改向滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平在近年來(lái)也有顯著提高，尤其在機(jī)械化水平上最為顯著，這給滾筒結(jié)構(gòu)、加工工藝及裝配工藝帶來(lái)了巨大的變化。當(dāng)今社會(huì)焊接技術(shù)在不斷發(fā)展，焊接強(qiáng)度變得穩(wěn)定可靠，在滾筒設(shè)計(jì)過(guò)程中，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)師們注意到焊接結(jié)構(gòu)的作用，替換原有的鑄造結(jié)構(gòu)。采用脹套連接方式替換掉鏈槽連接細(xì)部結(jié)構(gòu)部分。在加工技術(shù)方面，原有的加強(qiáng)肋板也被輻板代替。就當(dāng)前發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，由剛性向柔性的設(shè)計(jì)理念已逐漸滲透到滾筒設(shè)計(jì)當(dāng)中，并逐步成型且不斷發(fā)展。

關(guān)鍵詞：滾筒；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與存在的缺點(diǎn)

用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及判斷來(lái)確定滾筒的結(jié)構(gòu)形式，一般指結(jié)構(gòu)布置、材料的選擇、制定尺寸及制定相應(yīng)工藝；其次是全面分析其結(jié)構(gòu)；最后在滾筒成品生產(chǎn)完成之后才可以進(jìn)行校對(duì)工作，一般都是通過(guò)力學(xué)模型來(lái)檢測(cè)其強(qiáng)度是否符合規(guī)定條件，并對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修訂。由此可以得出結(jié)論：在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中，缺乏合理的更新，只將結(jié)構(gòu)分析視為校對(duì)及檢驗(yàn)的工具。

由此可以分析傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的缺陷是：（1）在有限的校對(duì)過(guò)程中，單次校對(duì)時(shí)間長(zhǎng)，難度高，工作量大等問(wèn)題，直接給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)困難；（2）材料分布情況不能得到有效合理的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)于提出理想的經(jīng)濟(jì)適用的方案有很大難度；（3）大量的精力都投入到初始設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，因此如果原則性問(wèn)題出現(xiàn)在初始方案中，就會(huì)給整個(gè)設(shè)計(jì)帶來(lái)不良影響，從而無(wú)法保證正確性，在年輕的設(shè)計(jì)師中，缺乏經(jīng)驗(yàn)，壓力又大。

2 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化現(xiàn)狀

利用數(shù)學(xué)思想中的函數(shù)編程求解是滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到優(yōu)化的一個(gè)重要方式。利用數(shù)學(xué)思想，將數(shù)學(xué)模型運(yùn)用到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化當(dāng)中，然后同樣設(shè)置參數(shù)及目標(biāo)函數(shù)，并且將約束條件抽離出來(lái)，進(jìn)而可以將位置數(shù)值確定下來(lái)。通過(guò)此法得到的參數(shù)值可以達(dá)到使用條件標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)細(xì)部尺寸進(jìn)行參數(shù)化，進(jìn)一步通過(guò)三維軟件進(jìn)行討論，理論上可以實(shí)現(xiàn)最終目的，即優(yōu)化滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

雖然當(dāng)前已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)很多的實(shí)驗(yàn)，然而，滾筒設(shè)計(jì)仍然不能在參數(shù)上給出最優(yōu)化的一系列參數(shù)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員僅僅改進(jìn)了單一的零部件結(jié)構(gòu)，以及研究其在整體結(jié)構(gòu)中起到的作用及造成的影響。截至目前為止，仍然沒(méi)有一套完整的參考設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用到帶式輸送機(jī)整體參數(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化所有零部件，特別是優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)部參數(shù)部分，裝配方式組成的滾筒結(jié)構(gòu)模式，有利于展開理論分析及參數(shù)驗(yàn)證整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以對(duì)所有參數(shù)組合進(jìn)行最優(yōu)的設(shè)計(jì)?？紤]到整體結(jié)構(gòu)的效果，設(shè)計(jì)員們都將思路集中到優(yōu)化思想上，在滾筒設(shè)計(jì)研究課題中，這種思想極具突破性，值得人們關(guān)注并實(shí)踐。

