基于ANSYS的带式输送机驱动滚筒的优化设计

卫志军

（西山圪堆煤业有限公司， 山西 古县 040200）

引言

作为将煤矿井下开采的煤炭运输到地面上的连续性输送设备，带式输送机系统凭借着其结构简单、输送效率高、成本低廉的特点，成为煤炭生产企业所不可缺少的核心机械[1]。带式输送机主要包括机架、输送带、驱动滚筒和张紧装置，工作时驱动电机利用驱动滚筒和输送带之间的摩擦力带动输送带的运行，从而实现对煤炭连续不断的运输，同时驱动滚筒还主要受到输送带在启动时的振动和冲击，因此驱动滚筒工作的可靠性和稳定性直接决定了输送机系统能否稳定可靠的工作，为确保输送机驱动滚筒在使用时的可靠性，多数设计企业利用加大滚筒的安全系数、加大滚筒的尺寸来降低驱动滚筒在使用时发生变形、断裂等危害，但该方法除了靠加大滚筒的质量降低输送带的传动效率外，对输送机工作可靠性的提高有限，总体说来是得不偿失，因此迫切需要开发一种新的、能够对输送机滚筒进行设计校核的方法，在实现输送机工作可靠性的前提下降低驱动滚筒的整体质量，达到降低成本的目的。

1 带式输送机的工作原理及滚筒受力数学模型

带式输送机系统在静止情况下通过输送带上的初始张紧力F0在输送带和驱动滚筒之间产生一定的正压力，当驱动电机带动驱动滚筒转动时，在主动轮的驱动力矩的作用下，利用和输送带之间的正压力产生的摩擦力驱动输送带运行，此时在驱动滚筒与输送带分离的一侧输送带内的张紧力由F0降低为F2，输送带切入驱动滚筒一侧输送带内的张紧力则由F0增大为F1，在运行过程中两侧输送带作用下产生的力矩和作用在滚筒上的力矩大小一致，由于输送带为黏弹性结构，因此输送带的长度随输送带内张力的变化而变化，使输送带和驱动滚筒的围包角α、静止弧度γ以及工作弧度β均会受到输送带内张紧力的变化而变化，作用在驱动滚筒上的力的受力分析如图1所示。

图1 带式输送机驱动滚筒受力分析

由图1可知，带式输送机中的张紧力在驱动滚筒的表面是不断变化的，因此由欧拉公式可知，在输送带的有效工作弧度范围内，输送带上任意的张紧力可表示为[2]：

在围包角内任意一段微弧dθ中，作用在驱动滚筒上的正压力可表示为：

此时输送带微弧下的驱动滚筒的面积可表示为：

式中：B为输送机系统输送带的宽度；R为输送带作用出的驱动滚筒的最大半径；此时作用于工作弧度内的压力可表示为：

在工作时作用于滚筒表面的摩擦力可表示为：

2 带式输送机滚筒的仿真分析

ANSYS软件是一款广泛应用于结构分析的有限元仿真软件，利用CREO三维建模软件建立输送机滚筒的三维模型并将其导入到ANSYS仿真分析软件[3]中，采用映射网格划分及自由网格划分的方法对其进行网格划分，并通过计算对驱动滚筒施加一定的工作载荷，其如图2所示。

对其进行仿真分析，结果如图3、4所示。

图2 驱动滚筒三维仿真模型

图3 驱动滚筒受力（MPa）分布云图

图4 驱动滚筒受力（MPa）变形云图

由仿真分析结果可知，在工作载荷和冲击的作用下，驱动滚筒的最大应力约为37.15 MPa，其主要发生在驱动滚筒两侧与滚筒边板的焊接缝隙位置，在输送带运动时的外力作用下，对驱动滚筒产生一个向内的挤压作用，使其产生了向内的变形凹陷，其最大的变形量出现在驱动滚筒中间位置的无输送带作用的一侧，最大变形量约为0.3 mm，其变形量由输送带的切入侧向外逐渐扩散，在输送带脱离的位置达到最大。

3 带式输送机驱动滚筒的优化设计

优化设计是利用最优设计的思想，对所有影响因素进行总的综合评估分析，在所有影响因素中寻找一个最优的平衡点，实现一个最接近约束条件的设计。利用APDL[4]工具对该带式输送机驱动滚筒进行结构优化设计，将驱动滚筒的直径D、壁厚s及辐板的厚度h作为优化时的变量，将驱动滚筒的总质量作为优化的目标值，由于驱动滚筒材料密度已知，因此可将滚筒总重的求解转换为对滚筒体积V的求解，其目标函数的优化设计数学模型可表示为：

式中：B为驱动滚筒的宽度。

根据求解优化数学模型，将其带入到APDL工具中，对其进行10次的迭代求解，对10次求解结果中目标函数的总质量进行分析，得出其分布曲线，如图5所示，最大应力的变化曲线如图6所示。

图5 驱动滚筒总质量的变化曲线

图6 驱动滚筒最大应力的变化曲线

由迭代求解结果可知，随着迭代优化的增加，其滚筒质量总体上呈现逐渐降低的趋势，并在第十次求解时达到最小，使驱动滚筒的总质量由最初的约7.27 t下降到了优化后的5.37 t，总质量降低了约26.14%，其最大的应力随着迭代的加深，应力逐渐降低，使其满足结构强度的要求。

4 结论

驱动滚筒主要用于将驱动电机的输出动力传递给输送带，从而带动整个输送机系统的连续运转，是带式输送机系统的关键部件，驱动滚筒的使用寿命和工作时的稳定性直接关系到带式输送机系统能否正常工作。通过建立驱动滚筒受力的数学模型，利用ANSYS仿真分析软件对驱动滚筒受力时的应力和应变情况进行分析并进行优化设计。优化后的结构表明：在各处应力满足使用要求的情况下，能够使驱动滚筒的总质量由最初的约7.27 t下降到了优化后的5.37 t，总质量降低了约26.14%，极大提高了驱动滚筒的使用寿命，提高了输送机在工作时的稳定性。