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皮帶輸送機改向滾筒的結構優化設計

發布時間:2014-10-23 10:22:13  來源:輸送機http://www.ayxoo.com   作者:上海昱音機械

      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。國內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,國產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,因為滾筒是一個復雜的系統,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確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,討論改向滾筒的優化設計數學模型建立和求解方法。
      1.滾筒類型的確定

等截面輻板滾筒結構示意圖
圖1  等截面輻板滾筒結構示意圖

      以等截面輻板輪轂結構的改向滾筒為例進行優化(見圖1),它主要包括筒殼、輻板、輪轂、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.等截面輻板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確定;滾筒旋轉角速度產生的慣性力。
      約束模擬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,獲得位移的確定解。二是不得有多余約束,因為多余的約束會使結構產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 輻板厚度 14
b4 輪轂寬度 140 d2 筒殼外徑 610
b5 軸肩寬 10 d3 輪轂外徑 220
d1 軸承內徑 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,發生在筒殼和輻板的聯接焊縫處,其余位置的應力比較;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;輻板的最大應力為45.536MPa,發生在和輪轂的聯接處;輪轂的最大等效應力為9.9MPa,應力比較小。
      通過對滾筒的靜態分析可以看出,滾筒結構設計存在著較大的強度和剛度的余量,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范圍。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)、輻板厚度(t2)、輪轂外徑(d3)、滾筒軸直徑(d4)和輪轂厚度(b4)作為優化分析的設計變量。目標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標函數。
      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后,對于簡單的模型可以利用經典的極值理論進行求解,但對于復雜的工程結構問題很難求解,甚至無法列出數學表達式。隨著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,建立了等截面輻板改向滾筒結構優化設計的數學模型。以筒殼厚度、輻板厚度、滾筒軸直徑、輪轂長度和輪轂外徑為設計變量,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,總體積最小為目標函數,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標函數隨優化迭代次數的變化規律圖。優化結果表明,經過優化后,滾筒質量顯著下降,結構更加合理。



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