卷带装置的有限元分析及心轴的优化设计

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Abstract：Winding device is important to the extension-type belt conveyer.To study the stress-strain characteristicsduring working process，the finite element analysis software Ansys is adopted for analysis of the winding device used fortunneling of No.1 wel in the Taigemiao mine lot at Shenhua Xin Street，with structural optimal design for mandrels of keyparts of the winding device.The result shows that the safety factor is higher than 2 in most dangerous areas in case the stressand strain values are within the alowable scope during working of the designed winding device，which can totally meet theuse requirement；the optimized mandrel size reduces by 2O% or so，but the mechanics property is stil qualified.The a-bove-mentioned study result can provide theoretical reference for further optl mal design。

Keywords：winding device；finite element analysis；optimal design；mandrel0 前言神华 集 团拟新 建 的新 街矿 区，井 田面积737.71 km ，普查储量 138亿 t，煤层平均埋深约600-1 000 Il，是-个整装的优质煤田，利于建设特大型矿井群。神华新街公司根据地层条件的适应性，以及生产能力、投资造价、运营成本、工程量等，针对矿井开拓方式等问题，进行了反复调研和充分论证 ，确定采用 TBM (Tunnel BoringMachine)工法进行斜井施工，主辅运输均采用 6。

缓坡斜井。施工过程中，隧道掘进机 TBM采下的物料通过可伸缩带式输送机运出，随着掘进工作的推进，带式输送机要随 TBM的前进而伸长，为提高工作效率，对卷带装置的性能提出了较高的要求。本文主要对该工程中可伸缩带式输送机所采用的卷带装置进行了有限元分析，并对心轴进行了优化设计，以更好地满足工程需要。

江苏势技支撑计划项目 (2Ol 1046)《起重运输机械》 2013(9)心轴是卷带装置最重要的组成部分之-，在工作过程中它承受了很大-部分的卷带张力以及胶带的重力，图 1是卷带装置工作示意图，从图中可以看出在支架两侧还分别设置了两个液压缸支撑，这-设计既减轻了心轴所承受的弯矩，又可以调节滚筒水平夹角，保证胶带的整齐缠绕。

储带仓中的胶带-端与卷带滚筒相连，-端 由固定夹带装置固定，卷带所需的张紧力要远远小于带式输送机正常工作时的胶带张力。

图1 卷带装置工作示意图按照实际需要对线段进行网格划分，最后通过扫掠的方法完成整体的有限元模型的建立。

4.2 载荷的施加卷带装置工作过程中，轴承受径向和轴向两个方向的载荷，其 中轴向力主要由推力球轴承承受，作用在轴肩处，对轴的整体稳定性影响较小，由于心轴长度较长，由强度理论式 (1)和式 (2)可知，轴径 d对轴的应力影响较大，轴径减小-倍，则应力值增加 8倍。施加载荷时，由于轴的载荷主要由轴承传递 ，因此将计算出来 的载荷转换为面载荷施加到接触表面上进行求解，这样既符合实际情况，又避免了施加集中载荷时造成的局部应力集中。由于轴固定于支座上，因此在分析时对轴的下底面施加全位移约束。

O"e M (1)式中： 为轴的合成弯矩，N·m；Z为轴的断面系数 ，mm 。

为了适应不同高度的使用需要，卷带滚筒具有-定的摆动角度，取其中的 3种工作位置，如图 14所示。

限储 图 14 工作位置示意图图 11中面 1和面 2处在 3种工作位置下所受径向载荷依次为 6.0 MPa和 4.7 MPa、5.5 MPa和4.2 MPa、5.3 MPa和 4.0 MPa。

4.3 有限元结果分析针对上述 3种工作条件，在划分网格、施加约束和载荷以后分别对有限元模型进行数值模拟《起重运输机械》 2013(9)分析，通过 Ansys的 Postl通用后处理器可以方便地显示正常工作时心轴的应力、位移分布云图。

图15表示3种位置中的最大应力、位移云图，此时卷带滚筒处于最高位置。

(a)最大应力云图 (b)最大位移云图图 15 有限元分析结果可以看出，最大应力出现在轴的第3阶与第4阶的交界处，在轴最细处应力值最大，这是由于这个位置离外载荷较远，承受弯矩较大，且由于轴径较小，应力值最大。

图16a表示载荷方向上，某-半径处等效应力沿着心轴轴向的变化曲线，图 16b表示载荷方向上，某-轴向尺寸处等效应力沿着心轴径向的变化曲线。

结合图15a和图 16a可以看出，在距离轴顶部0.7 In处应力值较大，轴顶部应力值相对较校从图16b可以看出，轴在工作时，表面所受应力最大，中间位置最小，因此轴的表面热处理十分重要，在轴的加工过程中应对表面进行精加工处理，有助于提高轴的抗疲劳能力。

