趙洪海

(中核二七二鈾業(yè)有限責任公司，湖南 衡陽 421001)

鈾轉化生產線生產效率和安全性的提高，有利于提高產能和保障工人安全。自動投料生產線是針對傳統(tǒng)鈾轉化生產線人工投料不便而進行的升級改造項目。電動滾筒作為生產線上的重要裝備，具有輸送能力強、安裝方便等優(yōu)勢，在物料傳輸、分揀等工序有著較廣泛的應用。根據(jù)傳輸帶上各部分的作用不同，其上的滾筒可以分為驅動滾筒、無驅動滾筒以及轉向滾筒。驅動滾筒一般內置減速電機帶動滾筒轉動，使生產線上的物料跟著一起運動；無驅動滾筒通過與轉運的物料摩擦接觸起到過渡作用，可節(jié)省驅動滾筒的使用數(shù)量；轉向滾筒主要用來調節(jié)傳動方向。

許多研究人員通過數(shù)值分析或改進滾筒結構，使?jié)L筒的性能得到了提升。新型的電動滾筒裝置，提高了滾筒使用時的穩(wěn)定性、耐用性和便利性，能滿足永磁電動滾筒的加載和空載反轉電動勢的要求[1]。傳送帶上的圓形滾筒不在外力作用下一般不會跑偏，鼓形滾筒能對傳送帶起到糾正的效果[2]。滾筒結構和零部件對整個傳輸帶的模態(tài)有影響，保持滾筒轉速小于其固有頻率，能夠使物料較平穩(wěn)地傳送；滾筒轉速接近系統(tǒng)固有頻率，會影響傳輸帶穩(wěn)定性[3]?；贑OSMOS軟件對滾筒進行的靜力學和動力學分析，得到了滾筒變形和受力分布的規(guī)律，解決了非標滾筒的可靠性問題，提升了滾筒的質量[4]。

滾筒作為生產線上的核心部件，既要承受生產線運輸料桶的載荷，又要承受相應電機或減速器傳遞的扭矩，其受力相對復雜。合理的滾筒結構能提高滾筒的剛度與強度，有利于提高生產線的使用年限和可靠性?；诖?，有必要對生產線的滾筒進行強度計算，使其能夠在實際工況下正常運行。

1 數(shù)值模型計算基本理論

用數(shù)值計算軟件ANSYS，分析滾筒體在運載物料時的承載情況。根據(jù)實際的滾筒尺寸繪制分析用的滾筒實體模型，為讓滾筒實體模型有相應材料的物理性質，設置對應材料的物理參數(shù)。研究的滾筒體采用45鋼，其物理屬性見表1。

表1 45鋼的物理性能

通常用于工程問題求解的微分方程，其邊界條件、約束條件等比較復雜，難以求解；然而借助計算機的運算能力和分析軟件，這些問題可得到比較好的解決。FEM方法借助事先設置好算法的軟件，在擁有一定硬件條件的計算機上，建立離散化后的單元體的求解方程，使用連續(xù)函數(shù)表達實體單元函數(shù)的解；同時單元與單元之間是連續(xù)的，利用其連續(xù)性得到其整體方程[5]：

R=K·U-F，

(1)

式中：R為反作用力矩陣，K為剛度矩陣，U為位移矩陣，F(xiàn)為載荷矩陣。

物質體的應力應變是多變復雜的理論，受到無量綱因子和相關系數(shù)的干擾，屬于半經驗半理論的公式。常見的鋼材視為各向同性，其基本強度理論公式為[6]

(2)

(3)

(4)

式中：δ為等效應力，εe為等效變形，U為位移。

2 網格劃分與邊界條件的添加

電動滾筒的滾筒體是保護內部軸承、中心軸和轉運物料的重要部件，因此對滾筒強度有較高的要求。筒體及其內部零部件的受力和變形情況比較復雜[7-17]，非標滾筒一般采用經驗設計方法。