3 改向滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在滾筒設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，是徹底的將滾筒功能加以應(yīng)用，仍然利用托輥為原型，利用托輥運(yùn)動(dòng)原理將滾筒設(shè)計(jì)為軸承內(nèi)置形式[1，2]，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要思考方向是對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)受力的分析，同時(shí)進(jìn)行理論驗(yàn)證；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主體內(nèi)容是在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用到軸承內(nèi)置理論，目的是實(shí)現(xiàn)突破改向滾筒的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；然后利用對(duì)受力程度的分析來(lái)檢驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)滾筒結(jié)構(gòu)的功能是否可以在實(shí)際中應(yīng)用，是否具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)同等運(yùn)力的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此此項(xiàng)工作急需解決；接下來(lái)理論驗(yàn)證就要通過(guò)全面比較軸承外置式和軸承內(nèi)置式兩種滾筒得出結(jié)論：改向滾筒的設(shè)計(jì)理念具有一定的優(yōu)越性，同時(shí)還要找出這種理念下存在的問(wèn)題及不完美的地方。綜合所有信息對(duì)改向滾筒設(shè)計(jì)進(jìn)行整體的評(píng)價(jià)[3]。

帶式輸送機(jī)在進(jìn)行常規(guī)作業(yè)時(shí)，改向滾筒在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中擔(dān)負(fù)著端部變更運(yùn)輸方向的角色和增加輸送帶在傳動(dòng)滾筒上的包角， 同時(shí)利用改向滾筒拉緊裝置從而達(dá)到張緊效果，實(shí)現(xiàn)其作用。在這三種功能作用不同的情況下，人們之所以稱其為改向滾筒，是由于改向的功能體現(xiàn)在不同位置上，同時(shí)滿足改向滾筒的受力分析，其承擔(dān)的壓力及摩擦力僅來(lái)自其上部的張緊力，并且不會(huì)受到來(lái)自主動(dòng)力方向力的作用。出于對(duì)以上兩點(diǎn)的考慮，在輪轂和軸中間放置軸承，避免軸隨整個(gè)滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此方法既可以實(shí)現(xiàn)改向滾筒的作用，還起到固定軸的作用，有利于實(shí)現(xiàn)整體滾筒的定位及受力強(qiáng)度的平衡[4]。

結(jié)合以往常用軸承外置式滾筒結(jié)構(gòu)，以及基于創(chuàng)新的想法，現(xiàn)在所設(shè)計(jì)的軸承內(nèi)置式改向滾筒新結(jié)構(gòu)由軸座、軸、筒皮、接盤、軸承、透蓋、密封圈Ⅰ和密封圈Ⅱ構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1：

圖1 新型改向滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)軸承座時(shí)，借鑒聯(lián)軸器的連接方式，在兩端軸座與軸之間采用鍵連接，接盤由輻板和輪轂兩部分結(jié)構(gòu)通過(guò)焊接技術(shù)使之成為一體結(jié)構(gòu)，接盤與筒皮的連接方式則采用現(xiàn)如今比較可靠的埋弧焊接方式焊接而成，新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中接盤與透蓋通過(guò)螺栓連接，接盤與軸承采用過(guò)盈配合，軸承與軸也是采用過(guò)盈配合，配合尺寸滿足接盤的內(nèi)徑比軸的外徑大，透蓋的內(nèi)徑比軸的外徑大，而軸承則設(shè)計(jì)于接盤的內(nèi)部，透蓋的主要任務(wù)是用來(lái)保證內(nèi)部軸承的干凈不被污染，為了防止雜質(zhì)等進(jìn)入軸承，保障軸承的壽命，密封的作用則尤為重要，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了兩個(gè)密封圈，（如圖2）密封圈Ⅰ設(shè)在接盤與軸之間，密封圈Ⅱ設(shè)在透蓋與軸之間。

