文|书生Taik

编辑|书生Taik

引言

带式输送机作为煤矿生产中的主要生产设备，其实际工作条件极为复杂，使得带式输送机传动滚筒极易受损或者失效，进而导致整个带式输送机的正常运行受到影响，严重的甚至会威胁到生产现场人员及设备的安全。

因此，基于带式输送机传动滚筒有限元分析方法，提出一种带式输送机传动滚筒参数优化设计方案，为后续带式输送机传动滚筒结构优化提供参考，对于传动滚筒的研究,目前有很多学者进行了优化设计及分析，通过对带式输送机传动滚的应力工况分析,得到轴的失效原因,进而提出优化方法。

王春华等研究人员利用ANSYS软件对有无加强环的传动滚筒模型进行有限元分析，经过多次分析计算，得到在不同加强环数量与传动滚筒变形量的关系,最后通过函数拟合两者的关系并求解,得到变形量最小时加强环的结构。

通过对ANSYS的二次开发对滚筒进行了有限元分析以及结构的优化,以传动滚筒的筒皮厚度、辐板厚度、接盘距离以及加强环半径为设计变量进行多目标优化,得出了滚筒质量的优化和滚筒焊缝应力与结构的影响规律，为了提高传动滚筒的优化效率和精度,达到节约带式输送机设计成本的目的,进行有限元参数化分析及优化很有必要。

带式输送机传动滚筒仿真模型构建

首先，带式输送机传动滚筒作为一种较为复杂的组合体结构，其在模型构建中应适当省略滚筒上的倒角、圆角等细微结构和螺钉、联轴器的次要构件，并将传动滚筒的焊接部位视作一个整体，然后，通过CAD软件实现传动滚筒三维立体模型构建，并为模型设置滚筒直径、滚筒厚度、轮毂尺寸等参数，实现整体模型的有效构建。

其次，为模型定义材料属性和实施网格划分，其中，定义材料属性主要包括辐板、轴以及筒壳三种结构材料，分别采用的材料为ZG310-570、ZG230-450和Q235A，三种材料的密度均为7.85E-6kg/mm3，弹性模量分别为196、206和206，泊松比分别为0.30、0.27和0.30，网格划分中采用自由网格划分方法，所划分出的网格模型如图1所示。

最后，为网格划分模型设定载荷和约束，传动滚筒表面所承受的载荷主要为沿圆周方向连续变化均匀载荷，所以在具体载荷设置时，会为传动滚筒表面载荷设置为均布载荷，另外，传动滚筒表面还会受到旋转摩擦力，所以也需要为传动滚筒配置摩擦载荷，并将Y方向设置为模型摩擦方向，传动滚筒所受到的约束主要为滚动约束，其约束边界条件设置为模拟滚筒轴承对滚筒的约束，具体滚筒约束方向为滚筒垂直方向，同时，滚筒轴承限制节点上的三向运动分别设置为平动、转动、平动。

带式输送机传动滚筒有限元仿真分析

2.1轴

通过计算机构建有限元分析联立方程，通过直接求解法进行带式输送机传动滚筒有限元仿真分析，具体分析结果如图2和图3所示。

图2

如图2所示，带式输送机传动滚筒轴的等效应力主要集中在轴与胀套连接区域，其中最大等效应力点的应力值为142.09MPa，具体应力分布表现为中间小，两侧大的特征，并且应力分布较为均匀。

如图3所示，带式输送机传动滚筒轴的等效位移主要分布于轴的中端区域，并且表现为沿轴向两侧依次减小的态势，其中最大等效位移点的位移值为0.118mm。

图3

2.2筒壳

传动滚筒的筒壳仿真分析过程与传动滚筒轴有限元仿真分析过程基本一致，以下直接说明分析结果，如图4所示，带式输送机传动滚筒筒壳的等效应力主要集中在筒壳与辐板连接区域，其中最大等效应力点的应力值为196.08MPa，具体应力分布表现为沿筒壳表面中心区域周边分布，并且应力分布存在一定不均匀特征。

如图5所示，带式输送机传动滚筒筒壳的等效位移主要分布于筒壳的中端与输送带接触区域，并且表现为沿筒壳表面中心区域周边分布的态势，其中最大等效位移点的位移值为0.38mm。

图4

2.4辐板

以下直接说明分析结果：如图6所示，带式输送机传动滚筒辐板的等效应力主要集中在辐板与轮毂连接区域，其中最大等效应力点的应力值为39.85MPa，具体应力分布表现为沿辐板内圈中心向外由大到小分布，并且应力分布存在一定不均匀特征。

