皮帶機(jī)托輥受力的有限元計(jì)算

李妙紅　王英娜

摘 要：帶式輸送機(jī)是當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用最廣泛的輸送設(shè)備之一，被廣泛應(yīng)用于水電站、煤炭等領(lǐng)域。而托輥又是帶式輸送機(jī)最主要的承載部件，其數(shù)量相當(dāng)多，且承受著絕大部分的載荷。因此，托輥在帶式輸送機(jī)中的地位顯得尤其重要。

關(guān)鍵詞：托輥；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；有限元法；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TM621.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1006-8937（2015）23-0063-02

因?yàn)楝F(xiàn)代科技的發(fā)展和將來對煤的需求將增大，煤礦的產(chǎn)量就要相應(yīng)的提高，那么，帶式輸送機(jī)的輸送量要提升。如果將帶式輸送機(jī)的輸送量提高，而不改變帶寬，那么就得提高托輥的承受力。在1 000 N或750 N或522.34 N或250 N不同情況下來對托輥受力進(jìn)行有限元的計(jì)算及對托輥受力進(jìn)行分析，促使對托輥受力相對應(yīng)的應(yīng)力或應(yīng)變有更直觀的認(rèn)識(shí)。

1 有限元計(jì)算的模型

實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，托輥載荷分為兩種：一種為動(dòng)載荷，另一種為靜載荷?，F(xiàn)今托輥載荷運(yùn)算還存在著缺陷，其載荷的運(yùn)行規(guī)則還不能被認(rèn)知。物料或輸送帶的正壓力是托輥靜載荷的主要考量對象。帶式輸送機(jī)存在著平行托輥及V型托輥安裝位置的兩種方式。托輥方式中受力排行第一的是平行托輥，運(yùn)用于物料的傳送或物料的承載。在運(yùn)行過程中，因?yàn)榱Φ钠胶庠恚休伒膲毫χ饕a(chǎn)生在皮帶及承受的物料。其壓力的受力方向和托輥的橫截面呈直角，視覺來講可為正壓力。托輥因?yàn)殚L期的正壓力，會(huì)讓托輥及輸送帶進(jìn)行摩擦并會(huì)有相當(dāng)程度的磨損，或者正壓力的作用將托輥?zhàn)冃危②呌诔潭仍龃?，致使?dòng)載荷及振動(dòng)的產(chǎn)生，影響其運(yùn)行的平穩(wěn)性，并致使效率變小。綜上所述，托輥的設(shè)計(jì)要能夠承受一定的強(qiáng)度，同時(shí)能承受一定的剛度。

筆者采用平行托輥中間受力最大來研究試驗(yàn)來核算，其軸承來制約托輥的兩側(cè)，那么其能夠通過物料及輸送帶形成F=522 N的正壓力。忽略托輥圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力而形成的扭矩，因其扭矩非常微小，不會(huì)影響系統(tǒng)的靜力分析。對于相當(dāng)于522 N的靜態(tài)工作載荷下的位移及應(yīng)力通過有限元分析軟件ANSYS來分析，對應(yīng)出金屬托輥及尼龍托輥在力學(xué)上表現(xiàn)出的不同性能。想要更快的找到其最為重要的影響因素，簡化了在有限元模型，并對其進(jìn)行虛擬：①擬定不管是尼龍還是鑄鐵的托輥在連續(xù)、均勻及向同性，沒有任何的缺陷。②擬定托輥沒有任何的壓力來讓其變形或有彈性。③擬定托輥因?yàn)閮啥说妮S并其軸結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，同時(shí)有軸的支持，整個(gè)運(yùn)行過程為剛性約束只存在凈力分析。④忽略單元節(jié)點(diǎn)合力，擬定母線的布力為正壓力。⑤忽略不計(jì)托輥重量。其分析運(yùn)用的托輥尺寸或材料參數(shù)，見表1。

通過有限元法分析，要注重選擇單元類型及劃分網(wǎng)格。含有8個(gè)六面體單元節(jié)點(diǎn)來定義的是Solid45單元，各個(gè)節(jié)點(diǎn)含有UX、UY、UZ三個(gè)自由度。能夠承受住任何復(fù)雜載荷的是501id45單元，一般用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的模擬，這里用于模擬托輥的承受力情形（因?yàn)橥休伈牧献冃危?。把托輥立體模型建立在系統(tǒng)中，托輥要通過SOlid45單元區(qū)分為18 600個(gè)不同的單元。把有限元模型的基本調(diào)劑進(jìn)行虛擬并簡化，托輥通過載荷運(yùn)行的約束調(diào)劑。

