王宇琪

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤工程有限責(zé)任公司王村選煤廠， 山西 大同 037003）

引言

作為帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，滾筒的設(shè)計(jì)制造水平在不斷提高。滾筒的結(jié)構(gòu)逐漸從剛性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝栽O(shè)計(jì)，并隨著帶式輸送機(jī)速度的提高，滾筒的要求也不斷提高。改向滾筒是布置在帶式輸送機(jī)的端部位置用于改變輸送帶的方向，主要受到徑向載荷的作用，承受的載荷復(fù)雜，對帶式輸送機(jī)的運(yùn)行具有重要的影響。

1 改向滾筒有限元模型的建立

改向滾筒在帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過程中，兩端由軸承支撐，表面受到輸送帶的正壓力，使用過程中的失效形式主要分為磨損、變形、剪切破壞及裂紋。采用有限元仿真的形式對改向滾筒進(jìn)行靜態(tài)分析，首先需建立改向滾筒的有限元模型。采用Space Claim進(jìn)行改向滾筒三維模型的建立，Space Claim 可以進(jìn)行模型的快速創(chuàng)建及編輯，支持多種數(shù)據(jù)格式，建立三維模型。采用ANSYS Workbench 進(jìn)行有限元仿真，ANSYS Workbench 集成多個分析模塊，搭建CAE 分析的平臺系統(tǒng)，可以很好地支持改向滾筒的靜態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

依據(jù)某型號的改向滾筒進(jìn)行簡化假設(shè)，將焊接零件看作連續(xù)整體進(jìn)行分析，滾筒視為一體化結(jié)構(gòu)，省去外層的橡膠部分，建立三維模型。將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中使用Mesh 功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，零部件之間設(shè)定為綁定連接[1]。采用自由網(wǎng)格的形式對改向滾筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分，包含四面體及六面體網(wǎng)格，得到滾筒的網(wǎng)格模型如圖1 所示。

圖1 改向滾筒的網(wǎng)格劃分模型

改向滾筒的主要結(jié)構(gòu)包括軸、輪輻及滾筒，設(shè)定滾筒結(jié)構(gòu)的材質(zhì)屬性，軸采用45 鋼，輪輻采用ZG230-450 合金鋼，滾筒采用Q235。對滾筒進(jìn)行有限元靜態(tài)分析，對模型施加相應(yīng)的約束及載荷[2]。改向滾筒在使用過程中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，兩端采用固定約束，重力及張力作用于筒體上，由此對改向滾筒的應(yīng)力及變形進(jìn)行靜態(tài)分析。

2 改向滾筒仿真結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對改向滾筒進(jìn)行有限元分析，經(jīng)過計(jì)算后處理，可以得到改向滾筒的應(yīng)力及變形如下頁圖2-1、2-2所示。從圖2 可以看出，改向滾筒的整體應(yīng)力較小，最大應(yīng)力值為13 MPa，最大應(yīng)力位于滾筒的軸與軸套的連接位置；滾筒的最大變形發(fā)生在筒體內(nèi)部的軸上，采用剖切圖的形式可以看到，整體結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.014 mm，位于軸的中間位置處。

圖2 改向滾筒的靜態(tài)分析結(jié)果

采用ANSYS Workbench 軟件中的Topology Optimization 功能進(jìn)行改向滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過分析其響應(yīng)參數(shù)，從而提高滾筒的可靠性。滾筒的設(shè)計(jì)變量即為響應(yīng)參數(shù)，包括輻板的厚度、筒體的厚度及加強(qiáng)環(huán)的半徑，狀態(tài)變量是優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束函數(shù)，包括改向滾筒的最大位移，最大等效應(yīng)力，目標(biāo)函數(shù)即為優(yōu)化的目標(biāo)，設(shè)定為滾筒的質(zhì)量，即在狀態(tài)變量設(shè)定的范圍內(nèi)，對設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化[3]，從而達(dá)到目標(biāo)函數(shù)最小的優(yōu)化目的。

Topology Optimization 通過靜力計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，改向滾筒為對稱結(jié)構(gòu)，存在周期性變化，設(shè)定結(jié)構(gòu)周期為6。建立改向滾筒的模型，設(shè)定相應(yīng)的輸入?yún)?shù)，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，確定各設(shè)計(jì)參數(shù)及狀態(tài)變量的范圍，選取整體應(yīng)力大小以不超出現(xiàn)有應(yīng)力為優(yōu)化約束條件，以最小質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過計(jì)算，得到改向滾筒優(yōu)化前后的設(shè)計(jì)參數(shù)對比見表1 所示。從表1 中數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，改向滾筒的質(zhì)量下降22%，同樣對優(yōu)化后的滾筒進(jìn)行靜態(tài)分析。

表1 改向滾筒優(yōu)化前后參數(shù)對比

采用同樣的方式，對優(yōu)化后的改向滾筒進(jìn)行靜態(tài)分析，可以得到優(yōu)化后改向滾筒的應(yīng)力及變形分布如圖3 所示。從圖3 可看出，經(jīng)過優(yōu)化后的改向滾筒的最大應(yīng)力值為11.5 MPa，最大變形量為0.025 mm，滾筒整體承受的應(yīng)力較小，改向滾筒的各部件均可滿足使用要求，最大變形量有一定增加，但相對較小，為可接受的變形。經(jīng)過優(yōu)化后，改向滾筒的靜態(tài)性能滿足使用需求，且質(zhì)量有較大的減輕，對于提高滾筒的可靠性具有重要的幫助，實(shí)現(xiàn)了滾筒的輕量化設(shè)計(jì)。

圖3 優(yōu)化后改向滾筒的靜態(tài)分析結(jié)果

3 結(jié)論

1）經(jīng)過分析確定滾筒的最大應(yīng)力為13 MPa，位于軸套的連接位置處，最大變形量為0.014 mm。

2）采用ANSYS Workbench 對改向滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對優(yōu)化后的改向滾筒進(jìn)行靜態(tài)仿真分析，經(jīng)過優(yōu)化后，改向滾筒的質(zhì)量下降22%，最大應(yīng)力值為11.5 MPa，最大變形量為0.025 mm。

3）經(jīng)過優(yōu)化后的改向滾筒，減輕了自身的質(zhì)量，提高了滾筒的可靠性，且經(jīng)過分析滿足靜態(tài)使用要求。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了改向滾筒的可靠性，有利于保障煤礦帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。