李 领

（汾西矿业集团中兴煤业公司，山西 交城 030500）

引言

带式输送机因其具有结构简单、稳定性好、效率高等特点而得到了广泛的应用。带式输送机在煤矿开采运输中发挥着不可替代的作用，同时滚筒又作为输送机中关键部件，承受着绝大部分工作载荷，滚筒失效将对企业产生经济损失，对于带式输送机的可靠性具有重要影响[1]。

滚筒作为焊接结构，其故障失效形式主要包括：表层磨损、滚筒筒体焊缝产生裂纹、结构塑性变形等[2]。由于滚筒所受的载荷工况复杂，驱动滚筒在工作时受到轴向与径向的载荷，同时有物料传递给滚筒的疲劳冲击载荷。因此，对TDJ50型带式输送机滚筒结构进行优化分析，不仅有助于了解滚筒的整体性能，还为其结构优化提供有力参考。

1 滚筒结构介绍

一般而言根据滚筒的受力方式不同，可以将滚筒分为传动滚筒、改向滚筒，传动滚筒的作用是将驱动力依靠摩擦传递给皮带，从而实现对物料的运输。改向滚筒位于端部，实现对皮带传动方向的控制。根据滚筒的表面形式，又可以分为光面滚筒、套胶滚筒、铸胶滚筒等，此种分类方式主要是为了适应不同的工作环境与工作条件[3]。

TDJ50型带式输送机滚筒的直径为660 mm，如图1所示，其主要结构部件组成包括滚筒轴、筒体、轮毂、辐板等。在有限元模型的处理上将此焊接结构视为一个整体，不同部件之间设置为刚性连接单元。

2 拓扑优化基本理论

图1 传动滚筒结构

拓扑优化是以结构轻量化为优化目标，可以对分析对象施加载荷与边界条件，根据拓扑理论分析计算出承力较小的区域，并将此类区域的材料挖空去除，从而得到拓扑优化的结果。优化分析的三个基本要素包括：设计变量、目标函数、约束条件。一般根据用户设定；约束条件是变量函数的一个不等式关系式，以确定分析模型中函数变量的最佳取值[4]。

常规的有限元分析软件均集成了拓扑优化分析算法，选择了ANSYS Workbench，因为其具有较强的网格划分能力以及非线性收敛能力。可导入CAD软件创建的三维模型，并具有独特的网格智能生成技术，可以在保证计算精度的前提下，尽量减小模型处理时间。

ANSYS Workbench中的Design Exploration分析模块就集成了拓扑优化分析算法，该模块操作简单，易于上手。同时根据用户的需要，设置不同的优化目标与优化变量，提升了模型优化能力。Design Exploration分析模块具有如下两种特点：

1）非线性耦合能力好，对模态、流体等都可进行优化。

2）获取CAD模型的几何尺寸链，可对模型的尺寸进行分析，实现对模型的参数化优化[5]。

通过对该拓扑优化基本理论的分析，可为后文开展滚筒的拓扑优化研究奠定理论基础。

3 滚筒有限元分析模型建立

3.1 滚筒模型建立

3.1.1 三维模型

为保证分析结果的可靠性，依据TDJ50型带式输送机的工程图纸，创建滚筒的三维模型，三维软件创建的滚筒模型为装配体，为真实反应滚筒的受力情况，将滚筒和滚筒轴区分开来。

3.1.2 输送机参数

TDJ50型带式输送机运送能力Q=1 800 t/h；输送机上煤料的堆积密度ρ=970 kg/m3；主机长L=115 m，垂直提升高度H=8.5 m；输送机带宽B=1 400 mm，皮带运转速率v=6 m/s；输送带上单位长度煤炭质量QB=17 kg/m。

3.1.3 材料属性

根据滚筒大部分结构均采用Q235钢，已知该材料的屈服极限为235 MPa，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.26。

3.1.4 网格划分

如图2所示，为滚筒的有限元网格划分模型，为了简化计算量，根据滚筒的实际结构可知，滚筒结构具有较好的对称性，网格单元大小设置为10 mm，采用六面体网格划法滚筒筒体生成195 572个单元，滚筒轴生成157 130个单元[6]。

图2 滚筒网格划分模型

3.2 载荷工况与边界条件

3.2.1 载荷

在滚筒结构强度分析中，其边界条件与受载情况对其分析结果有重要的影响，为了模拟滚筒实际受力情况，根据滚筒的使用经验与受力分析，选取两种分析工况。

工况一：不考虑滚筒装配应力的作用，仅有工作载荷作用于滚筒表面，表面载荷的施加为模拟皮带对滚筒的作用力，将滚筒与皮带接触区角度划分为每15°一个等份，每个第份取均值。

工况二：考虑装配预紧力，切向力、周向力等，改载荷状态更能反映出滚筒的实际受载情况，由于篇幅所限，在此不再对载荷的计算做展开分析。

3.2.2 边界条件

滚筒的有限元分析模型为1/4对称模型，首先在其对称边界面施加对称约束，即设置轴向的自由度为0，滚筒轴中心设置Y、Z方向方向自由度为0。

4 两种工况滚筒筒壳与副板应力对比分析

根据工况一与工况二的载荷对滚筒进行了分析，分别提取了滚筒筒壳与辐板的应力分布情况，下面对两种工况下应力情况进行分析。

4.1 工况一

如图3-1所示，为筒壳在工况一状态下等效应力，根据计算结果可知此时最大等效应力为23.07 MPa，最大应力位于筒壳与辐板连接接触区域。3-2为辐板的应力分布情况，由分析结果可以得到滚筒轴向应力与剪切应力相对于周向应力更小很多。轴向应力的分布与皮带接触角度密切相关，最大应力点位于与皮带接触的顶点。

图3 工况1等效应力云图分布

4.2 工况二

如图4所示为滚筒结构在工况二时等效应力分布情况，此时筒壳最大等效应力为114.05 MPa，辐板最大等效应力为152.125 MPa，其余大部分区域应力在82.5～100 MPa之间。由应力分布情况可知筒壳中部应力较小，均小于50 MPa，在两端与辐板相连接的区域应力最大；辐板的最大应力主要分布在辐板与轴相连的区域，即辐板周向应力分布特点为内侧应力大于外侧。

5 滚筒结构拓扑优化

根据ANSYS Workbench的计算结果，结合Design Exploration拓扑优化分析模块，在前文强度分析的基础上，采用多载荷步方式，设定结构的强度为拓扑优化函数，指定滚筒的体积为约束条件，设定优化的目标值为40%，设置好后在分析模块中设置迭代次数、收敛公差等参数。根据ANSYS的分析结果，对滚筒结构优化可总结为如下三条优化改进意见：

1）辐板为滚筒的重要承力部件，在滚筒的结构设计中应增加辐板的强度。

图4 工况2等效应力（MPa）云图分布

2）辐板与筒壳之间连接的区域容易产生应力集中，可以采用局部铸造的结构，将此处位置的焊缝转移至应力较小的区域。

3）滚筒的蒙板、轮毂等区域内部所承受的载荷较小，可以根据需要对其结构进行适当优化减重。

6 结论

1）滚筒的应力分析结果显示最大等效应力为152.125 MPa，出现在辐板与筒壳的焊缝处，故在此处极易率先发生疲劳裂纹失效现象。

2）依据有限元分析结果，设定滚筒体积优化的目标值为40%，分析得到滚筒结构优化三条优化改进意见。