熊光偉

（太原煤氣化集團(tuán)公司龍泉能源公司， 山西 太原 030000）

0 引言

煤炭資源作為我國重要的能源形式，其在我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到舉足輕重的作用，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭資源的需求量日益加大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤炭資源在一次能源中占比超過七成。隨著科技水平的不斷進(jìn)步，煤礦機(jī)械化水平日益提升。帶式輸送機(jī)作為重要的物料輸送設(shè)備，其在我國礦山、化工、冶金行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，隨著礦井開采規(guī)模及開采難度的不斷加大，普通帶式輸送機(jī)已經(jīng)無法滿足礦井正常生產(chǎn)要求，目前礦井的運(yùn)輸已經(jīng)朝著大運(yùn)量、長距離、大傾角方向發(fā)展。帶式輸送機(jī)主要由輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置、安全裝置、托輥、滾筒等組成，傳動(dòng)原理為驅(qū)動(dòng)裝置通過滾筒驅(qū)動(dòng)輸送帶[1-2]。滾筒按照工作效果可分為改向滾筒和傳動(dòng)滾筒，為了追求效率的高效化，本文基于前人研究，以DTL160/330/3×1 600 帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)改向滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為礦井降本增效做出一定的貢獻(xiàn)。

1 改向滾筒靜力分析

改向滾筒大多安裝于輸送機(jī)的端部，其主要作用為改變輸送皮帶運(yùn)行方向。通過自重提供張緊力，同時(shí)增大傳動(dòng)滾筒接觸面積，使摩擦力增大，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸效率的提升。目前對(duì)滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有許多，但主要采用許用應(yīng)力法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即在應(yīng)力滿足要求的條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)結(jié)構(gòu)靜力進(jìn)行分析，通過模擬云圖分析結(jié)構(gòu)受力情況，從而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸等進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

ANSYS 軟件是由ANSYS 公司發(fā)明的一款軟件，目前推出ANSYS19.0，軟件可以求解結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、碰撞等問題。利用ANSYS 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行改向滾筒模型建立，改向滾筒由滾筒軸、脹套、筒體、軸承座等組成。相對(duì)應(yīng)的部件均有對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸圖，所以通過UG 8.0 對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸圖進(jìn)行處理，生成輸送機(jī)的Φ830 mm×1 600 mm 改向滾筒裝配體模型，后通過外接軟件將模型導(dǎo)入SpaceClaim 進(jìn)行模型簡化，忽略安裝孔、倒角、螺栓等，同時(shí)整個(gè)過程張力均勻布置，無明顯焊接缺陷等。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)參數(shù)設(shè)定，滾軸采用45 號(hào)鋼，密度為7.85g/cm3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.31，屈服極限為355MPa，抗拉強(qiáng)度600MPa；輪輻采用ZG230-450，密度為7.85 g/cm3，彈性模量為200GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為230MPa、450 MPa；滾筒采用Q235，密度為7.85 g/cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度為375～500 MPa。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完成共計(jì)網(wǎng)格64 萬個(gè)，節(jié)點(diǎn)106 萬個(gè)。改向滾筒網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 改向滾筒網(wǎng)格劃分

對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，對(duì)模型的六個(gè)方向進(jìn)行約束設(shè)定，限制X、Y、Z 三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)及平動(dòng)。對(duì)模型進(jìn)行載荷設(shè)置，對(duì)模型進(jìn)行邊界條件的約束以及載荷的施加，施加邊界條件為靜力分析邊界條件。對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，對(duì)模型的六個(gè)方向進(jìn)行約束設(shè)定，限制X、Y、Z 三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)及平動(dòng)。對(duì)模型進(jìn)行載荷設(shè)置，對(duì)模型進(jìn)行載荷施加，皮帶張力設(shè)定為40 kN。對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，整體應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 改向滾筒整體應(yīng)力云圖

從圖2 中可以看出，改向滾筒整體受力較為平均，且整體受力較小，僅在軸與軸套連接處位置存在最大的應(yīng)力值，最大應(yīng)力值為13.364 MPa，如圖2 中標(biāo)注max 位置為最大應(yīng)力值點(diǎn)。

