基于CATIA 的DSJ80/40/2 型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒模態(tài)分析

陳宇旋

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦選煤廠， 山西 古交 030203）

引言

帶式輸送機(jī)也稱皮帶機(jī)，是一種性能優(yōu)異的具有撓性牽引構(gòu)件的物料輸送設(shè)備，帶式輸送機(jī)主要由兩個(gè)端點(diǎn)滾筒以及緊套于其上的輸送帶組成，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且具有運(yùn)輸能力大、噪音小、能耗低、安裝與拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦開采、化工、交通、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)[1-2]。

帶式輸送機(jī)在散料輸送方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)輸送設(shè)備，其效率高、使用成本低且維護(hù)方便。驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)一般被安裝于輸送機(jī)的卸料端，由此可以增加驅(qū)動(dòng)力，有利于皮帶的拖動(dòng)。帶式輸送機(jī)滾筒由于常受到物料不斷的沖擊載荷，更容易產(chǎn)生故障，滾筒為一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，存在旋轉(zhuǎn)振動(dòng)問題，本文從DSJ80/40/2 型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒入手，分析滾筒的前四階固有頻率，為皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、可靠性研究提供重要參考，對(duì)提高滾筒可靠性具有重要意義[3]。

1 帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒介紹

帶式輸送機(jī)主要結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)裝置（通常為電機(jī)）、皮帶張緊器、滾筒、托輥、滾筒以及中間架等組成，本文研究的對(duì)象為DSJ80/40/2 型帶式輸送機(jī)滾筒，實(shí)物如圖1 所示。已知滾筒直徑為630 mm，滾筒長(zhǎng)度1 150 mm。該滾筒為鑄焊結(jié)構(gòu)滾筒，該型結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于帶式輸送機(jī)中[4]。

鑄焊結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是滾筒軸與輪轂之間依靠脹套進(jìn)行連接，使得結(jié)構(gòu)在輪轂與副板精密連接，避免使用焊縫。由于焊縫的過量使用可能會(huì)導(dǎo)致滾筒內(nèi)部應(yīng)力集中比較明顯，且不容易消除，因此在使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)破壞[5-6]。

圖1 DSJ80/40/2 型帶式輸送機(jī)滾筒

2 滾筒有限元分析模型建立

采用CATIA 軟件建立滾筒的三圍模型，CATIA具有強(qiáng)大的建模能力，且在有限元軟件之間文件對(duì)接比較方便，模型參數(shù)互通。DSJ80/40/2 型帶式輸送機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)為輸送機(jī)送能力為Q=1 600 t/h；主要輸送介質(zhì)為散煤，煤料的堆積密度為ρ=900 kg/m3；輸送機(jī)機(jī)長(zhǎng)L=130m，最大提升高度H=8.0 m；包圍角θ=190°，下托輥間距2 500 mm，帶寬B=1 000 mm，帶速v=5 m/s，滾筒的摩擦系數(shù)μ=0.35，堆積角?=25°，輸送帶上單位長(zhǎng)度煤炭質(zhì)量qR=14 kg/m。

滾筒的主體結(jié)構(gòu)采用Q235 材料，其中筒皮、輻軸、輪轂材料Q235，鑄造接盤為ZG230-450，表1 所示為兩種材料的材料屬性。

表1 傳動(dòng)滾筒的材料參數(shù)

將創(chuàng)建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，由于滾筒是裝配體，且形狀并不規(guī)整，使用四面體網(wǎng)格、自由網(wǎng)格劃分法劃分網(wǎng)格，設(shè)置最小網(wǎng)格尺寸為10 mm，鑄焊滾筒共生成315 212 個(gè)單元，生成112 314 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 載荷工況與邊界條件

在進(jìn)行滾筒載荷的計(jì)算時(shí)，對(duì)模型所有的載荷進(jìn)行近似簡(jiǎn)化處理。將皮帶對(duì)滾筒的作用力劃分為不同的區(qū)域求均值，滾筒所受徑向載荷沿軸向方向的分布可視為均布，從而將滾筒包圍角滑動(dòng)弧部分劃分為10 個(gè)區(qū)域，如圖2 所示，每段區(qū)域內(nèi)所受的壓力取平均值。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

已知S1=30.5 kN，由公式S1=12.5e0.35θ計(jì)算得到θ≈146°，每個(gè)小弧段為14.6°。根據(jù)滾筒徑向張力計(jì)算公式，根據(jù)徑向與軸向力的關(guān)系，可以得到滾筒的徑向載荷S 與輸送帶圍包角θ 之間的函數(shù)關(guān)系，Sθ=12.5e0.35θ，由MATLAB 繪制了壓力與輸送機(jī)包角關(guān)系圖，如圖3 所示，載荷設(shè)定時(shí)，直接以函數(shù)形式表達(dá)。

圖3 滾筒不同位置壓力值

根據(jù)滾筒所受的實(shí)際邊界條件進(jìn)行施加約束，在靜強(qiáng)度分析時(shí)，視滾筒為靜止部件，在滾筒軸設(shè)置支撐固定約束，設(shè)置自由度為0。

4 滾筒模態(tài)分析

以滾筒為分析對(duì)象計(jì)算了滾筒的四階模態(tài)，考慮到滾筒的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速率以及求解的便利性，只取前四階模態(tài)。滾筒作為一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其自身的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性、使用壽命產(chǎn)生較大影響。為了探究DSJ80/40/2 型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率可能存在的耦合關(guān)系，對(duì)于滾筒的模態(tài)分析是非常有必要的。

模態(tài)分析是一種動(dòng)力特性研究方法，其中，模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，用以研究結(jié)構(gòu)在不同激振頻率下的響應(yīng)情況，每一個(gè)模態(tài)都有特定的n 階固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，模態(tài)分析主要是研究結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。

為了使分析更加準(zhǔn)確，根據(jù)滾筒實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)情況施加載荷與約束，根據(jù)皮帶對(duì)滾筒的作用力十個(gè)區(qū)域劃分，施加徑向作用力。然后釋放滾筒軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其余5 個(gè)自由度均設(shè)為0，經(jīng)過約束模態(tài)分析計(jì)算，求解了滾筒的前四階模態(tài)，但由于篇幅所限，只列出第一、第四階模態(tài)，如圖4、圖5 所示。5 分析結(jié)果

圖4 滾筒第一階模態(tài)振型

圖5 滾筒第四階模態(tài)振型

最后分析得到一階模態(tài)固有頻率為144.2 Hz，幅值為47.3 mm，第二階模態(tài)固有頻率為284.1 Hz，幅值102 mm，第三、四階模態(tài)固有頻率為286.3 Hz、298.0 Hz，幅值為52.7 mm、49.8 mm，計(jì)算與分析得到了滾筒的四階固有頻率。從理論計(jì)算的結(jié)果來看，第二階固有頻率危害最大，因?yàn)榈诙A振型的幅值最大為102 mm。根據(jù)帶式輸送機(jī)實(shí)際的使用情況來看，單從滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率來看，不會(huì)達(dá)到自身結(jié)構(gòu)的共振，但是應(yīng)考慮物料對(duì)于滾筒的沖擊載荷，所以研究提高滾筒自身結(jié)構(gòu)的固有頻率也是可靠性研究的一個(gè)方面。