郭志萍

（同煤集团同家梁矿， 山西 大同 037025）

引言

带式输送机是对散装物料进行输送的重要设备，在我国煤矿的开采输送中被广泛应用。作为煤炭输送的主要设备，带式输送机能够方便地对煤炭进行长距离大运输量的输送，并且布置灵活，具有较强的适应性，提高了煤炭的输送效率。随着带式输送机的发展，大型化的设备应用逐渐增多，在带式输送机中，滚筒是进行传动的重要零部件，其重量及结构对带式输送机整体的性能及可靠性具有重要的影响。转向滚筒依据现场的工况条件进行布置，用于改变输送带的传动方向，从而实现煤炭的定点输送[1]。对于转向滚筒的设计，也向着柔性化优化设计的方向发展。针对某型号的带式输送机转向滚筒采用多目标优化的方法进行设计，以减轻转向滚筒的重量，节约资源，提高带式输送机的运行效率。

1 转向滚筒多目标优化设置

采用ANSYS Workbench 有限元分析软件对转向滚筒进行优化设计，需首先建立转向滚筒的结构模型，采用SolidWorks 2018 进行模型的建立，将建立的滚筒模型导入到ANSYS Workbench 中，将两者进行衔接，完成模型的建立。

针对转向滚筒的结构及性能参数进行设置，通过改变转向滚筒的尺寸，将滚筒的质量降低，并提高其低阶的固有频率，保证转向滚筒的变形量及最大应力满足系统的要求[2]。依据滚筒的结构及性能，设定对滚筒进行优化的参数及其范围界定见表1。

从表1 中可知，在进行转向滚筒的优化设计中，设计变量为筒榖内径、筒榖厚度、筒体厚度，优化目标函数为固有频率及滚筒质量，系统的约束条件为滚筒的最大变形量及最大应力。对于优化目标函数，应增加滚筒的地接固有频率，减小滚筒的质量，避免滚筒产生共振，提高带式输送机的性能[3]。依据表1中的内容，在ANSYS Workbench 中进行相应的参数设置，如图1 所示。

表1 转向滚筒优化参数及范围值

图1 转向滚筒优化参数设置

2 转向滚筒多目标优化分析

优化模块是ANSYS Workbench 中进行快速优化的基础，能够确定产品的影响参数，并提高产品的可靠性，解决系统的多目标优化问题。对转向滚筒采用目标驱动优化进行分析，选取直接优化的方法，转向滚筒的多目标优化分析模型如下[4]：

式中：x1，x2，x3分别为变量筒榖内径、筒榖厚度、筒体厚度；Mass 为滚筒的质量；Frequency 为滚筒的固有频率；Press 为滚筒的最大应力；Deformation 为滚筒的最大变形量。

采用多目标遗传优化算法对转向滚筒进行多目标优化，这种优化方法依据群体的变化不断迭代，直到产生种群的最优解[5]。对转向滚筒的群体进行设置，设定遗传算法的样本数量为100，进行收敛的数目为50，最大迭代次数为20，对转向滚筒进行优化分析，系统的目标函数即滚筒的质量及频率的迭代过程分别如图2、图3 所示。

图2 滚筒质量的迭代过程图

图3 滚筒固有频率的迭代过程图

从图2 中可以看出，在进行滚筒的优化迭代过程中，滚筒的最小质量为1 100 kg，最大质量为1 430 kg，在进行遗传迭代的过程中，转向滚筒的质量不断变化，在大约迭代到150 次时，质量变动范围逐渐稳定。从图3 中可以看出，转向滚筒进行迭代优化的最大频率为325 Hz，最小频率为215 Hz，随着迭代过程的进行，频率值逐渐稳定在250～325 Hz。进行转向滚筒的多目标优化，以转向滚筒的质量为主要的目标函数，低阶固有频率为辅助的目标函数，在系统迭代产生的最优解中，两个目标函数之间存在着相互关联，相互矛盾的情况，这时，采用主要的目标函数滚筒质量最小值，低阶固有频率满足系统要求即可[6]。根据系统生成的优化结果，在其中挑选出最符合转向滚筒优化的解，优化结果的参数对比见表2。

通过对表2 中的数据分析可知，对转向滚筒进行多目标优化，得到优化后的结果，优化后的转向滚筒一阶固有频率增加了38.63 Hz，同时，转向滚筒的质量降低了110 kg，滚筒的最大变形量稍有增加，符合系统要求。通过对转向滚筒的优化设计，在保证转向滚筒满足约束条件的同时，改善了滚筒的结构，提高了滚筒结构的稳定性，同时有效地降低了转向滚筒的质量，并提高了一阶固有频率，避免了滚筒的共振及其他破坏形式，整体上有效地提高了转向滚筒的性能，节约了滚筒的材料，有利于带式输送机的性能提升。

表2 优化参数比较

3 结论

采用ANSYS Workbench 有限元分析软件对转向滚筒进行多目标优化设计，以转向滚筒质量和固有频率为目标函数，以转向滚筒的最大位移和最大应力作为约束条件，采用多目标优化分析，得到转向滚筒的最优解。通过对比可知，转向滚筒一阶固有频率增加了38.63 Hz，同时，转向滚筒的质量降低了110 kg，优化后的结果有效地降低了转向滚筒的质量，并提高了一阶固有频率，避免了滚筒的共振及其他破坏形式的发生，提高了转向滚筒的性能。对转向滚筒的多目标优化设计同样可以适用于带式输送机的其他零部件的优化设计中，从而可以更好地提高带式输送机的性能，提高煤炭的输送效率。