圖2 新型改向滾筒局部示意圖

由上述本實(shí)用新型的技術(shù)方案可以看出，文章所述的新型改向滾筒，在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)軸承外置式改向滾筒的結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易合理，同時(shí)在生產(chǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用上更為簡(jiǎn)便，對(duì)提高產(chǎn)量以及現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用測(cè)試等操作提供了極大地空間和便利。新型改向滾筒的受力分析[5]：改向滾筒受力為：輸送帶所受的張緊力引起的對(duì)改向滾筒的壓力P和兩者之間的摩擦力Ff。兩種滾筒受力相比，新型改向滾筒比傳統(tǒng)滾筒少受到一個(gè)主動(dòng)力矩的作用。

在傳統(tǒng)滾筒進(jìn)行受力分析的過(guò)程中可以得知，筒皮中點(diǎn)被視為筒皮的危險(xiǎn)處，同時(shí)在輪轂輻板附近位置有較大的應(yīng)力，無(wú)論從現(xiàn)場(chǎng)使用情況還是從經(jīng)驗(yàn)方面，能夠滿足輻板附近位置的筒皮強(qiáng)度即可，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)狀態(tài)來(lái)選擇型號(hào)，并且仔細(xì)確認(rèn)參數(shù)，接下來(lái)即可利用有限元分析軟件展開模擬滾筒的現(xiàn)場(chǎng)操作。

在進(jìn)行滾筒設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)員們就全面注意滾筒性能方面的穩(wěn)定可靠，滾筒運(yùn)行過(guò)程中保證筒體運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)保證軸不轉(zhuǎn)，在任何情況下，都要保證筒體、軸、軸承及軸承座可以在同一圓心下運(yùn)行。載負(fù)力始終由兩個(gè)軸承均勻受載。相較于傳統(tǒng)通用的改向滾筒兩邊的軸承和軸承座，都設(shè)置在滾筒體兩側(cè)外面的軸端處，筒體通過(guò)軸和軸承以及軸承座與輸送機(jī)的鋼架相連接有更大的優(yōu)越性。傳統(tǒng)的軸承外置式改向滾筒，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)筒體和軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)軸承座的安裝定位，正確性要求很高，稍不注意，就容易出現(xiàn)偏心，使得軸和軸承，軸承座三者不在同一個(gè)圓心上，軸承上受力就容易偏離軸承的中心線，增加了軸承的旋轉(zhuǎn)阻力，容易造成軸承的局部磨損加速導(dǎo)致軸承的損壞。另一個(gè)細(xì)節(jié)就是為了糾正皮帶跑偏現(xiàn)象不得不改變改向滾筒原有的定位點(diǎn)，容易使得軸承受力點(diǎn)偏移，造成軸承損壞。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的滾筒結(jié)構(gòu)，不論在何種工況下，軸，軸承，軸承座都在同一個(gè)圓心上運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了旋轉(zhuǎn)阻力，降低了材料消耗和制造成本，降低運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的能量消耗，延長(zhǎng)了軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，保持了良好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，安全可靠性高。

參考文獻(xiàn)

[1]張亮有，董萌.帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[J].山西科技，2007（3）：123-124.

[2]李克信，平建明，劉曙輝，等.帶式輸送機(jī)換向滾筒結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)[J].中州煤炭，1999（5）：31-32.

[3]Callaghan.Advances in the design of mechanical conveyors[J].Bulk Solids Handling，1994（2）：255-281.

[4]陳志杰.可調(diào)式內(nèi)軸承改向滾筒[P].中國(guó)專利：92215888.6，1993.

[5]楊好志，馬魁文.帶式輸送機(jī)全焊改向滾筒強(qiáng)度分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2007（7）：65-67.