2 工作載荷下托輥的計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 托輥的最大應(yīng)力和最大位移

尼龍托輥的最大當(dāng)量應(yīng)力即最大應(yīng)力值是7.06 MPa，在托輥的當(dāng)中位置體現(xiàn)出來。尼龍托輥的最大應(yīng)力其分布特點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一種是從當(dāng)中位置相兩側(cè)承受力慢慢變小，另一種是距離越遠(yuǎn)離承受力的位置其應(yīng)力也越來越小。在尼龍托輥的當(dāng)中位置位移也是最大表現(xiàn)為0.489 mm，也是撓度變形最大位置。在現(xiàn)實(shí)中和幾何尺寸做比較，應(yīng)變越小有越小的變形。

金屬托輥當(dāng)量應(yīng)力即最大應(yīng)力為28.3 MPa，在托輥的當(dāng)中位置體現(xiàn)出來。而金屬托輥當(dāng)中位置也是發(fā)生最大變形的部分為0.0779 mm。根據(jù)相類比，在運(yùn)行載荷的工作中，其托輥的位移都小于1 mm，都非常小，表明其兩種托輥在運(yùn)行時(shí)，都不容易撓曲變形，其托輥剛度狗強(qiáng)硬。金屬托輥?zhàn)畲笫芰Ρ饶猃埻休佉?1.24 MPa。通過比較得出，外直徑及載荷一樣的情況下，金屬托輥5 mm和尼龍托輥12 mm的壁厚，明顯表示出尼龍托輥承載能力更高，能夠減少托輥外表的應(yīng)力。

2.2 托輥的徑向膨脹與收縮

在經(jīng)線0 ？觷位置左右，正壓力施力位置徑向的縮小會(huì)發(fā)生，而在經(jīng)線±900位置左右，會(huì)有漲大現(xiàn)象的發(fā)生，這是物料和輸送帶對托輥實(shí)施正壓力的結(jié)果。托輥的壽命或工作效率或穩(wěn)定性都與托輥正壓力下所產(chǎn)生的徑向的縮小及漲大所導(dǎo)致托輥圓周發(fā)生變形有直接關(guān)系。

托輥徑向形狀改變-0.0779～0.0433 mm徑向位移的是金屬托輥，而-0.489～0.272 mm徑向位移的是尼龍托輥。在因物料與輸送帶之間正壓力相同的情況下，金屬托輥比尼龍托輥產(chǎn)生的徑向位移小，那么金屬托輥的剛度要大于尼龍托輥。相對來說，不論是金屬托輥還是尼龍托輥其徑向變形都是很小的，能夠保障托輥能夠有效在載荷下正常運(yùn)行。

3 不同載荷下托輥的應(yīng)力和位移

擬定在不同正壓力的運(yùn)載下來計(jì)算金屬托輥或尼龍托輥的位移及應(yīng)力，來能夠更好的對托輥的承受力的認(rèn)識(shí)。

即別的條件不發(fā)生變化，只是正壓力擬定為250 N、522 N、750 N、1 000 N。國家標(biāo)準(zhǔn)測試是250 N情況下的托輥的載荷下，托輥的性能表現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)中托輥的載荷在522 N正常的性能表現(xiàn)，其他將會(huì)是虛擬托輥在超載情況下其托輥的性能表現(xiàn)。

根據(jù)前面的的相關(guān)描述，將計(jì)算出最大位移值及最大當(dāng)量應(yīng)力值并根據(jù)其計(jì)算結(jié)果描繪成曲線圖，如圖1、圖2所示。

根據(jù)曲線的走勢可以看出，載荷變化以外，別的條件不發(fā)生變化，載荷和托輥的應(yīng)力或位移成正比，載荷增大，其他相應(yīng)增大，只是增加的量不一樣。金屬托輥要比尼龍托輥的最大應(yīng)力小，而金屬托輥比尼龍托輥的位移變化要小。根據(jù)圖表分析可以看出，尼龍托輥除了徑向變形量比金屬托輥要變化大外，別的各性能都要比金屬托輥有進(jìn)步和改善。因此，金屬托輥在技術(shù)上被尼龍托輥來取代是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張世珍.帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化方法的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2012.

[2] 楊惠子.波狀擋邊帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)方法的若干問題研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011.

[3] 龔博.圓管帶式輸送機(jī)受力狀態(tài)的分析方法研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2012.