带式输送机换向滚筒的优化设计研究

丰晓杰

（晋能集团大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

带式输送机作为连续运输装备，具有易于控制、运输过程安全、运输距离长等优势，在煤矿领域有非常广泛的应用[1]。早期我国的煤矿设备主要依赖进口，国产设备使用稳定性相对较差。煤矿设备使用环境复杂，对设备的强度和刚度等提出了相对较高的要求[2]。设计人员在对煤矿机械装备结构进行设计时，为了提升其安全系数，通常都会增加结构件的规格尺寸。对于带式输送机换向滚筒同样如此。增加结构件的厚度能够增加其高度，确保设备的安全运行[3-4]。但是过分增加换向滚筒结构件规格尺寸，会造成材料的浪费，在一定程度上增加了生产加工制作成本，不利于带式输送机的可持续发展[5]。因此，有必要对换向滚筒进行受力分析，在此基础上对其结构进行优化改进，在保证换向滚筒满足实际使用需要的前提下，尽可能减少结构件的规格尺寸，避免出现材料浪费现象，降低换向滚筒的生产加工制作成本[6]。

1 换向滚筒总体结构概述

以DTL180型矿用带式输送机为例进行研究分析，对该型号带式输送机的换向滚筒进行研究。DTL180型带式输送机的换向滚筒相关技术参数如下：皮带宽度为180 cm，换向滚筒的宽度和直径分别为200 cm和180 cm。滚筒轴通过滚筒轴承进行支撑，两个轴承之间的距离为208 cm。轴的总体长度为300 cm，安装胀套和轴承部位的直径分别为38 cm和34 cm。辐板厚度也存在梯度变化，与轮毂连接的部位、与筒壳连接的部位，辐板厚度分别为160 cm和6 cm。工作时皮带与滚筒的相遇点和分离点的张力大小分别为1 200 kN和540 kN。皮带与换向滚筒之间通过摩擦力传递扭矩，实现带式输送机的正常工作，两者间的摩擦系数为0.3。

2 换向滚筒受力模型的建立

2.1 三维模型构建

由于带式输送机换向滚筒的实际模型结构非常复杂，内部涉及到很多的细节问题。为了对模型建立过程以及计算过程进行简化，有必要对换向滚筒的一些细节特征进行简化。涉及到的简化主要包含下述几个方面：小结构特征比如圆角、凸台等省略；两个零件通过焊接连接时将其视为一个零件；将轴承位置的约束视为简支梁结构形式。首先基于上述假设简化，利用SolidWorks软件根据换向滚筒实际尺寸建立三维模型。然后将模型转换成为STP格式，以便导入到ANSYS软件中进行模拟分析。

2.2 有限元模型的建立

1）网格划分。将STP格式的三维模型导入到ANSYS软件中需要马上对其进行网格划分。ANSYS软件中包含有多种网络划分形式，不同形式网格单元会对计算过程以及结果产生决定性影响。在所有的网络类型中，用得比较多的包括两个，分别为SOLID45和SOLID95。换向滚筒中的受力结构件，比如辐板、轮毂以及滚筒轴等，利用SOLID45实体网格类型实施划分，其他结构件利用SOLID95网格类型进行划分，采用自动网格划分形式。

2）材料属性定义。换向滚筒中涉及到多个结构件，不同结构件生产制作材料存在一定的差异。其中滚筒轴使用45钢生产，其弹性模量和泊松比分别为193 GPa和0.28。筒壳使用Q235生产，弹性模量和泊松比分别为200 GPa和0.29。幅板使用ZG230-450加工，弹性模量和泊松比分别为207 GPa和0.28。胀套使用40Cr加工，弹性模量和泊松比分别为206 GPa和0.3。将以上数据参数输入到对应的模型结构中，以便得到理想的结果。

3）载荷和约束。换向滚筒在正常工作过程中，受到的载荷主要包括滚筒自身重力、旋转时的惯性力以及皮带施加的表面载荷。约束方面主要受到滚动轴承对其施加的简支梁形式的约束。如图1所示为换向滚筒有限元模型。

图1 带式输送机换向滚筒有限元模型

3 换向滚筒受力结果分析与讨论

根据上述过程建立好带式输送机换向滚筒有限元模型后，可以调用软件中的分析计算模块对模型进行计算，计算完成后可对模型进行后处理，即对结果进行分析。如图2所示为换向滚筒中筒壳、滚筒轴和辐板的应力分布云图。

