帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)向滾筒的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

郭志萍

（同煤集團(tuán)同家梁礦， 山西 大同 037025）

引言

帶式輸送機(jī)是對散裝物料進(jìn)行輸送的重要設(shè)備，在我國煤礦的開采輸送中被廣泛應(yīng)用。作為煤炭輸送的主要設(shè)備，帶式輸送機(jī)能夠方便地對煤炭進(jìn)行長距離大運(yùn)輸量的輸送，并且布置靈活，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，提高了煤炭的輸送效率。隨著帶式輸送機(jī)的發(fā)展，大型化的設(shè)備應(yīng)用逐漸增多，在帶式輸送機(jī)中，滾筒是進(jìn)行傳動的重要零部件，其重量及結(jié)構(gòu)對帶式輸送機(jī)整體的性能及可靠性具有重要的影響。轉(zhuǎn)向滾筒依據(jù)現(xiàn)場的工況條件進(jìn)行布置，用于改變輸送帶的傳動方向，從而實現(xiàn)煤炭的定點輸送[1]。對于轉(zhuǎn)向滾筒的設(shè)計，也向著柔性化優(yōu)化設(shè)計的方向發(fā)展。針對某型號的帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)向滾筒采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法進(jìn)行設(shè)計，以減輕轉(zhuǎn)向滾筒的重量，節(jié)約資源，提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)行效率。

1 轉(zhuǎn)向滾筒多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)置

采用ANSYS Workbench 有限元分析軟件對轉(zhuǎn)向滾筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，需首先建立轉(zhuǎn)向滾筒的結(jié)構(gòu)模型，采用SolidWorks 2018 進(jìn)行模型的建立，將建立的滾筒模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，將兩者進(jìn)行銜接，完成模型的建立。

針對轉(zhuǎn)向滾筒的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過改變轉(zhuǎn)向滾筒的尺寸，將滾筒的質(zhì)量降低，并提高其低階的固有頻率，保證轉(zhuǎn)向滾筒的變形量及最大應(yīng)力滿足系統(tǒng)的要求[2]。依據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)及性能，設(shè)定對滾筒進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)及其范圍界定見表1。

從表1 中可知，在進(jìn)行轉(zhuǎn)向滾筒的優(yōu)化設(shè)計中，設(shè)計變量為筒榖內(nèi)徑、筒榖厚度、筒體厚度，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為固有頻率及滾筒質(zhì)量，系統(tǒng)的約束條件為滾筒的最大變形量及最大應(yīng)力。對于優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)增加滾筒的地接固有頻率，減小滾筒的質(zhì)量，避免滾筒產(chǎn)生共振，提高帶式輸送機(jī)的性能[3]。依據(jù)表1中的內(nèi)容，在ANSYS Workbench 中進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，如圖1 所示。

表1 轉(zhuǎn)向滾筒優(yōu)化參數(shù)及范圍值

圖1 轉(zhuǎn)向滾筒優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

2 轉(zhuǎn)向滾筒多目標(biāo)優(yōu)化分析

優(yōu)化模塊是ANSYS Workbench 中進(jìn)行快速優(yōu)化的基礎(chǔ)，能夠確定產(chǎn)品的影響參數(shù)，并提高產(chǎn)品的可靠性，解決系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化問題。對轉(zhuǎn)向滾筒采用目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化進(jìn)行分析，選取直接優(yōu)化的方法，轉(zhuǎn)向滾筒的多目標(biāo)優(yōu)化分析模型如下[4]：

式中：x1，x2，x3分別為變量筒榖內(nèi)徑、筒榖厚度、筒體厚度；Mass 為滾筒的質(zhì)量；Frequency 為滾筒的固有頻率；Press 為滾筒的最大應(yīng)力；Deformation 為滾筒的最大變形量。

