煤矿伸缩式钢架带式输送机换向滚筒优化设计

剧江涛

(山西省能源发展中心，山西 太原 030000)

0 引 言

随着绿色环保、低碳节能理念的提出，再加上运输设备大型化、系统化、现代化的发展趋势，轻量化设计理念的推行势在必行。换向滚筒的重量大约为带式输送机运输设备总重量的1/5以上，滚筒进行轻量化设计不仅可以降低成本，减少材料损耗，对于设备结构的安全可靠也至关重要。某煤矿所用的带式输送机为LY00001伸缩式钢架带式输送机，设备的换向滚筒为老式换向滚筒，滚筒重量大、制造成本高，笔者对其在保证设备强度与刚度要求的前提下进行轻量化设计，最大程度地减轻设备重量，提升设备使用性能。

1 带式输送机换向滚筒优化设计

伸缩式钢架带式输送机换向滚筒优化设计的常见方法有粒子群算法、子问题近似法、拓扑优化理论等。上述分析方法分析次数多、优化设计效率低，只能运用有限差的方法分析。为提高优化效率，文中拟采用以响应面为研究基础的确定性优化方法对LY00001伸缩式钢架带式输送机换向滚筒进行优化设计，以应力与位移大小为限制条件对换向滚筒质量进行函数分析，求出最佳数值，得出最小滚筒质量[1]。

1.1 响应面建模流程

LY00001伸缩式钢架带式输送机换向滚筒响应面的建模首先应确定变量、目标函数以及约束条件。以变量为基础，运用BBD的方法对换向滚筒进行数据选取，通过该数据进行现场试验后可获取相应的响应值，然后将响应值拟合后可得到目标的近似目标函数[2]。再运用二次规划算法对已经建立的模型进行优化设计分析，针对问题进行优化求解，即可得出相应的优化结果。以该结果为基础可进行二次设计试验，以此往复上述试验步骤。当最终结果符合收敛准则，即前后两次试验所得优化结果差值小于一定数值后，即可确定试验优化完成。其具体的优化流程示意图如图1所示。

1.2 换向滚筒优化设计

LY00001伸缩式钢架带式输送机的换向滚筒主要由筒体、滚筒轴、筒毂轴承座等部件组成，其最大允许压力为35 MPa，最大变形量为其直径的万分之一。通过运用有限元分析中的静力学法对LY00001伸缩式钢架带式输送机换向滚筒进行分析可得出滚筒的具体参数为如表1所列，材料属性具体参数如表2所列。

图1 响应面建模优化流程示意图

表1 带式输送机换向滚筒具体参数表

表2 材料属性参数表

样本点数据的获取一般采用有限元分析的方法得到，需要网格划分、施加载荷、施加约束、计算结果及处理4个步骤[3]。网格划分主要有四面体、扫掠型、自动网格法、多域扫掠型4种方式。换向滚筒形状属于非规则图形，故选用自动网格法。在Ansys Workbench软件中选择Solid186单元，将尺寸设置为30 mm，即可生成四面体单元。

换向滚筒载荷与约束力的施加较为简单。载荷的施加主要集中在滚筒与输送带相连面，设备运转开始后实际接触面积只有原有的一半[4]。轴端的支撑力主要在轴与轴承的安装部分，且该作用力在滚筒表面失效发生时可忽略。除上述两个力之外换向滚筒就只有零件自重与张紧力，其受力示意图如图2所示。将上述作用力输入Ansys Workbench软件，计算可得出结果为0.0942 MPa，其计算公式如下：

式中：P为均布载荷，MPa；F为输送带张紧力，N；B为输送带宽度，mm；D为换向筒直径，mm。

图2 轴向均布载荷与约束、载荷加载示意图

求解主要是通过将滚筒进行三维模型建立、材料设置。有限元分析、网格划分、施加载荷与约束后进行数据分析求解，得出样本响应值的过程。此设计将壳体厚度、筒毂厚度及其内径选定为变量值，其初始值分别为x0=[24 60 370]T，将其输入至Design-Expert软件后，将滚筒应力R1与位移R2作为响应值进行设计分析，得出最终结果为：①位移残差呈正态分布，几乎分布与一条直线之上；②位移残差与预估值点分布分散，符合预测逻辑，表明分析数据完成，无遗漏；③位移预估值与实际分析值几乎重合，分布合理，实验数据准确。经数据模拟和分析计算后可得，当R1=0.89，R2=0.92时，其响应面最为合理。

1.3 换向滚筒模型优化

通过分析，LY00001伸缩式钢架带式输送机换向滚筒的数学优化模型[5]为：

minf(x)

st.R1(x)-0.1≤0

R2(x)-35≤0

式中：x为变量值；f(x)为目标函数；R1(x)、R2(x)为约束条件。

设计变量中，筒壳厚度初始值为24 mm，上下限为20 mm、28 mm；筒毂厚度初始值为60 mm，上下限为50 mm、70 mm；筒毂内径初始值为355 mm，上下限为320 mm、390 mm。目标函数滚筒质量的初始值为1 288.4 kg。

运用序列二次规划法对上述模型进行优化求解。运用Matlab软件中的优化工具GUI对上述数据进行优化求解可知，x=[20 50 390]T时，设计变量值为最优量。经过6次迭代收敛计算后，可得出换向滚筒的最优质量参数为1 116.1 kg。

2 应用分析

运用上述设计对LY00001伸缩式钢架带式输送机换向滚筒进行轻量化改造，优化前的滚筒质量为1 288.4 kg，优化后的滚筒质量为1 116.1 kg，共减轻质量172.3 kg，滚筒实际重量较改造前下降了13.37%，且经过500 h的连续工作试运转无发生设备故障，符

合设计要求。其具体改造实物图如图3所示。

图3 LY00001伸缩式钢架带式输送机实物图

3 结 语

带式输送机是煤矿生产中的重要运输设备，随着节能环保理念与设备大型化、现代化理念的不断加深，某煤矿的LY00001伸缩式钢架带式输送机已无法适应设备发展的要求。文中以LY00001伸缩式钢架带式输送机为研究对象，结合确定性优化设计理念，对LY00001伸缩式钢架带式输送机的换向滚筒进行轻量化设计，经过确定性优化设计并进行实地改造实验后，滚筒质量下降约13.37%，符合产品优化理念，提高了产品的自身性能。优化后的换向滚筒运行正常，无特殊故障，符合使用要求。