申晨峰

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司， 山西 长治 046600）

引言

改向滚筒作为带式输送机重要部件之一，其质量不仅会直接影响到带式输送机的生产效率，还威胁到生产人员的人身安全，最终影响到企业的经济效益。为提高改向滚筒质量及延长使用寿命，将会引入拓扑优化设计方法，通过多次结构分析、设计优化过程来改进设计方案，直至改向滚筒结构设计达到经济性和安全性要求。总体来说，本研究可为后续带式输送机改向滚筒结构设计提供一定指导参考，所以具有相应的现实价值。

1 带式输送机改向滚筒的结构

改向滚筒作为带式输送机的重要组成结构，其实际结构如图1 所示。带式输送机改向滚筒均设置在输送机端部，主要用于改变输送带的运动方向，但不会为传送带施加动力。

图1 改向滚筒结构示意图

2 带式输送机改向滚筒仿真模型构建

2.1 几何模型构建

改向滚筒作为一种结构复杂的组合体，其在构建几何模型时需要对改向滚筒结构进行一定简化，具体来说简化过程如下[1-2]：

1）去除次要构件：去除改向滚筒中轴承座、轴端联轴器、螺钉孔、螺钉等对改向滚筒有限元分析造成影响相对较小的次要构件。

2）省略特征构件：省略倒角、圆角、键槽等改向滚筒小特征构件。

3）优化滚筒结构：将改向滚筒轴视作为直径轴。

4）忽略包胶作用：适当忽略改向滚筒表面包胶与滚筒之间相互作用，只将其质量等效到滚筒筒壳上。

5）忽略滚筒焊缝：滚筒表面虽然存在焊缝，但由于焊缝整体较为均匀，实际强度较高，所以可适当忽略焊缝，将改向滚筒视作为一个整体。

6）简化坐标约束：改向滚筒安装在轴承座上，轴承座与改向滚筒之间存在球坐标约束，为简化计算过程，可根据此特点任意取1/2 滚筒构建有限元模型进行有限元计算分析[3]。

改向滚筒的几何模型构建可以采用自底向上建模和自顶向下建模两种建模方法，在综合改向滚筒特点以及本研究实际后，最终选择自底向上建模方法，通过ANSYS 软件进行改向滚筒集合模型构建，具体过程为建立关键点→连点成线→连线成面，最终所构建的改向滚筒1/4 几何模型截面图如图2 所示。

图2 改向滚筒1/4 几何模型截面图

2.2 模型网格划分

ANSYS 软件中常用的模型网格划分方法分别为映射网格划分和自由网格划分，其中映射网格划分对几何模型的实体边界有着较高的要求，最终所划分出的网格单元也多为规则单元，更有利于保障网格划分精度；相对来说，自由网格划分对于集合模型实体边界的要求较小，所划分出的网格单元也大多不规则。

针对改向滚筒几何模型网格划分则采用shell63壳单元，实际划分中会采用旋转的方式将面网格转变为体网格。对于带有曲面的辐板，其网格划分将会采用自由网格划分，剩余规则平面则采用映射网格划分。在实际网格划分过程中，为保障单元进度，还需要根据整体面网格尺寸对其余面网格大小进行有效控制，然后沿中心轴进行面网格选择，形成体网格，最后再将shell63 壳单元全部删除。

2.3 载荷简化及模拟

改向滚筒在运行过程中所涉及的载荷主要包括滚筒自重、胀套预应力、轴端输入扭矩、输送带正压力、输送带切向摩擦力等。由于在构建改向滚筒几何模型时对滚筒结构进行适当简化，所以为保障有限元分析精准性，还需要对滚筒材料密度和重力加速度进行适当补偿，研究中所采用的补偿方式为增加重力加速度方式[4]。具体载荷简化及模拟过程中会采用ANSYS 软件所自带的APDL 语言进行载荷函数编写，所编写的方式最终会加载到有限元模型上，其中法向正压力和切向摩擦力均是通过软件中SURF154 单元实现，最终所构建出载荷有限元模型如图3、图4 所示。