查相关资料可知心轴材料的许用应力为 177MPa，而最大等效应力 i。。为 78 MPa，远远低于 177 MPa，现有的设计完全符合使用要求，可以通过优化设计的方法使轴的尺寸减小，节省材料。

从图15b可以看出轴的变形量较小，说明轴的刚度完全满足使用要求。

4.4 心轴结构的优化设计通过上面的分析可知心轴原有设计中结构尺寸过于保守，不仅浪费材料，而且造成了运输过程中的不便，由于卷带装置的工作与带式输送机相互独立，因此设计过程中安全系数的选壬以相对小-些。下面将借助Ansys软件强大的优化设- 5 - 节点轴向坐标/m(a)径向坐标/m(b)(a)轴向等效应力分布 (b)径向等效应力分布图 16 等效应力分布曲线计功能对心轴结构进行优化分析，根据强度理论的知识对其原有结构进行改进。

心轴的结构如图 l7所示，在建模过程中为了便于设计，将最小直径作为参考尺寸，其他尺寸都直接或间接与其相互关联， 和 ，尺寸相同，由上面的分析可知 和 交接位置的应力值最大，因此在参数化建模中以最小尺寸R 做为设计变量，以与R 相关的最小体积minW( )作为目标函数，以轴的最大等效应力 S 作为状态变量，具体关系为[min ( )7c砰s.tO" ≤[ ] (3)0.06≤Rl≤0.09式中： 为最大等效应力，MPa； [ ]为材料许用应力，[ ] 170 MPa。

建立参数化模型以后，采用子问题逼近算法作为优化方法进行优化分析。由于长度尺寸主要- 16 - - H H1 H3 H4 H5 H6J 1 ≈ ≈ l图 l7 心轴结构示意图由现场尺寸决定，因此主要对直径尺寸进行优化图 18、19、2O分别表示 目标函数、设计变量、状态变量随迭代次数的变化情况。从图中可以看出Ansys优化设计的优化过程中各个参数的具体变化情况，直到优化终止。

ll / /11 72 4 3 1 3 8 4 5 5 25 96 6 7 3 8图18 目标函数随迭代次数的变化 。、、。

/ / 图 19 设计变量随迭代次数的变化从图中可以看出随着迭代次数的增大，Ansys优化设计拈会 自动求解出最优化解，最大等效应力值是上下波动变化的，但是最终趋近于应力上限，而且设计变量、状态变量以及 目标函数的《起重运输机械》 2013(9)2 2 9 8 7 6 5 4 3 2 ， 1 1 1 ∞ 如 ∞ 如 加 m 0R毯㈣ ㈣ ㈣O O 0 O O 0 O O 0 O ， /.，I/ l 1 7 2 4 3 1 3 8 4 5 5 2 5 9 6 6 7 3 8图20 状态变量随迭代次数的变化变化--对应。从优化结果可以看出轴的尺寸有了较大的变化，表明对其进行优化分析具有现实意义〖虑到 R：以及 尺寸需要跟滚动轴承配合， 尺寸需要跟推力球轴承配合，因此它们的具体尺寸需要参考机械设计手册确定，其 中轴向尺寸根据实际需要进行修改。优化后各参数尺寸结果如表 1所示。

表 1 优化结果 mm变量 R1(R3) R2 见 R6J优化前 85 90 1o0 140 170优化后 70 75 80 120 140从优化结果可以看出：优化后心轴的结构变化较大，达到了减轻质量的 目的，节省 了材料。

由于尺寸改变，因此载荷也随之变化，图21是优化后轴的等效应力云图以及位移云图。

(a) (b)(a)等效应力云图 (b)位移云图图21 优化后的有限元分析结果《起重运输机械》 2013(9)从上图可以看出，轴的结构尺寸改变以后，其最大等效应力在允许的范围以内，而位移变化虽然有所增加，但数值较小，对整体的稳定性没有影响。

5 结论1)本文建立了高速液压卷带装置整机三维模型，采用有限元分析软件 Ansys对其结构静力学特性进行了分析，获得了整机及各部件形变、应力、应变及安全系数云图，以及卷带装置在静态载荷下最大形变、最大应力的数值及其位置♂果表明卷带组件Y方向形变量较大，举升液压缸为高速液压卷带装置危险部件。从整体来看，高速液压卷带装置安全系数较高，符合设计要求。

2)建立了卷带装置心轴的参数化模型和有限元分析模型，通过仿真分析，得到了心轴的应力云图和位移云图，并对其强度及稳定性进行了分析♂果表明原设计完全能满足使用要求，但富裕量较大。采用 Ansys优化设计拈对卷带装置心轴进行了结构优化设计，并结合传统设计方法得到了-组最优设计结果，对所选用的优化模型进行了有限元分析，结果证明了优化的合理性。

3)有限元分析软件 Ansys可有效地用于机械设计中的分析与改进，可较大程度地减少设计人员的工作量，应用较为方便。