關(guān)于TDJ 50型帶式輸送機滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

李 領(lǐng)

（汾西礦業(yè)集團中興煤業(yè)公司，山西 交城 030500）

引言

帶式輸送機因其具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、效率高等特點而得到了廣泛的應(yīng)用。帶式輸送機在煤礦開采運輸中發(fā)揮著不可替代的作用，同時滾筒又作為輸送機中關(guān)鍵部件，承受著絕大部分工作載荷，滾筒失效將對企業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟損失，對于帶式輸送機的可靠性具有重要影響[1]。

滾筒作為焊接結(jié)構(gòu)，其故障失效形式主要包括：表層磨損、滾筒筒體焊縫產(chǎn)生裂紋、結(jié)構(gòu)塑性變形等[2]。由于滾筒所受的載荷工況復雜，驅(qū)動滾筒在工作時受到軸向與徑向的載荷，同時有物料傳遞給滾筒的疲勞沖擊載荷。因此，對TDJ50型帶式輸送機滾筒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，不僅有助于了解滾筒的整體性能，還為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有力參考。

1 滾筒結(jié)構(gòu)介紹

一般而言根據(jù)滾筒的受力方式不同，可以將滾筒分為傳動滾筒、改向滾筒，傳動滾筒的作用是將驅(qū)動力依靠摩擦傳遞給皮帶，從而實現(xiàn)對物料的運輸。改向滾筒位于端部，實現(xiàn)對皮帶傳動方向的控制。根據(jù)滾筒的表面形式，又可以分為光面滾筒、套膠滾筒、鑄膠滾筒等，此種分類方式主要是為了適應(yīng)不同的工作環(huán)境與工作條件[3]。

TDJ50型帶式輸送機滾筒的直徑為660 mm，如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)部件組成包括滾筒軸、筒體、輪轂、輻板等。在有限元模型的處理上將此焊接結(jié)構(gòu)視為一個整體，不同部件之間設(shè)置為剛性連接單元。

2 拓撲優(yōu)化基本理論

圖1 傳動滾筒結(jié)構(gòu)

拓撲優(yōu)化是以結(jié)構(gòu)輕量化為優(yōu)化目標，可以對分析對象施加載荷與邊界條件，根據(jù)拓撲理論分析計算出承力較小的區(qū)域，并將此類區(qū)域的材料挖空去除，從而得到拓撲優(yōu)化的結(jié)果。優(yōu)化分析的三個基本要素包括：設(shè)計變量、目標函數(shù)、約束條件。一般根據(jù)用戶設(shè)定；約束條件是變量函數(shù)的一個不等式關(guān)系式，以確定分析模型中函數(shù)變量的最佳取值[4]。

常規(guī)的有限元分析軟件均集成了拓撲優(yōu)化分析算法，選擇了ANSYS Workbench，因為其具有較強的網(wǎng)格劃分能力以及非線性收斂能力?？蓪隒AD軟件創(chuàng)建的三維模型，并具有獨特的網(wǎng)格智能生成技術(shù)，可以在保證計算精度的前提下，盡量減小模型處理時間。

ANSYS Workbench中的Design Exploration分析模塊就集成了拓撲優(yōu)化分析算法，該模塊操作簡單，易于上手。同時根據(jù)用戶的需要，設(shè)置不同的優(yōu)化目標與優(yōu)化變量，提升了模型優(yōu)化能力。Design Exploration分析模塊具有如下兩種特點：

1）非線性耦合能力好，對模態(tài)、流體等都可進行優(yōu)化。

2）獲取CAD模型的幾何尺寸鏈，可對模型的尺寸進行分析，實現(xiàn)對模型的參數(shù)化優(yōu)化[5]。

通過對該拓撲優(yōu)化基本理論的分析，可為后文開展?jié)L筒的拓撲優(yōu)化研究奠定理論基礎(chǔ)。

3 滾筒有限元分析模型建立

3.1 滾筒模型建立

3.1.1 三維模型

為保證分析結(jié)果的可靠性，依據(jù)TDJ50型帶式輸送機的工程圖紙，創(chuàng)建滾筒的三維模型，三維軟件創(chuàng)建的滾筒模型為裝配體，為真實反應(yīng)滾筒的受力情況，將滾筒和滾筒軸區(qū)分開來。

3.1.2 輸送機參數(shù)

TDJ50型帶式輸送機運送能力Q=1 800 t/h；輸送機上煤料的堆積密度ρ=970 kg/m3；主機長L=115 m，垂直提升高度H=8.5 m；輸送機帶寬B=1 400 mm，皮帶運轉(zhuǎn)速率v=6 m/s；輸送帶上單位長度煤炭質(zhì)量QB=17 kg/m。

3.1.3 材料屬性

根據(jù)滾筒大部分結(jié)構(gòu)均采用Q235鋼，已知該材料的屈服極限為235 MPa，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.26。

