带式输送机改向滚筒结构优化分析

熊光伟

（太原煤气化集团公司龙泉能源公司， 山西 太原 030000）

0 引言

煤炭资源作为我国重要的能源形式，其在我国的经济发展中起到举足轻重的作用，随着我国经济的快速发展，煤炭资源的需求量日益加大。据统计，我国煤炭资源在一次能源中占比超过七成。随着科技水平的不断进步，煤矿机械化水平日益提升。带式输送机作为重要的物料输送设备，其在我国矿山、化工、冶金行业应用十分广泛，随着矿井开采规模及开采难度的不断加大，普通带式输送机已经无法满足矿井正常生产要求，目前矿井的运输已经朝着大运量、长距离、大倾角方向发展。带式输送机主要由输送带、驱动装置、安全装置、托辊、滚筒等组成，传动原理为驱动装置通过滚筒驱动输送带[1-2]。滚筒按照工作效果可分为改向滚筒和传动滚筒，为了追求效率的高效化，本文基于前人研究，以DTL160/330/3×1 600 带式输送机为研究对象，对改向滚筒进行结构优化，为矿井降本增效做出一定的贡献。

1 改向滚筒静力分析

改向滚筒大多安装于输送机的端部，其主要作用为改变输送皮带运行方向。通过自重提供张紧力，同时增大传动滚筒接触面积，使摩擦力增大，从而实现运输效率的提升。目前对滚筒的优化设计方法有许多，但主要采用许用应力法进行优化设计，即在应力满足要求的条件下进行结构设计。本文利用数值模拟软件对结构静力进行分析，通过模拟云图分析结构受力情况，从而对结构尺寸等进行优化，达到优化设计的目的。

ANSYS 软件是由ANSYS 公司发明的一款软件，目前推出ANSYS19.0，软件可以求解结构、热、流体、电磁、碰撞等问题。利用ANSYS 数值模拟软件进行改向滚筒模型建立，改向滚筒由滚筒轴、胀套、筒体、轴承座等组成。相对应的部件均有对应的结构尺寸图，所以通过UG 8.0 对结构尺寸图进行处理，生成输送机的Φ830 mm×1 600 mm 改向滚筒装配体模型，后通过外接软件将模型导入SpaceClaim 进行模型简化，忽略安装孔、倒角、螺栓等，同时整个过程张力均匀布置，无明显焊接缺陷等。对结构进行力学参数设定，滚轴采用45 号钢，密度为7.85g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.31，屈服极限为355MPa，抗拉强度600MPa；轮辐采用ZG230-450，密度为7.85 g/cm3，弹性模量为200GPa，泊松比0.3，屈服强度和抗拉强度分别为230MPa、450 MPa；滚筒采用Q235，密度为7.85 g/cm3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.33，屈服强度为235 MPa，抗拉强度为375～500 MPa。对模型进行网格划分，网格采用六面体网格和四面体网格，网格划分完成共计网格64 万个，节点106 万个。改向滚筒网格划分如图1 所示。

图1 改向滚筒网格划分

对模型进行边界条件设定，对模型的六个方向进行约束设定，限制X、Y、Z 三个方向的转动及平动。对模型进行载荷设置，对模型进行边界条件的约束以及载荷的施加，施加边界条件为静力分析边界条件。对模型进行边界条件设定，对模型的六个方向进行约束设定，限制X、Y、Z 三个方向的转动及平动。对模型进行载荷设置，对模型进行载荷施加，皮带张力设定为40 kN。对模型进行静力学分析，整体应力云图如图2所示。

图2 改向滚筒整体应力云图

从图2 中可以看出，改向滚筒整体受力较为平均，且整体受力较小，仅在轴与轴套连接处位置存在最大的应力值，最大应力值为13.364 MPa，如图2 中标注max 位置为最大应力值点。

分别对轴及轴套的应力情况进行分析，轴及轴套的应力云图如图3 所示。

图3 轴及轴套的应力云图

如图3 所示，轴的应力分布云图整体呈现对称分布的特点，对称轴为轴的中线，可以看出轴的最大应力集中点为轴与轴承接触位置，在此位置的最大应力值为9.466 3 MPa。观察轴套的应力分部云图可以看出，在轴套与轴连接位置出现应力集中，应力最大值为6.863 7 MPa。

2 结构优化分析

对改向滚筒进行优化，在满足使用需求的同时，实现设计优化。设计主要针对滚筒结构，由于滚筒的结构有着较大冗余现象。同时根据静力模拟分析得出了冗余结构位置。所以可以对其结构进行拓扑优化。首先进行质量优化，质量优化目标为原先质量的75%～85%，利用ANSYS Workbench 下Topology Optimization 模块进行优化计算，整体模型在75%～85%质量区间进行优化，经过优化后此时在轴与支撑环位置减重明显，在轴的中间部位去除部分质量，在轴套、筒体积轮辐位置无明显质量减少。同时结合模拟结果，并基于应力进行结构优化，此前滚筒的受力最大值为13.364MPa，设定优化应力为10 MPa，基于应力优化后，此时的轴中部及支撑环重量被消减，而轴套质量无变化。

经过对以上要素进行优化计算，最后得出在轴中部受力较小，同时在轴心可设计为空余，在轴的中部适当减少质量。而在轮辐位置强度充裕，可以适当增大圆孔，适当减薄支撑；支撑环周期性开槽；筒体开槽处理。对优化后的结构进行模拟分析，同样进行建模及后续参数设定，具体步骤与前文过程类似，所以不做论述，得出优化后静力模拟云图如图4 所示。

图4 改向滚筒整体应力云图

从图4 可以看出，优化后的改向滚筒云图显示，滚筒的整体变形最大值为0.025 mm，应力最大值出现的位置为支撑处，此时的最大应力值为11.56 MPa。可以看出，经过优化后此时的改向滚筒整体能够承受工作时的最大应力，最大应力值为11.56 MPa 远小于选用材料铸钢、Q235、45Cr 钢的许用应力，所以优化后使用能够满足要求，整体对改向滚筒进行的轻量化设计能够满足要求。

3 结论

1）本文利用ANSYS 数值模拟软件对改向滚筒进行模拟分析，给出了滚筒模型建立、网格划分、约束及应力设置等方法，为后续模拟研究奠定基础。

2）对改向滚筒静力加载下受力进行分析，发现改向整体受力较为平均，仅在轴与轴套连接处位置存在最大的应力值，最大应力值为13.364 MPa，为优化设计提供参考。

3）经过优化后此时的改向滚筒整体能够承受工作时的最大应力，最大应力值11.56 MPa 远小于选用材料铸钢、Q235、45Cr 钢的许用应力，改向滚筒优化设计较为成功。