾筒網(wǎng)格劃分

靜力學(xué)有限元數(shù)值分析中的邊界條件包括位移約束和載荷力約束，通過添加邊界條件使模型有確定的解。由于滾筒與轉(zhuǎn)運(yùn)料桶的托盤底面為線接觸形式的載荷，故在滾筒面先建立映射線來保證載荷能夠加載在滾筒母線上。滾筒體的兩邊固定在滾筒卡盤的端面上，在端面上采用固定約束。其約束條件的添加如圖3所示。

圖3 滾筒邊界條件

3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

通過ANSYS中的內(nèi)置求解器求解數(shù)值模型，完成數(shù)值計(jì)算工作后，對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行調(diào)用，可以獲得滾筒的應(yīng)力分布情況以及整個(gè)變形的分布情況，滾筒體的應(yīng)變?nèi)鐖D4所示?？梢钥闯觯畲髴?yīng)變量約為5.695×10-5，應(yīng)變較大部分集中在托盤與滾筒體外殼接觸部分。觀察放大后的形變趨勢(shì)，滾筒體有壓扁的趨勢(shì)，同時(shí)軸線方向有彎曲趨勢(shì)。由于其應(yīng)變量較小，可以適當(dāng)減小滾筒長度以增加其剛度。當(dāng)滾筒長度減小時(shí)，生產(chǎn)線的寬度也隨之減小，其結(jié)構(gòu)更緊湊，既能增加滾筒的強(qiáng)度，又能節(jié)約成本。

圖4 滾筒應(yīng)變?cè)茍D

滾筒體所受的應(yīng)力如圖5所示。其應(yīng)力云圖與應(yīng)變?cè)茍D的變化趨勢(shì)一致，即在線接觸的地方應(yīng)變大，其相應(yīng)的應(yīng)力也較大，這與強(qiáng)度理論中位移與力的變化關(guān)系一致。滾筒體最大應(yīng)力約為10.2 MPa，根據(jù)強(qiáng)度理論只要不超過許用范圍值就滿足要求，其整體最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用值，符合強(qiáng)度需求。

圖5 滾筒應(yīng)力云圖

滾筒總體變形如圖6所示。在滾筒體中間位置，整體變形量較其他地方大，最大約為0.021 mm，變形量處于可承受范圍內(nèi)。但出于安全考慮，在滾筒設(shè)計(jì)上可增加滾筒外殼鋼板的厚度，同時(shí)在滾筒體容易變形的中間區(qū)域設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，來提高其強(qiáng)度。通過圖6也可看出，滾筒兩端的變形量雖然比較小；但其兩端不再保持圓形，這會(huì)使與之配合的軸承也產(chǎn)生變形。

圖6 滾筒總體變形云圖

4 結(jié)論

對(duì)電動(dòng)滾筒進(jìn)行三維建模，并對(duì)滾筒外殼體進(jìn)行離散化處理，在分析滾筒體承載情況的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化處理并添加符合實(shí)際受力情況的約束和載荷后，對(duì)滾筒進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算。研究表明，可以適當(dāng)縮短生產(chǎn)線滾筒的長度，以便增加其滾筒的剛度；可以適當(dāng)增加筒體的厚度或改善滾筒體的支撐條件，以抑制滾筒體因受載產(chǎn)生變形。