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皮帶輸送機改向滾筒的結構優化設計
時間:2016-10-03   來源:   作者:   閱讀次數:447


滾筒皮帶輸送機的主要承載元件,其可靠性和壽命直接影響輸送機的性能。國内的滾筒設計往往采用經驗公式法和類比法,設計工程師根據自己的理論知識和工程設計經驗,經過不斷地選擇、試算、分析、校核直至達到設計要求為止。這種設計方法往往使用很高的安全系數來保證結構的安全,結果造成滾筒結構尺寸和重量加大,增加了不必要的制造成本。與美國、日本傳遞相同動力的滾筒相比,國産滾筒的質量平均高出1/3左右。增大滾筒尺寸不能解決滾筒失效問題,因為滾筒是一個複雜的系統,各個構件的強度和剛度互相影響,單方面增加某個尺寸可能會給其他構件帶來不利的影響。為使滾筒既能滿足剛度和強度條件,又便于制造、使用、維修和節約成本,需要用有限單元法對其進行精準的應力分析和結構優化。本文基于國際大型通用有限元分析軟件ANSYS,讨論改向滾筒的優化設計數學模型建立和求解方法。

      1.滾筒類型的确定

    以等截面輻闆輪毂結構的改向滾筒為例進行優化,它主要包括筒殼、輻闆、輪毂、滾筒軸4個部分。為了計算方便,整個滾筒假設采用同種材料,滾筒的力學參數和材料屬性見表1所示。

表1 滾筒力學參數和材料屬性

 

參數含義


 


 

參數符合


 


 

參數數值


 

   
 

力學參數


 


 

輸送帶合張力


 


 

F


 


 

25kN


 


 

包角


 


 

α


 


 

120°


 


 

輸送帶寬


 


 

b


 


 

1500mm


 


 

材料屬性


 


 

彈性模量


 


 

E


 


 

Mpa


 


 

泊松比


 


 

v


 


 

0.3


 


 

材料密度


 


 

ρ


 


 

7.8×10-4kg/mm²


 

2.等截面輻闆改向滾筒強度有限元分析

      利用ANSYS軟件對滾筒進行靜力分析,改向滾筒所受載荷:滾筒自重可由密度和重力加速度的方式施加;滾筒筒殼表面法向壓力,這種壓力在改向滾筒中視為均布載荷,其徑向比壓可按q=2F/(bd2)MPa确定;滾筒旋轉角速度産生的慣性力。
      約束模拟是滾筒強度分析的另一重要環節,必須遵循以下原則:一是要有足夠的約束使結構消除剛體運動的可能,從而保證剛度矩陣非奇異,獲得位移的确定解。二是不得有多餘約束,因為多餘的約束會使結構産生實際不存在的附加約束力,從而增加部件的計算剛度,使計算結果失真。


表2 滾筒初始結構參數表


 

參數名稱


 


 

含義


 


 

數值(mm)


 


 

參數名稱


 


 

含義


 


 

數值(mm)


 


 

b1


 


 

軸承間距


 


 

2400


 


 

l


 


 

軸頭長度


 


 

128


 


 

b2


 


 

筒皮寬度


 


 

1800


 


 

t1


 


 

筒殼厚度


 


 

14


 


 

b3


 


 

輪輻間距


 


 

1600


 


 

t2


 


 

輻闆厚度


 


 

14


 


 

b4


 


 

輪毂寬度


 


 

140


 


 

d2


 


 

筒殼外徑


 


 

610


 


 

b5


 


 

軸肩寬


 


 

10


 


 

d3


 


 

輪毂外徑


 


 

220


 


 

d1


 


 

軸承内徑


 


 

80


 


 

d4


 


 

滾筒軸直徑


 


 

140


 


 

b6


 


 

軸承寬度


 


 

80


 

根據表1、表2所列載荷及滾筒結構參數,計算筒殼的最 大等效應力為9.539MPa,發生在筒殼和輻闆的聯接焊縫處,其餘位置的應力比較小;滾筒軸的最 大等效應力發生在軸承約束的位置,而軸中部的應力比較小;輻闆的最 大應力為45.536MPa,發生在和輪毂的聯接處;輪毂的最 大等效應力為9.9MPa,應力比較小。