核物料轉運桶的自動化投料生產線采用的滾筒，由剛性中心軸、連接軸承與中心軸的卡盤、防塵用的滾筒端蓋等構成，其結構如圖1所示。滾筒外徑76 mm，長800 mm，采用鋼板焊接而成，滾筒排布采取驅動滾筒與從動滾筒間隔排布方式，以節(jié)省電機的使用量和節(jié)約成本。

1-滾筒；2-中心軸；3-連接卡盤；4-滾筒端蓋。

離散化計算所用的模型是有限元數(shù)值計算的基礎，將實體離散化成若干有限個分區(qū)，或者根據(jù)其實體結構進行切分細化網格，將劃分出的單元用相應的函數(shù)方程表示；再利用其特點將這些函數(shù)方程組合成整體方程，用這個組裝的整體方程來表示模型。FEM法采用這種模型進行計算。

對滾筒體進行離散化處理。由于ANSYS Workbench操作界面對用戶比較友好，滾筒的網格數(shù)量不大；而且滾筒體為單結構，沒有接觸類約束，因此利用數(shù)值計算軟件中mesh專用網格劃分模塊。采用非結構化的劃分方法對滾筒體進行劃分以及細化網格，其離散化的滾筒體模型如圖2所示，其單元體數(shù)量為127 909個，網格劃分疏密適中。

圖2 滾筒網格劃分

靜力學有限元數(shù)值分析中的邊界條件包括位移約束和載荷力約束，通過添加邊界條件使模型有確定的解。由于滾筒與轉運料桶的托盤底面為線接觸形式的載荷，故在滾筒面先建立映射線來保證載荷能夠加載在滾筒母線上。滾筒體的兩邊固定在滾筒卡盤的端面上，在端面上采用固定約束。其約束條件的添加如圖3所示。

圖3 滾筒邊界條件

3 數(shù)值仿真結果分析

通過ANSYS中的內置求解器求解數(shù)值模型，完成數(shù)值計算工作后，對求解結果進行調用，可以獲得滾筒的應力分布情況以及整個變形的分布情況，滾筒體的應變如圖4所示?？梢钥闯?，最大應變量約為5.695×10-5，應變較大部分集中在托盤與滾筒體外殼接觸部分。觀察放大后的形變趨勢，滾筒體有壓扁的趨勢，同時軸線方向有彎曲趨勢。由于其應變量較小，可以適當減小滾筒長度以增加其剛度。當滾筒長度減小時，生產線的寬度也隨之減小，其結構更緊湊，既能增加滾筒的強度，又能節(jié)約成本。

圖4 滾筒應變云圖

滾筒體所受的應力如圖5所示。其應力云圖與應變云圖的變化趨勢一致，即在線接觸的地方應變大，其相應的應力也較大，這與強度理論中位移與力的變化關系一致。滾筒體最大應力約為10.2 MPa，根據(jù)強度理論只要不超過許用范圍值就滿足要求，其整體最大應力遠小于許用值，符合強度需求。

圖5 滾筒應力云圖

滾筒總體變形如圖6所示。在滾筒體中間位置，整體變形量較其他地方大，最大約為0.021 mm，變形量處于可承受范圍內。但出于安全考慮，在滾筒設計上可增加滾筒外殼鋼板的厚度，同時在滾筒體容易變形的中間區(qū)域設置加強結構，來提高其強度。通過圖6也可看出，滾筒兩端的變形量雖然比較??；但其兩端不再保持圓形，這會使與之配合的軸承也產生變形。

圖6 滾筒總體變形云圖

4 結論

對電動滾筒進行三維建模，并對滾筒外殼體進行離散化處理，在分析滾筒體承載情況的基礎上，簡化處理并添加符合實際受力情況的約束和載荷后，對滾筒進行靜力學計算。研究表明，可以適當縮短生產線滾筒的長度，以便增加其滾筒的剛度；可以適當增加筒體的厚度或改善滾筒體的支撐條件，以抑制滾筒體因受載產生變形。