基于ANSYS的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)

衛(wèi)志軍

（西山圪堆煤業(yè)有限公司， 山西 古縣 040200）

引言

作為將煤礦井下開采的煤炭運(yùn)輸?shù)降孛嫔系倪B續(xù)性輸送設(shè)備，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)憑借著其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸送效率高、成本低廉的特點(diǎn)，成為煤炭生產(chǎn)企業(yè)所不可缺少的核心機(jī)械[1]。帶式輸送機(jī)主要包括機(jī)架、輸送帶、驅(qū)動(dòng)滾筒和張緊裝置，工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)利用驅(qū)動(dòng)滾筒和輸送帶之間的摩擦力帶動(dòng)輸送帶的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭連續(xù)不斷的運(yùn)輸，同時(shí)驅(qū)動(dòng)滾筒還主要受到輸送帶在啟動(dòng)時(shí)的振動(dòng)和沖擊，因此驅(qū)動(dòng)滾筒工作的可靠性和穩(wěn)定性直接決定了輸送機(jī)系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠的工作，為確保輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒在使用時(shí)的可靠性，多數(shù)設(shè)計(jì)企業(yè)利用加大滾筒的安全系數(shù)、加大滾筒的尺寸來降低驅(qū)動(dòng)滾筒在使用時(shí)發(fā)生變形、斷裂等危害，但該方法除了靠加大滾筒的質(zhì)量降低輸送帶的傳動(dòng)效率外，對(duì)輸送機(jī)工作可靠性的提高有限，總體說來是得不償失，因此迫切需要開發(fā)一種新的、能夠?qū)斔蜋C(jī)滾筒進(jìn)行設(shè)計(jì)校核的方法，在實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)工作可靠性的前提下降低驅(qū)動(dòng)滾筒的整體質(zhì)量，達(dá)到降低成本的目的。

1 帶式輸送機(jī)的工作原理及滾筒受力數(shù)學(xué)模型

帶式輸送機(jī)系統(tǒng)在靜止情況下通過輸送帶上的初始張緊力F0在輸送帶和驅(qū)動(dòng)滾筒之間產(chǎn)生一定的正壓力，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩的作用下，利用和輸送帶之間的正壓力產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動(dòng)輸送帶運(yùn)行，此時(shí)在驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶分離的一側(cè)輸送帶內(nèi)的張緊力由F0降低為F2，輸送帶切入驅(qū)動(dòng)滾筒一側(cè)輸送帶內(nèi)的張緊力則由F0增大為F1，在運(yùn)行過程中兩側(cè)輸送帶作用下產(chǎn)生的力矩和作用在滾筒上的力矩大小一致，由于輸送帶為黏彈性結(jié)構(gòu)，因此輸送帶的長(zhǎng)度隨輸送帶內(nèi)張力的變化而變化，使輸送帶和驅(qū)動(dòng)滾筒的圍包角α、靜止弧度γ以及工作弧度β均會(huì)受到輸送帶內(nèi)張緊力的變化而變化，作用在驅(qū)動(dòng)滾筒上的力的受力分析如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒受力分析

由圖1可知，帶式輸送機(jī)中的張緊力在驅(qū)動(dòng)滾筒的表面是不斷變化的，因此由歐拉公式可知，在輸送帶的有效工作弧度范圍內(nèi)，輸送帶上任意的張緊力可表示為[2]：

在圍包角內(nèi)任意一段微弧dθ中，作用在驅(qū)動(dòng)滾筒上的正壓力可表示為：

此時(shí)輸送帶微弧下的驅(qū)動(dòng)滾筒的面積可表示為：

式中：B為輸送機(jī)系統(tǒng)輸送帶的寬度；R為輸送帶作用出的驅(qū)動(dòng)滾筒的最大半徑；此時(shí)作用于工作弧度內(nèi)的壓力可表示為：