如图7所示，带式输送机传动滚筒辐板的等效位移主要分布于辐板与筒壳接触区域，并且表现为沿辐板外圈由外到内依次分布，其中最大等效位移点的位移值为0.22mm。

图5

总体来说，在筒壳、辐板以及轴等带式输送机传动滚筒三大主体结构中，筒壳所采用的A235A材料的最大屈服强度为235MPa，而筒壳的最大等效应力为196.08MPa，与材料的最大屈服强度存在一定接近。

但为保障筒壳的运行安全，应为筒壳配置1.5的安全系数，而235/196.08=1.198＜1.5，证明当前筒壳的综合强度不符合带式输送机传动滚筒安全运行相关要求，而辐板和轴的安全系数均符合要求，在此不再说明。

图6

带式输送机传动滚筒参数优化设计

带式输送机传动滚筒参数优化中，采用VisualBasic开发程序，结合VB与ANSYS连接技术、APDL与VB联合编程技术进行带式输送机传动滚筒参数优化程序设计，并结合带式输送机传动滚筒仿真分析结果，指出带式输送机传动滚筒优化设计模块方案，以此实现传动滚筒参数优化设计，进而所提出的参数优化设计结果。

VisualBasic与ANSYS连接技术需要采用VisualBasic软件中的SHELL函数，来实现ANYSY软件中模型及参数的快速调用；APDL与VB联合编程技术则需要在VisualBasic软件环境下，实现命令流语句的代码编程。

在具体优化中，先在VisualBasic软件中为传动滚筒配置对应的参数值，运行程序后，软件后台会自动调用ANSYS软件中传动滚筒的模型及静力学仿真分析结果，并将相关内容保存到对应文件中。

用户可通过文件指教查看优化后传动滚筒的应力及应变是否处于标准要求范围内，若是不再要求范围，则需用户重新回到参数设置页面进行参数调整，重复以上操作，直至获取到最佳参数值为止，优化后的带式输送机传动滚筒最优轮毂间距、筒壳厚度分别为1692.8mm和41.026mm。

通过ANSYS有限元仿真软件再次对传动滚筒进行仿真分析，进而获取优化后的传动滚筒最大等效应力为184.233MPa，最大等效应力区域为传动滚筒中心区域，最大等效位移为0.019mm，最大等效位移区域为传动滚筒筒体中部区域。

相较于优化前，参数优化后的传动滚筒体积下降约16%，最大等效应力下降11.847MPa，最大等效位移下降0.361mm，优化效果较为明显。

同时，对传动滚筒参数优化设计方案进行可靠性分析，具体分析内容主要为轮毂间距、筒壳壁厚是否服从高斯分布，最终分析后确认传动滚筒参数优化设计方案的可靠置信度为93.25%，确认此传动滚筒参数优化设计方案具有较高的可靠性。

传动滚筒参数优化设计方案的工程应用

通过以上理论分析过程可初步确认，带式输送机传动滚筒参数优化设计方案具有较高的可靠性，可将其应用于工程实践，但为保障传动滚筒参数优化设计方案的应用安全性，还需要在具体应用前开展工程应用实践。

具体应用实践过程中，根据传动滚筒参数优化设计方案制作出对应传动滚筒，并将传动滚筒替换原有传动滚筒，对现有带式输送机整体结构进行适当优化，确保带式输送机对优化后传动滚筒的最佳适应效果。

应用实践中，为保障数据采集精准性和应用安全性，需要在带式输送机各关键结构区域配置声音传感器和振动传感器，通过各处传感器收集带式输送机运行数据，根据数据识别传动滚筒应用可靠性。

在经过某煤矿井下生产的六个月应用实践后，各类传感器均收集到较为全面的运行数据，相关数据具有高度连续性和可靠性，借由现代化技术手段对数据进行训练分析，最终与传统传动滚筒应用数据分析结果进行匹配对比，确认应用成效。

最终对比分析后确认，相较于传统传动滚筒，优化后的传动滚筒体积下降16.2%，运行稳定性提升1.2%，制造成本下降5.6%，总体来说，优化后的传动滚筒无论是在制作成本，还是在运行可靠性等方面均具有更强的优势。

结语

通过以上研究过程，得到以下研究成果：基于带式输送机传动滚筒基本结构，构建传动滚筒有限元仿真模型，并由此实施仿真分析，确认传动滚筒的受力薄弱点位于筒壳与辐板连接区域。

根据带式输送机传动滚筒受力薄弱点，结合现有研究成果，采用VisualBasic开发程序，结合VB与ANSYS连接技术、APDL与VB联合编程技术进行带式输送机传动滚筒参数优化程序设计，指出带式输送机传动滚筒优化设计模块方案，根据带式输送机传动滚筒优化设计模块方案，指出带式输送机传动滚筒参数优化设计方案，并分别通过理论分析和工程应用实践分析确认传动滚筒参数优化设计方案的应用可靠性。