基于Solid Works的带式输送机滚筒装置的优化设计

 刘  军  陈  静

 （河南工程学院机械工程学院，河南省郑州市，451191）

摘  要  常规带式输送机的设计采用平面受力分析的方法，难以得到滚筒装置的准确受力状况，因此往往选取较大的安全系数而增大了设备的重量和成本。采用有限元分析的方法对滚筒装置进行强度分析和结构优化，能够得到较合理的安全系数，为改进滚筒装置设计、减轻滚筒装置重量以及提高其综合性能提供参考依据。

关键词  带式输送机  滚筒装置  优化设计  有限元分析中图分类号  TD402 

 滚筒装置是带式输送机的重要组成部分，其安全性影响到输送机是否安全正常地工作运行。常规的滚筒装置设计采用平面受力的分析方法，难以得到准确的受力状况，因此往往选取较大的安全系数确保其正常工作，这不仅增加了设备的重量，而且增大了设备的成本。有限元分析的方法为带式输送机提供了一种更合理的计算方法，通过对滚筒装置各个部分的受力分析校核，检验带式输送机滚筒装置的安全性能，并对滚筒装置进行优化，达到较合理的安全系数，减轻滚筒装置的重量。

1  滚筒装置的结构及建模

 本文选取DTII型带式输送机进行分析，DTII型带式输送机的滚筒装置是由左右两个滚筒、滚动轴承、轴承座和钢架结构组成。两个滚筒直径均为830 mm，轴承座采用螺栓与机架相连接，整个滚筒装置通过地脚螺栓与地板固定，钢架结构是由钢板焊接而成。DTII型带式输送机滚筒装置结构图如图1所示。

钢架结构中由于钢板的长度和宽度是厚度的20倍以上，符合壳体的要求，因此钢架结构采用了曲面建模；滚筒的长度为1400 mm，直径为830 mm，壁厚为20 mm，也符合壳体的要求，因此滚筒壁也选用曲面建模。滚筒轴、轴承和轴承座等零部件的特征符合实体分析的要求，故采用实体建模。由于有限元分析时需要将模型简化，故去除不影响主体应力的细小结构和不承载的结构，同时考虑到滚筒装置对垂直滚筒轴的中面是前后对称的，利用其对称性可以减小数据的计算规模并获得更为准确的结果，因此对分析模型进行了对称简化，简化后的分析模型如图2所示。

2滚筒装置受力及载荷施加

 滚筒装置受力示意图如图3所示。

(1)右滚筒受力分析。右滚筒受胶带拉力Fl为69393 N，与水平面夹角为2.250；拉力F4为44516 N，与水平面夹角为29. 890。根据余弦定理可以求出胶带的合力F5为110770.1 N，与水平面夹角为130。建立参考基准面通过滚筒轴心并指定合力F5的方向，参考基准面垂直于力的方向。由于滚筒包角为207.60，使用软件中分割线命令将滚筒面分割开，将合力F5加载在该包角范围的滚筒面上。

(2)左滚筒受力分析。左滚筒受胶带拉力F2为19639 N，与水平面夹角为2.250；拉力F3为44516 N，与水平面夹角为29. 890。同样可求得F2与F3的合力F6为62580.5 N，与水平面夹角为21. 520。参考基准面及加载方法同右滚筒。

(3)除拉力外，滚筒装置所受载荷还有其自重。使用载荷里的引力功能，重力加速度取9.8m／s2以施加重力。加载完成后模型如图4所示。

3  有限元分析

滚筒及装置架的钢结构材料选用Q235A，轴承座材料为铸造碳钢。采用FFEPLUS解算器进行解算得出分析结果，分析的应力云图和位移云图如图5和图6所示。

4滚简装置钢架结构优化

由于滚筒为标准件，本次优化主要针对钢架结构进行。根据以上分析，滚筒钢架结构的强度和刚度不仅满足要求，而且安全系数很大，在一定程度上导致了成本的增加，所以对其进行优化验证。

4.1  优化步骤一

优化主要通过减小滚筒钢架结构的钢板厚度来实现。钢架结构中钢板的原始厚度分别为上下横板A-12 mm，中间竖支撑板B=8 mm，两侧加强肋板C=12 mm。钢架结构钢板厚度示意图如图7所示。

优化时将板厚减少为：A=C=0 mm,B=7 mm，其他条件不变进行分析，此时分析的应力云图和位移云图如图8和图9所示。由分析结果得出钢架结构最大应力σmax=66. 302 M Pa，应力有所增大，安全系数n=σs/σmax=235 M Pa/66. 302 M Pa =3. 54,设计余量仍然较大，最大位移数值为0. 88 mm，出现在滚筒轴中部，满足设计要求。

4.2优化步骤二

考虑到上一步优化后的安全系数仍然较大，这次取A=C=8 mm，B=6 mm，其他参数不变，此时分析的应力云图和位移云图如图10和图11所示。由分析结果得出钢架结构最大应力σmax=98. 301 M Pa，应力有所增大，安全系数n=σs/σmax=235 M Pa/98. 301 M Pa =2. 39。同时最大位移数值为0. 89 mm，变化很小，出现在滚筒轴中部，满足设计要求。

4.3优化步骤三

通过前面的两次优化可以看出，右侧轴承座附近的钢架结构是应力较大的区域，可以考虑在此处进行加强，同时可以看出地脚螺栓附近的钢板应力较小。因此尝试在右侧轴承座附近的钢架结构处添加新的加强肋板，增加此处强度，同时减少地脚螺栓处加强肋板的数量，并且进一步减少钢架结构的板厚，取A=C=6 mm，B=5 mm，其他参数不变。钢架结构调整前后示意图如图12和图13所示，优化后应力云图和位移云图如图14和图15所示。

由图14和图15可以看出，最大应力仍在右轴承座附近，σmax=85. 341 M Pa，安全系数n=σs／σmax=235MPa/85. 341MPa=2.75，同时最大位移值为0. 88 mm，能够满足设计要求。尽管板厚减少，但是最大应力值却略有下降，地脚螺栓处的应力也没有明显上升，与原始设计方案相比较，应力分布也更加均匀：满足了设计中载荷均布的原则，说明对滚筒钢架结构的调整起到了较好的作用。

5结语

通过三次优化后，在满足强度和刚度的前提下，滚筒装置钢板厚度由最初的A=C=12 mm，B=8mm，减少到A=C=6 mm，B=5 mm，优化后的滚筒装置重量从1012kg减少到706kg，重量减少了30%。通过优化分析，滚筒装置钢架结构更加合理，应力分布更加均匀，满足了使用要求，为带式输送机滚筒装置的设计优化提供了参考。