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 劉  軍  陳  靜

 （河南工程學院機械工程學院，河南省鄭州市，451191）

摘  要  常規(guī)帶式輸送機的設(shè)計采用平面受力分析的方法，難以得到滾筒裝置的準確受力狀況，因此往往選取較大的安全系數(shù)而增大了設(shè)備的重量和成本。采用有限元分析的方法對滾筒裝置進行強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠得到較合理的安全系數(shù)，為改進滾筒裝置設(shè)計、減輕滾筒裝置重量以及提高其綜合性能提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞  帶式輸送機  滾筒裝置  優(yōu)化設(shè)計  有限元分析中圖分類號  TD402 

 滾筒裝置是帶式輸送機的重要組成部分，其安全性影響到輸送機是否安全正常地工作運行。常規(guī)的滾筒裝置設(shè)計采用平面受力的分析方法，難以得到準確的受力狀況，因此往往選取較大的安全系數(shù)確保其正常工作，這不僅增加了設(shè)備的重量，而且增大了設(shè)備的成本。有限元分析的方法為帶式輸送機提供了一種更合理的計算方法，通過對滾筒裝置各個部分的受力分析校核，檢驗帶式輸送機滾筒裝置的安全性能，并對滾筒裝置進行優(yōu)化，達到較合理的安全系數(shù)，減輕滾筒裝置的重量。

1  滾筒裝置的結(jié)構(gòu)及建模

 本文選取DTII型帶式輸送機進行分析，DTII型帶式輸送機的滾筒裝置是由左右兩個滾筒、滾動軸承、軸承座和鋼架結(jié)構(gòu)組成。兩個滾筒直徑均為830 mm，軸承座采用螺栓與機架相連接，整個滾筒裝置通過地腳螺栓與地板固定，鋼架結(jié)構(gòu)是由鋼板焊接而成。DTII型帶式輸送機滾筒裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

鋼架結(jié)構(gòu)中由于鋼板的長度和寬度是厚度的20倍以上，符合殼體的要求，因此鋼架結(jié)構(gòu)采用了曲面建模；滾筒的長度為1400 mm，直徑為830 mm，壁厚為20 mm，也符合殼體的要求，因此滾筒壁也選用曲面建模。滾筒軸、軸承和軸承座等零部件的特征符合實體分析的要求，故采用實體建模。由于有限元分析時需要將模型簡化，故去除不影響主體應(yīng)力的細小結(jié)構(gòu)和不承載的結(jié)構(gòu)，同時考慮到滾筒裝置對垂直滾筒軸的中面是前后對稱的，利用其對稱性可以減小數(shù)據(jù)的計算規(guī)模并獲得更為準確的結(jié)果，因此對分析模型進行了對稱簡化，簡化后的分析模型如圖2所示。

2滾筒裝置受力及載荷施加

 滾筒裝置受力示意圖如圖3所示。

(1)右滾筒受力分析。右滾筒受膠帶拉力Fl為69393 N，與水平面夾角為2.250；拉力F4為44516 N，與水平面夾角為29. 890。根據(jù)余弦定理可以求出膠帶的合力F5為110770.1 N，與水平面夾角為130。建立參考基準面通過滾筒軸心并指定合力F5的方向，參考基準面垂直于力的方向。由于滾筒包角為207.60，使用軟件中分割線命令將滾筒面分割開，將合力F5加載在該包角范圍的滾筒面上。

(2)左滾筒受力分析。左滾筒受膠帶拉力F2為19639 N，與水平面夾角為2.250；拉力F3為44516 N，與水平面夾角為29. 890。同樣可求得F2與F3的合力F6為62580.5 N，與水平面夾角為21. 520。參考基準面及加載方法同右滾筒。

(3)除拉力外，滾筒裝置所受載荷還有其自重。使用載荷里的引力功能，重力加速度取9.8m／s2以施加重力。加載完成后模型如圖4所示。

3  有限元分析

滾筒及裝置架的鋼結(jié)構(gòu)材料選用Q235A，軸承座材料為鑄造碳鋼。采用FFEPLUS解算器進行解算得出分析結(jié)果，分析的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖5和圖6所示。

