带式输送机改向滚筒的静态分析及结构优化

王宇琪

（晋能控股煤业集团大地选煤工程有限责任公司王村选煤厂， 山西 大同 037003）

引言

作为带式输送机的关键结构，滚筒的设计制造水平在不断提高。滚筒的结构逐渐从刚性设计转变为柔性设计，并随着带式输送机速度的提高，滚筒的要求也不断提高。改向滚筒是布置在带式输送机的端部位置用于改变输送带的方向，主要受到径向载荷的作用，承受的载荷复杂，对带式输送机的运行具有重要的影响。

1 改向滚筒有限元模型的建立

改向滚筒在带式输送机的运行过程中，两端由轴承支撑，表面受到输送带的正压力，使用过程中的失效形式主要分为磨损、变形、剪切破坏及裂纹。采用有限元仿真的形式对改向滚筒进行静态分析，首先需建立改向滚筒的有限元模型。采用Space Claim进行改向滚筒三维模型的建立，Space Claim 可以进行模型的快速创建及编辑，支持多种数据格式，建立三维模型。采用ANSYS Workbench 进行有限元仿真，ANSYS Workbench 集成多个分析模块，搭建CAE 分析的平台系统，可以很好地支持改向滚筒的静态分析及结构优化。

依据某型号的改向滚筒进行简化假设，将焊接零件看作连续整体进行分析，滚筒视为一体化结构，省去外层的橡胶部分，建立三维模型。将三维模型导入ANSYS Workbench 中使用Mesh 功能进行网格划分，零部件之间设定为绑定连接[1]。采用自由网格的形式对改向滚筒进行网格划分，包含四面体及六面体网格，得到滚筒的网格模型如图1 所示。

图1 改向滚筒的网格划分模型

改向滚筒的主要结构包括轴、轮辐及滚筒，设定滚筒结构的材质属性，轴采用45 钢，轮辐采用ZG230-450 合金钢，滚筒采用Q235。对滚筒进行有限元静态分析，对模型施加相应的约束及载荷[2]。改向滚筒在使用过程中作旋转运动，两端采用固定约束，重力及张力作用于筒体上，由此对改向滚筒的应力及变形进行静态分析。

2 改向滚筒仿真结果分析及结构优化

对改向滚筒进行有限元分析，经过计算后处理，可以得到改向滚筒的应力及变形如下页图2-1、2-2所示。从图2 可以看出，改向滚筒的整体应力较小，最大应力值为13 MPa，最大应力位于滚筒的轴与轴套的连接位置；滚筒的最大变形发生在筒体内部的轴上，采用剖切图的形式可以看到，整体结构的最大变形量为0.014 mm，位于轴的中间位置处。

图2 改向滚筒的静态分析结果

采用ANSYS Workbench 软件中的Topology Optimization 功能进行改向滚筒的优化设计，通过分析其响应参数，从而提高滚筒的可靠性。滚筒的设计变量即为响应参数，包括辐板的厚度、筒体的厚度及加强环的半径，状态变量是优化设计的约束函数，包括改向滚筒的最大位移，最大等效应力，目标函数即为优化的目标，设定为滚筒的质量，即在状态变量设定的范围内，对设计变量进行优化[3]，从而达到目标函数最小的优化目的。

Topology Optimization 通过静力计算进行优化，改向滚筒为对称结构，存在周期性变化，设定结构周期为6。建立改向滚筒的模型，设定相应的输入参数，进行网格的划分，确定各设计参数及状态变量的范围，选取整体应力大小以不超出现有应力为优化约束条件，以最小质量为目标进行优化设计，经过计算，得到改向滚筒优化前后的设计参数对比见表1 所示。从表1 中数据可知，经过优化设计后，改向滚筒的质量下降22%，同样对优化后的滚筒进行静态分析。

表1 改向滚筒优化前后参数对比

采用同样的方式，对优化后的改向滚筒进行静态分析，可以得到优化后改向滚筒的应力及变形分布如图3 所示。从图3 可看出，经过优化后的改向滚筒的最大应力值为11.5 MPa，最大变形量为0.025 mm，滚筒整体承受的应力较小，改向滚筒的各部件均可满足使用要求，最大变形量有一定增加，但相对较小，为可接受的变形。经过优化后，改向滚筒的静态性能满足使用需求，且质量有较大的减轻，对于提高滚筒的可靠性具有重要的帮助，实现了滚筒的轻量化设计。

图3 优化后改向滚筒的静态分析结果

3 结论

1）经过分析确定滚筒的最大应力为13 MPa，位于轴套的连接位置处，最大变形量为0.014 mm。

2）采用ANSYS Workbench 对改向滚筒进行结构优化设计，并对优化后的改向滚筒进行静态仿真分析，经过优化后，改向滚筒的质量下降22%，最大应力值为11.5 MPa，最大变形量为0.025 mm。

3）经过优化后的改向滚筒，减轻了自身的质量，提高了滚筒的可靠性，且经过分析满足静态使用要求。经过结构优化设计，提高了改向滚筒的可靠性，有利于保障煤矿带式输送机的稳定运行。