图2 换向滚筒中筒壳、滚筒轴和辐板的应力（MPa）分布云图

筒壳在工作时主要承受两方面的力，分别为皮带施加在表面上的力、胀套的预紧力。从图中可以看出筒壳的最大应力值为35.57 MPa，出现最大应力值的部位为与辐板进行焊接连接的部位。滚筒轴的最大应力值为94.07 MPa，出现最大应力值的部位为与胀套进行连接的部位。除个别位置出现应力集中外，整个轴的其他区域受力相对较小，整体应力分布比较均匀。辐板的最大应力值为169.8 MPa，出现最大应力值的部位为与胀套进行连接的位置，应力集中现象主要是由于胀套安装时施加的预紧力引起的。辐板其他区域的应力也相对很小。

基于以上分析可以看出，换向滚筒中的筒壳、滚筒轴以及辐板结构件整体受力比较小，各自的应力值均比材料的许用应力值小很多。表明这些结构件的强度和刚度都非常大，能够满足实际使用需要。但是，结构件的最大应力值与材料许用应力值之间的差别太大，说明结构件的刚度和强度存在富余的情况，有进行优化改进的空间。在保证这些结构件满足实际使用需要的前提下，适当降低它们的规格尺寸以节省加工制作成本。

4 换向滚筒的优化设计研究

4.1 优化设计基本思路

在整个带式输送机结构体系中，换向滚筒的作用是对力矩进行传递，实现整个设备的正常运行。皮带工作时的张力直接作用在换向滚筒表面上，在该作用力的影响下导致滚筒各个结构件，包括轮毂、辐板以及滚筒轴等发生位移变形、产生应力。通过优化设计能够在保证换向滚筒结构满足实际使用需要的前提下，尽可能减小其生产制作成本，即体现在换向滚筒总体质量的降低上。结合带式输送机换向滚筒实际情况，可以将滚筒轴直径、筒壳厚度以及辐板厚度作为优化变量，以换向滚筒的强度和钢度作为约束条件，以换向滚筒整体质量作为优化目标开展优化设计工作。

4.2 优化变量、目标和约束条件

所谓优化设计变量指的就是能够在指定范围内进行变化的量。在结合换向滚筒结构特征的基础上，设置了三个优化变量，分别为滚筒轴直径、辅板厚度和筒壳厚度。优化过程中的约束条件主要是换向滚筒内各个结构件的最大应力值不得超过对应材料的许用应力值。优化目标为换向滚筒的整体质量，可以根据各结构件尺寸计算对应的体积，然后结合材料的密度就可以计算得到换向滚筒的整体质量。为简化计算过程，本文将所有材料的密度全部设置为7.85×10-6kg/mm3。

4.3 换向滚筒优化设计整体流程

基于ANSYS软件对其进行优化设计。为了不对带式输送机整体结构造成影响，换向滚筒的筒壳直径以及宽度保持不变，优化设计变量主要为滚筒轴直径、辅板厚度和筒壳厚度。如图3所示为换向滚筒优化设计整体流程图。

图3 换向滚筒优化设计整体流程图

4.4 优化设计结果分析

如下页图4所示为优化设计过程中不同计算次数对应的换向滚筒整体质量。从图中可以看出，随着计算次数的不断增加，换向滚筒的整体质量大体上在逐渐降低。经过10次计算后，滚筒质量基本保持稳定，不再显著降低。保持稳定后的滚筒总质量为5.98 t，而在优化前对应的质量为7.71 t。由此可以看出，在对换向滚筒部分结构件尺寸进行优化改进后，换向滚筒总体质量得到了显著降低，其生产加工成本随之会降低很多，为企业节省了大量的生产加工成本。虽然对其结构尺寸进行了优化改善，但是不会影响其正常使用，能够保证所有结构件的最大应力值维持在对应材料的许用应力值范围以内。

图4 换向滚筒整体质量随计算次数的变化曲线

如图5所示为优化前后各参数数据对比。

5 结论

带式输送机换向滚筒是保证整个设备正常运行的关键，但是一味地追求换向滚筒的强度和刚度，过分增加结构件的规格尺寸会在一定程度上增加结构件的生产加工成本，造成材料浪费。利用ANSYS软件对带式输送机换向滚筒的受力情况进行分析，发现其中几个重要结构件的最大应力值与材料许用应力值之间的差距较大，存在富余现象。基于此对其结构进行优化改进，改进后的滚筒结构不仅满足实际使用需要，同时多个结构件的规格尺寸显著降低，使得整体的质量从优化设计前的7.71 t降低到了优化后的5.98 t，为企业节约了大量生产加工成本，优化改进效果显著。

图5 优化前后各参数数据对比（单位：mm）