4滾簡裝置鋼架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于滾筒為標準件，本次優(yōu)化主要針對鋼架結(jié)構(gòu)進行。根據(jù)以上分析，滾筒鋼架結(jié)構(gòu)的強度和剛度不僅滿足要求，而且安全系數(shù)很大，在一定程度上導致了成本的增加，所以對其進行優(yōu)化驗證。

4.1  優(yōu)化步驟一

優(yōu)化主要通過減小滾筒鋼架結(jié)構(gòu)的鋼板厚度來實現(xiàn)。鋼架結(jié)構(gòu)中鋼板的原始厚度分別為上下橫板A-12 mm，中間豎支撐板B=8 mm，兩側(cè)加強肋板C=12 mm。鋼架結(jié)構(gòu)鋼板厚度示意圖如圖7所示。

優(yōu)化時將板厚減少為：A=C=0 mm,B=7 mm，其他條件不變進行分析，此時分析的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖8和圖9所示。由分析結(jié)果得出鋼架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力σmax=66. 302 M Pa，應(yīng)力有所增大，安全系數(shù)n=σs/σmax=235 M Pa/66. 302 M Pa =3. 54,設(shè)計余量仍然較大，最大位移數(shù)值為0. 88 mm，出現(xiàn)在滾筒軸中部，滿足設(shè)計要求。

4.2優(yōu)化步驟二

考慮到上一步優(yōu)化后的安全系數(shù)仍然較大，這次取A=C=8 mm，B=6 mm，其他參數(shù)不變，此時分析的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖10和圖11所示。由分析結(jié)果得出鋼架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力σmax=98. 301 M Pa，應(yīng)力有所增大，安全系數(shù)n=σs/σmax=235 M Pa/98. 301 M Pa =2. 39。同時最大位移數(shù)值為0. 89 mm，變化很小，出現(xiàn)在滾筒軸中部，滿足設(shè)計要求。

4.3優(yōu)化步驟三

通過前面的兩次優(yōu)化可以看出，右側(cè)軸承座附近的鋼架結(jié)構(gòu)是應(yīng)力較大的區(qū)域，可以考慮在此處進行加強，同時可以看出地腳螺栓附近的鋼板應(yīng)力較小。因此嘗試在右側(cè)軸承座附近的鋼架結(jié)構(gòu)處添加新的加強肋板，增加此處強度，同時減少地腳螺栓處加強肋板的數(shù)量，并且進一步減少鋼架結(jié)構(gòu)的板厚，取A=C=6 mm，B=5 mm，其他參數(shù)不變。鋼架結(jié)構(gòu)調(diào)整前后示意圖如圖12和圖13所示，優(yōu)化后應(yīng)力云圖和位移云圖如圖14和圖15所示。

由圖14和圖15可以看出，最大應(yīng)力仍在右軸承座附近，σmax=85. 341 M Pa，安全系數(shù)n=σs／σmax=235MPa/85. 341MPa=2.75，同時最大位移值為0. 88 mm，能夠滿足設(shè)計要求。盡管板厚減少，但是最大應(yīng)力值卻略有下降，地腳螺栓處的應(yīng)力也沒有明顯上升，與原始設(shè)計方案相比較，應(yīng)力分布也更加均勻：滿足了設(shè)計中載荷均布的原則，說明對滾筒鋼架結(jié)構(gòu)的調(diào)整起到了較好的作用。

5結(jié)語

通過三次優(yōu)化后，在滿足強度和剛度的前提下，滾筒裝置鋼板厚度由最初的A=C=12 mm，B=8mm，減少到A=C=6 mm，B=5 mm，優(yōu)化后的滾筒裝置重量從1012kg減少到706kg，重量減少了30%。通過優(yōu)化分析，滾筒裝置鋼架結(jié)構(gòu)更加合理，應(yīng)力分布更加均勻，滿足了使用要求，為帶式輸送機滾筒裝置的設(shè)計優(yōu)化提供了參考。