图3 带式输送机输送带对改向滚筒的正压力（MPa）有限元模型

图4 带式输送机输送带对改向滚筒的切向摩擦力（kN）有限元模型

胀套预应力主要通过力矩扳手施加，其在改向滚筒实际运行过程中会将胀套预紧螺栓上的拉应力转化为沿胀套端面的法向力。在实际模型分析过程中，需要在此法向力设置时对胀套的受力平衡进行考虑，并限制胀套内外两侧环端面法向位移[5]。基于此所构建出改向滚筒胀套预应力有限元模型如图5 所示。

图5 改向滚筒胀套预应力（MPa）有限元模型

2.4 约束模拟

在研究中将在改向滚筒对称面上加设对称约束，并将轴向自由度设定为0，设置轴承的中心节点沿y轴和z 轴方向移动，最终所得出的改向滚筒有限元模型如图6 所示。

图6 施加约束后改向滚筒有限元模型

3 带式输送机改向滚筒有限元分析

3.1 无预应力时有限元分析

如图7 所示，在不考虑装配预应力的情况下，改向滚筒筒壳的最大等效应力为23.075 MPa，最大应力点位于筒壳外侧辐板位置。基于此，需要对辐板进行有限元分析，具体分析结果如图8 所示。

图7 改向滚筒筒壳等效应力（MPa）云图

图8 改向滚筒辐板等效应力（MPa）云图

如图8 所示，改向滚筒辐板最大等效应力为23.075 MPa，最大应力点位于辐板与筒壳焊接点位置，因而需要重点关注焊接处实际应力值和应力分布情况。

3.2 考虑胀套预应力时有限元分析

在仅考虑胀套预紧力情况下，以Z1 胀套为例最终所构建出的有限元模型如下：

如图9 所示，在仅考虑预紧力情况下，预紧后胀套连接改向滚筒辐板时所产生的预应力最大值为152.125 MPa，最大应力点位于连接点与胀套结合面上，并沿辐板半径方向逐渐减小，但在接近套筒位置时应力值增大。如图10 所示，改向滚筒套筒上的最大应力值为114.05 MPa，最大应力点位于改向滚筒套筒与辐板之间的焊缝连接处。

图9 预紧力情况下Z1 胀套连接改向滚筒辐板应力（MPa）云图

图10 预紧力情况下Z1 胀套连接改向滚筒套筒应力（MPa）云图

在考虑预紧力和工作载荷共同作用力情况下，以Z1 胀套为例最终所构建出的有限元模型如下：

如图11 所示，在考虑预紧力和工作载荷共同作用情况下，预紧后胀套连接改向滚筒辐板时所产生的预应力最大值为161.741 MPa，最大应力点位于胀套与滚筒辐板连接内表面上。如图12 所示，改向滚筒套筒上的最大应力值为114.433 MPa，最大应力点位于改向滚筒套筒与辐板之间的焊缝连接处。

图11 预紧力和工作载荷共同作用下Z1 胀套连接改向滚筒辐板应力（MPa）云图

图12 预紧力和工作载荷共同作用下Z1 胀套连接改向滚筒套筒应力（MPa）云图

4 带式输送机改向滚筒优化及实践应用

如对Z1 胀套连接改向滚筒应力研究分析类似，再次对Z2 胀套和Z3 胀套进行有限元分析研究，最终发现三种胀套在应用中，Z2 胀套连接滚筒时应力值较小，并且应力分布较为均匀，所以在应用中应优先选择Z2 胀套。将改进后的带式输送机改向滚筒应用到工程实践，最终发现改进后的改向滚筒不仅应力分布较为均匀，而且改向滚筒上的最大应力值未超过材料的实际标准应力值要求最大值，说明改进后的方案具有一定的应用价值，可在后续改向滚筒结构优化设计中进行参考应用。

5 结论

1）通过有限元模型分析发现，带式输送机改向滚筒所承受的最大应力值处于胀套与滚筒辐板连接内表面、套筒与辐板之间的焊缝连接处等位置；

2）在研究中分别选择三种常用胀套进行有限元分析对比，最终发现Z2 胀套最符合实际，并且应力分布较为均匀，所以应优先选择Z2 胀套。