3.1.4 網(wǎng)格劃分

如圖2所示，為滾筒的有限元網(wǎng)格劃分模型，為了簡化計算量，根據(jù)滾筒的實際結(jié)構(gòu)可知，滾筒結(jié)構(gòu)具有較好的對稱性，網(wǎng)格單元大小設(shè)置為10 mm，采用六面體網(wǎng)格劃法滾筒筒體生成195 572個單元，滾筒軸生成157 130個單元[6]。

圖2 滾筒網(wǎng)格劃分模型

3.2 載荷工況與邊界條件

3.2.1 載荷

在滾筒結(jié)構(gòu)強度分析中，其邊界條件與受載情況對其分析結(jié)果有重要的影響，為了模擬滾筒實際受力情況，根據(jù)滾筒的使用經(jīng)驗與受力分析，選取兩種分析工況。

工況一：不考慮滾筒裝配應(yīng)力的作用，僅有工作載荷作用于滾筒表面，表面載荷的施加為模擬皮帶對滾筒的作用力，將滾筒與皮帶接觸區(qū)角度劃分為每15°一個等份，每個第份取均值。

工況二：考慮裝配預緊力，切向力、周向力等，改載荷狀態(tài)更能反映出滾筒的實際受載情況，由于篇幅所限，在此不再對載荷的計算做展開分析。

3.2.2 邊界條件

滾筒的有限元分析模型為1/4對稱模型，首先在其對稱邊界面施加對稱約束，即設(shè)置軸向的自由度為0，滾筒軸中心設(shè)置Y、Z方向方向自由度為0。

4 兩種工況滾筒筒殼與副板應(yīng)力對比分析

根據(jù)工況一與工況二的載荷對滾筒進行了分析，分別提取了滾筒筒殼與輻板的應(yīng)力分布情況，下面對兩種工況下應(yīng)力情況進行分析。

4.1 工況一

如圖3-1所示，為筒殼在工況一狀態(tài)下等效應(yīng)力，根據(jù)計算結(jié)果可知此時最大等效應(yīng)力為23.07 MPa，最大應(yīng)力位于筒殼與輻板連接接觸區(qū)域。3-2為輻板的應(yīng)力分布情況，由分析結(jié)果可以得到滾筒軸向應(yīng)力與剪切應(yīng)力相對于周向應(yīng)力更小很多。軸向應(yīng)力的分布與皮帶接觸角度密切相關(guān)，最大應(yīng)力點位于與皮帶接觸的頂點。

圖3 工況1等效應(yīng)力云圖分布

4.2 工況二

如圖4所示為滾筒結(jié)構(gòu)在工況二時等效應(yīng)力分布情況，此時筒殼最大等效應(yīng)力為114.05 MPa，輻板最大等效應(yīng)力為152.125 MPa，其余大部分區(qū)域應(yīng)力在82.5～100 MPa之間。由應(yīng)力分布情況可知筒殼中部應(yīng)力較小，均小于50 MPa，在兩端與輻板相連接的區(qū)域應(yīng)力最大；輻板的最大應(yīng)力主要分布在輻板與軸相連的區(qū)域，即輻板周向應(yīng)力分布特點為內(nèi)側(cè)應(yīng)力大于外側(cè)。

5 滾筒結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

根據(jù)ANSYS Workbench的計算結(jié)果，結(jié)合Design Exploration拓撲優(yōu)化分析模塊，在前文強度分析的基礎(chǔ)上，采用多載荷步方式，設(shè)定結(jié)構(gòu)的強度為拓撲優(yōu)化函數(shù)，指定滾筒的體積為約束條件，設(shè)定優(yōu)化的目標值為40%，設(shè)置好后在分析模塊中設(shè)置迭代次數(shù)、收斂公差等參數(shù)。根據(jù)ANSYS的分析結(jié)果，對滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化可總結(jié)為如下三條優(yōu)化改進意見：

1）輻板為滾筒的重要承力部件，在滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)增加輻板的強度。

圖4 工況2等效應(yīng)力（MPa）云圖分布

2）輻板與筒殼之間連接的區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可以采用局部鑄造的結(jié)構(gòu)，將此處位置的焊縫轉(zhuǎn)移至應(yīng)力較小的區(qū)域。

3）滾筒的蒙板、輪轂等區(qū)域內(nèi)部所承受的載荷較小，可以根據(jù)需要對其結(jié)構(gòu)進行適當優(yōu)化減重。

6 結(jié)論

1）滾筒的應(yīng)力分析結(jié)果顯示最大等效應(yīng)力為152.125 MPa，出現(xiàn)在輻板與筒殼的焊縫處，故在此處極易率先發(fā)生疲勞裂紋失效現(xiàn)象。

2）依據(jù)有限元分析結(jié)果，設(shè)定滾筒體積優(yōu)化的目標值為40%，分析得到滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化三條優(yōu)化改進意見。