      通過對滾筒的靜态分析可以看出,滾筒結構設計存在着較大的強度和剛度的餘量,結構和材料的承載能力并沒有得到充分利用,這為結構優化提供了很大的空間。對滾筒進行結構優化,其目的主要是使滾筒結構在滿足強度和剛度的條件下,通過優化各部分尺寸使所用的材料最少,即質量最小。

      3.滾筒優化設計的數學模型

      優化變量的選定。設計變量為自變量,就是通過改變設計變量的數值來實現優化結果。每個設計變量都有上下限,它定義了設計變量的變化範圍。在滾筒性能滿足使用要求的前提下,要顯著降低滾筒的質量,選擇優化的結構件應滿足該部件的質量在滾筒結構件總質量中占有較大的比重、該部件的質量減小對整個滾筒的剛度和強度影響不顯著。
      通過分析滾筒各部分結構件對滾筒剛度的影響,選定筒殼厚度(t1)、輻闆厚度(t2)、輪毂外徑(d3)、滾筒軸直徑(d4)和輪毂厚度(b4)作為優化分析的設計變量。目标函數定為滾筒的總質量最小,若滾筒各個構件材料的密度相同,則滾筒的總體積也可代替滾筒的質量作為目标函數。

      4.基于ANSYS的優化設計方法

      優化作為一種數學方法,通常是利用對解析函數求極值的方法來達到尋求最優值的目的。建立優化設計的數學模型後,對于簡單的模型可以利用經典的極值理論進行求解,但對于複雜的工程結構問題很難求解,甚至無法列出數學表達式。随着有限元理論的發展及計算機的普遍應用,可用有限元輔助進行結構優化設計,目前很多有限元軟件都具備優化設計功能。

      本文以結構優化設計理論為基礎,建立了等截面輻闆改向滾筒結構優化設計的數學模型。以筒殼厚度、輻闆厚度、滾筒軸直徑、輪毂長度和輪毂外徑為設計變量,總體最 大等效應力、筒殼最 大徑向位移和滾筒軸最 大撓度為約束函數,總體積最小為目标函數,對滾筒結構進行了優化設計。借助ANSYS軟件的優化模塊,采用子問題近似法,得到皮帶輸送機滾筒優化設計方案,并給出了優化設計過程中設計變量和目标函數随優化疊代次數的變化規律圖。優化結果表明,經過優化後,滾筒質量顯著下降,結構更加合理。

    為了解決滾筒輸送機中碳鋼滾筒的摩擦性大,并且造成周期性短産生撕烈的情況,可以通過密封更好的碳鋼滾筒來進行解決。其基本上結構包托了轉軸,在轉軸外側以同心的方式布置包覆有耐磨橡膠層得鋼管,在管體的兩端并于轉軸和鋼管之間分别設置着軸承,其軸承座則以過盈的方式配合在鋼管的外周,同時在軸承座的外端與轉軸之間設置有迷宮式的密封件,包括通過中心孔間隙式套置在轉軸外部的端蓋,端蓋的内表面設置兩至四道第 一圓形凸環,在軸承和端蓋之間設置内罩,在朝向端蓋的第 一圓形凸環的内罩端面設置着與其相互交錯的第二圓形凸環,為了進一步提高密封性,還可以在端蓋的外端設置凸台,和轉軸之間設置上有過盈配合在轉軸外側内擋圈,采用此種機械結構可以有效提高轉軸與軸承、軸承與鋼管之間的密封性,有效防止空氣中易腐蝕性成分進入輸送機滾筒内,從而避免了鏽軸對密封件的摩損或鏽死,可明顯提升産品的密封性能,延長輸送機滾筒的使用壽命,降低更換率,從而降低用戶的訂購成本,節約了有限的資源。
      另外由于以上的結構設計,還可以使得碳鋼滾筒有普通鋼輥的承載力,可以進一步提高滾筒輸送機的運行穩定性,非常适合于化工及食品、制藥行業的輸送。

 




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