采用多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法對轉(zhuǎn)向滾筒進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，這種優(yōu)化方法依據(jù)群體的變化不斷迭代，直到產(chǎn)生種群的最優(yōu)解[5]。對轉(zhuǎn)向滾筒的群體進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定遺傳算法的樣本數(shù)量為100，進(jìn)行收斂的數(shù)目為50，最大迭代次數(shù)為20，對轉(zhuǎn)向滾筒進(jìn)行優(yōu)化分析，系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)即滾筒的質(zhì)量及頻率的迭代過程分別如圖2、圖3 所示。

圖2 滾筒質(zhì)量的迭代過程圖

圖3 滾筒固有頻率的迭代過程圖

從圖2 中可以看出，在進(jìn)行滾筒的優(yōu)化迭代過程中，滾筒的最小質(zhì)量為1 100 kg，最大質(zhì)量為1 430 kg，在進(jìn)行遺傳迭代的過程中，轉(zhuǎn)向滾筒的質(zhì)量不斷變化，在大約迭代到150 次時，質(zhì)量變動范圍逐漸穩(wěn)定。從圖3 中可以看出，轉(zhuǎn)向滾筒進(jìn)行迭代優(yōu)化的最大頻率為325 Hz，最小頻率為215 Hz，隨著迭代過程的進(jìn)行，頻率值逐漸穩(wěn)定在250～325 Hz。進(jìn)行轉(zhuǎn)向滾筒的多目標(biāo)優(yōu)化，以轉(zhuǎn)向滾筒的質(zhì)量為主要的目標(biāo)函數(shù)，低階固有頻率為輔助的目標(biāo)函數(shù)，在系統(tǒng)迭代產(chǎn)生的最優(yōu)解中，兩個目標(biāo)函數(shù)之間存在著相互關(guān)聯(lián)，相互矛盾的情況，這時，采用主要的目標(biāo)函數(shù)滾筒質(zhì)量最小值，低階固有頻率滿足系統(tǒng)要求即可[6]。根據(jù)系統(tǒng)生成的優(yōu)化結(jié)果，在其中挑選出最符合轉(zhuǎn)向滾筒優(yōu)化的解，優(yōu)化結(jié)果的參數(shù)對比見表2。

通過對表2 中的數(shù)據(jù)分析可知，對轉(zhuǎn)向滾筒進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到優(yōu)化后的結(jié)果，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向滾筒一階固有頻率增加了38.63 Hz，同時，轉(zhuǎn)向滾筒的質(zhì)量降低了110 kg，滾筒的最大變形量稍有增加，符合系統(tǒng)要求。通過對轉(zhuǎn)向滾筒的優(yōu)化設(shè)計，在保證轉(zhuǎn)向滾筒滿足約束條件的同時，改善了滾筒的結(jié)構(gòu)，提高了滾筒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時有效地降低了轉(zhuǎn)向滾筒的質(zhì)量，并提高了一階固有頻率，避免了滾筒的共振及其他破壞形式，整體上有效地提高了轉(zhuǎn)向滾筒的性能，節(jié)約了滾筒的材料，有利于帶式輸送機(jī)的性能提升。

表2 優(yōu)化參數(shù)比較

3 結(jié)論

采用ANSYS Workbench 有限元分析軟件對轉(zhuǎn)向滾筒進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，以轉(zhuǎn)向滾筒質(zhì)量和固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，以轉(zhuǎn)向滾筒的最大位移和最大應(yīng)力作為約束條件，采用多目標(biāo)優(yōu)化分析，得到轉(zhuǎn)向滾筒的最優(yōu)解。通過對比可知，轉(zhuǎn)向滾筒一階固有頻率增加了38.63 Hz，同時，轉(zhuǎn)向滾筒的質(zhì)量降低了110 kg，優(yōu)化后的結(jié)果有效地降低了轉(zhuǎn)向滾筒的質(zhì)量，并提高了一階固有頻率，避免了滾筒的共振及其他破壞形式的發(fā)生，提高了轉(zhuǎn)向滾筒的性能。對轉(zhuǎn)向滾筒的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計同樣可以適用于帶式輸送機(jī)的其他零部件的優(yōu)化設(shè)計中，從而可以更好地提高帶式輸送機(jī)的性能，提高煤炭的輸送效率。