二氧化铀自动投料生产线滚筒的静力学分析

赵洪海

(中核二七二铀业有限责任公司，湖南 衡阳 421001)

铀转化生产线生产效率和安全性的提高，有利于提高产能和保障工人安全。自动投料生产线是针对传统铀转化生产线人工投料不便而进行的升级改造项目。电动滚筒作为生产线上的重要装备，具有输送能力强、安装方便等优势，在物料传输、分拣等工序有着较广泛的应用。根据传输带上各部分的作用不同，其上的滚筒可以分为驱动滚筒、无驱动滚筒以及转向滚筒。驱动滚筒一般内置减速电机带动滚筒转动，使生产线上的物料跟着一起运动；无驱动滚筒通过与转运的物料摩擦接触起到过渡作用，可节省驱动滚筒的使用数量；转向滚筒主要用来调节传动方向。

许多研究人员通过数值分析或改进滚筒结构，使滚筒的性能得到了提升。新型的电动滚筒装置，提高了滚筒使用时的稳定性、耐用性和便利性，能满足永磁电动滚筒的加载和空载反转电动势的要求[1]。传送带上的圆形滚筒不在外力作用下一般不会跑偏，鼓形滚筒能对传送带起到纠正的效果[2]。滚筒结构和零部件对整个传输带的模态有影响，保持滚筒转速小于其固有频率，能够使物料较平稳地传送；滚筒转速接近系统固有频率，会影响传输带稳定性[3]。基于COSMOS软件对滚筒进行的静力学和动力学分析，得到了滚筒变形和受力分布的规律，解决了非标滚筒的可靠性问题，提升了滚筒的质量[4]。

滚筒作为生产线上的核心部件，既要承受生产线运输料桶的载荷，又要承受相应电机或减速器传递的扭矩，其受力相对复杂。合理的滚筒结构能提高滚筒的刚度与强度，有利于提高生产线的使用年限和可靠性。基于此，有必要对生产线的滚筒进行强度计算，使其能够在实际工况下正常运行。

1 数值模型计算基本理论

用数值计算软件ANSYS，分析滚筒体在运载物料时的承载情况。根据实际的滚筒尺寸绘制分析用的滚筒实体模型，为让滚筒实体模型有相应材料的物理性质，设置对应材料的物理参数。研究的滚筒体采用45钢，其物理属性见表1。

表1 45钢的物理性能

通常用于工程问题求解的微分方程，其边界条件、约束条件等比较复杂，难以求解；然而借助计算机的运算能力和分析软件，这些问题可得到比较好的解决。FEM方法借助事先设置好算法的软件，在拥有一定硬件条件的计算机上，建立离散化后的单元体的求解方程，使用连续函数表达实体单元函数的解；同时单元与单元之间是连续的，利用其连续性得到其整体方程[5]：

R=K·U-F，

(1)

式中：R为反作用力矩阵，K为刚度矩阵，U为位移矩阵，F为载荷矩阵。

物质体的应力应变是多变复杂的理论，受到无量纲因子和相关系数的干扰，属于半经验半理论的公式。常见的钢材视为各向同性，其基本强度理论公式为[6]

(2)

(3)

(4)

式中：δ为等效应力，εe为等效变形，U为位移。

2 网格划分与边界条件的添加

电动滚筒的滚筒体是保护内部轴承、中心轴和转运物料的重要部件，因此对滚筒强度有较高的要求。筒体及其内部零部件的受力和变形情况比较复杂[7-17]，非标滚筒一般采用经验设计方法。

核物料转运桶的自动化投料生产线采用的滚筒，由刚性中心轴、连接轴承与中心轴的卡盘、防尘用的滚筒端盖等构成，其结构如图1所示。滚筒外径76 mm，长800 mm，采用钢板焊接而成，滚筒排布采取驱动滚筒与从动滚筒间隔排布方式，以节省电机的使用量和节约成本。

1-滚筒；2-中心轴；3-连接卡盘；4-滚筒端盖。

离散化计算所用的模型是有限元数值计算的基础，将实体离散化成若干有限个分区，或者根据其实体结构进行切分细化网格，将划分出的单元用相应的函数方程表示；再利用其特点将这些函数方程组合成整体方程，用这个组装的整体方程来表示模型。FEM法采用这种模型进行计算。

对滚筒体进行离散化处理。由于ANSYS Workbench操作界面对用户比较友好，滚筒的网格数量不大；而且滚筒体为单结构，没有接触类约束，因此利用数值计算软件中mesh专用网格划分模块。采用非结构化的划分方法对滚筒体进行划分以及细化网格，其离散化的滚筒体模型如图2所示，其单元体数量为127 909个，网格划分疏密适中。

图2 滚筒网格划分

静力学有限元数值分析中的边界条件包括位移约束和载荷力约束，通过添加边界条件使模型有确定的解。由于滚筒与转运料桶的托盘底面为线接触形式的载荷，故在滚筒面先建立映射线来保证载荷能够加载在滚筒母线上。滚筒体的两边固定在滚筒卡盘的端面上，在端面上采用固定约束。其约束条件的添加如图3所示。

图3 滚筒边界条件

3 数值仿真结果分析

通过ANSYS中的内置求解器求解数值模型，完成数值计算工作后，对求解结果进行调用，可以获得滚筒的应力分布情况以及整个变形的分布情况，滚筒体的应变如图4所示。可以看出，最大应变量约为5.695×10-5，应变较大部分集中在托盘与滚筒体外壳接触部分。观察放大后的形变趋势，滚筒体有压扁的趋势，同时轴线方向有弯曲趋势。由于其应变量较小，可以适当减小滚筒长度以增加其刚度。当滚筒长度减小时，生产线的宽度也随之减小，其结构更紧凑，既能增加滚筒的强度，又能节约成本。

图4 滚筒应变云图

滚筒体所受的应力如图5所示。其应力云图与应变云图的变化趋势一致，即在线接触的地方应变大，其相应的应力也较大，这与强度理论中位移与力的变化关系一致。滚筒体最大应力约为10.2 MPa，根据强度理论只要不超过许用范围值就满足要求，其整体最大应力远小于许用值，符合强度需求。

图5 滚筒应力云图

滚筒总体变形如图6所示。在滚筒体中间位置，整体变形量较其他地方大，最大约为0.021 mm，变形量处于可承受范围内。但出于安全考虑，在滚筒设计上可增加滚筒外壳钢板的厚度，同时在滚筒体容易变形的中间区域设置加强结构，来提高其强度。通过图6也可看出，滚筒两端的变形量虽然比较小；但其两端不再保持圆形，这会使与之配合的轴承也产生变形。

图6 滚筒总体变形云图

4 结论

对电动滚筒进行三维建模，并对滚筒外壳体进行离散化处理，在分析滚筒体承载情况的基础上，简化处理并添加符合实际受力情况的约束和载荷后，对滚筒进行静力学计算。研究表明，可以适当缩短生产线滚筒的长度，以便增加其滚筒的刚度；可以适当增加筒体的厚度或改善滚筒体的支撑条件，以抑制滚筒体因受载产生变形。