在工作時(shí)作用于滾筒表面的摩擦力可表示為：

2 帶式輸送機(jī)滾筒的仿真分析

ANSYS軟件是一款廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析的有限元仿真軟件，利用CREO三維建模軟件建立輸送機(jī)滾筒的三維模型并將其導(dǎo)入到ANSYS仿真分析軟件[3]中，采用映射網(wǎng)格劃分及自由網(wǎng)格劃分的方法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并通過計(jì)算對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒施加一定的工作載荷，其如圖2所示。

對(duì)其進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖3、4所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)滾筒三維仿真模型

圖3 驅(qū)動(dòng)滾筒受力（MPa）分布云圖

圖4 驅(qū)動(dòng)滾筒受力（MPa）變形云圖

由仿真分析結(jié)果可知，在工作載荷和沖擊的作用下，驅(qū)動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力約為37.15 MPa，其主要發(fā)生在驅(qū)動(dòng)滾筒兩側(cè)與滾筒邊板的焊接縫隙位置，在輸送帶運(yùn)動(dòng)時(shí)的外力作用下，對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)的擠壓作用，使其產(chǎn)生了向內(nèi)的變形凹陷，其最大的變形量出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)滾筒中間位置的無輸送帶作用的一側(cè)，最大變形量約為0.3 mm，其變形量由輸送帶的切入側(cè)向外逐漸擴(kuò)散，在輸送帶脫離的位置達(dá)到最大。

3 帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是利用最優(yōu)設(shè)計(jì)的思想，對(duì)所有影響因素進(jìn)行總的綜合評(píng)估分析，在所有影響因素中尋找一個(gè)最優(yōu)的平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)最接近約束條件的設(shè)計(jì)。利用APDL[4]工具對(duì)該帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將驅(qū)動(dòng)滾筒的直徑D、壁厚s及輻板的厚度h作為優(yōu)化時(shí)的變量，將驅(qū)動(dòng)滾筒的總質(zhì)量作為優(yōu)化的目標(biāo)值，由于驅(qū)動(dòng)滾筒材料密度已知，因此可將滾筒總重的求解轉(zhuǎn)換為對(duì)滾筒體積V的求解，其目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：B為驅(qū)動(dòng)滾筒的寬度。

根據(jù)求解優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，將其帶入到APDL工具中，對(duì)其進(jìn)行10次的迭代求解，對(duì)10次求解結(jié)果中目標(biāo)函數(shù)的總質(zhì)量進(jìn)行分析，得出其分布曲線，如圖5所示，最大應(yīng)力的變化曲線如圖6所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)滾筒總質(zhì)量的變化曲線

圖6 驅(qū)動(dòng)滾筒最大應(yīng)力的變化曲線

由迭代求解結(jié)果可知，隨著迭代優(yōu)化的增加，其滾筒質(zhì)量總體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，并在第十次求解時(shí)達(dá)到最小，使驅(qū)動(dòng)滾筒的總質(zhì)量由最初的約7.27 t下降到了優(yōu)化后的5.37 t，總質(zhì)量降低了約26.14%，其最大的應(yīng)力隨著迭代的加深，應(yīng)力逐漸降低，使其滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

4 結(jié)論

驅(qū)動(dòng)滾筒主要用于將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出動(dòng)力傳遞給輸送帶，從而帶動(dòng)整個(gè)輸送機(jī)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，是帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，驅(qū)動(dòng)滾筒的使用壽命和工作時(shí)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到帶式輸送機(jī)系統(tǒng)能否正常工作。通過建立驅(qū)動(dòng)滾筒受力的數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS仿真分析軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒受力時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變情況進(jìn)行分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)表明：在各處應(yīng)力滿足使用要求的情況下，能夠使驅(qū)動(dòng)滾筒的總質(zhì)量由最初的約7.27 t下降到了優(yōu)化后的5.37 t，總質(zhì)量降低了約26.14%，極大提高了驅(qū)動(dòng)滾筒的使用壽命，提高了輸送機(jī)在工作時(shí)的穩(wěn)定性。