分別對(duì)軸及軸套的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，軸及軸套的應(yīng)力云圖如圖3 所示。

圖3 軸及軸套的應(yīng)力云圖

如圖3 所示，軸的應(yīng)力分布云圖整體呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特點(diǎn)，對(duì)稱軸為軸的中線，可以看出軸的最大應(yīng)力集中點(diǎn)為軸與軸承接觸位置，在此位置的最大應(yīng)力值為9.466 3 MPa。觀察軸套的應(yīng)力分部云圖可以看出，在軸套與軸連接位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值為6.863 7 MPa。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

對(duì)改向滾筒進(jìn)行優(yōu)化，在滿足使用需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。設(shè)計(jì)主要針對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)，由于滾筒的結(jié)構(gòu)有著較大冗余現(xiàn)象。同時(shí)根據(jù)靜力模擬分析得出了冗余結(jié)構(gòu)位置。所以可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。首先進(jìn)行質(zhì)量優(yōu)化，質(zhì)量優(yōu)化目標(biāo)為原先質(zhì)量的75%～85%，利用ANSYS Workbench 下Topology Optimization 模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，整體模型在75%～85%質(zhì)量區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后此時(shí)在軸與支撐環(huán)位置減重明顯，在軸的中間部位去除部分質(zhì)量，在軸套、筒體積輪輻位置無明顯質(zhì)量減少。同時(shí)結(jié)合模擬結(jié)果，并基于應(yīng)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，此前滾筒的受力最大值為13.364MPa，設(shè)定優(yōu)化應(yīng)力為10 MPa，基于應(yīng)力優(yōu)化后，此時(shí)的軸中部及支撐環(huán)重量被消減，而軸套質(zhì)量無變化。

經(jīng)過對(duì)以上要素進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，最后得出在軸中部受力較小，同時(shí)在軸心可設(shè)計(jì)為空余，在軸的中部適當(dāng)減少質(zhì)量。而在輪輻位置強(qiáng)度充裕，可以適當(dāng)增大圓孔，適當(dāng)減薄支撐；支撐環(huán)周期性開槽；筒體開槽處理。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，同樣進(jìn)行建模及后續(xù)參數(shù)設(shè)定，具體步驟與前文過程類似，所以不做論述，得出優(yōu)化后靜力模擬云圖如圖4 所示。

圖4 改向滾筒整體應(yīng)力云圖

從圖4 可以看出，優(yōu)化后的改向滾筒云圖顯示，滾筒的整體變形最大值為0.025 mm，應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置為支撐處，此時(shí)的最大應(yīng)力值為11.56 MPa?？梢钥闯?，經(jīng)過優(yōu)化后此時(shí)的改向滾筒整體能夠承受工作時(shí)的最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為11.56 MPa 遠(yuǎn)小于選用材料鑄鋼、Q235、45Cr 鋼的許用應(yīng)力，所以優(yōu)化后使用能夠滿足要求，整體對(duì)改向滾筒進(jìn)行的輕量化設(shè)計(jì)能夠滿足要求。

3 結(jié)論

1）本文利用ANSYS 數(shù)值模擬軟件對(duì)改向滾筒進(jìn)行模擬分析，給出了滾筒模型建立、網(wǎng)格劃分、約束及應(yīng)力設(shè)置等方法，為后續(xù)模擬研究奠定基礎(chǔ)。

2）對(duì)改向滾筒靜力加載下受力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)改向整體受力較為平均，僅在軸與軸套連接處位置存在最大的應(yīng)力值，最大應(yīng)力值為13.364 MPa，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

3）經(jīng)過優(yōu)化后此時(shí)的改向滾筒整體能夠承受工作時(shí)的最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值11.56 MPa 遠(yuǎn)小于選用材料鑄鋼、Q235、45Cr 鋼的許用應(yīng)力，改向滾筒優(yōu)化設(shè)計(jì)較為成功。