帶式輸送機傳動滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

曹志森

（安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

傳動滾筒是帶式輸送機的重要部件， 它主要是實現(xiàn)對輸送帶的驅(qū)動作用， 其壽命及使用性能對帶式輸送機具有直接的影響［1］。 當(dāng)帶式輸送機在復(fù)雜的工作環(huán)境下長期運轉(zhuǎn)時， 傳動滾筒在受到圓周方向的剪切力和交變循環(huán)的徑向壓應(yīng)力、 拉應(yīng)力的作用時，可能造成傳動滾筒焊縫的破壞，導(dǎo)致傳動滾筒失效［2］。 實踐表明，通過增加輻板厚度或筒殼的厚度來增加安全系數(shù)往往達(dá)不到避免滾筒失效的目的，反而還有促進裂紋的生成的可能性， 從而降低了傳動滾筒的使用壽命，且增大了滾筒質(zhì)量，而可靠性并沒有明顯提高，更無法減小滾筒的最大變形。 目前，為了減小筒殼變形帶來的應(yīng)力破壞， 在其內(nèi)壁的中部位置增設(shè)增強環(huán)是有效的方法之一。 本文采用ANSYS 軟件分析添加增強環(huán)對殼體變形量的影響，旨在為傳動滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

1 傳動滾筒模型的建立及有限元仿真的分析

1.1 傳動滾筒的模型參數(shù)設(shè)置

用Solidworks 建立傳動滾筒三維模型（圖1）。 傳動滾筒的尺寸如下：長度為1 400 mm，直徑為800 mm，筒皮厚為15 mm，帶寬為1 200 mm,輻板厚為30 mm，輻板間距為1 220 mm，筒轂外徑為430 mm。

1.2 傳動滾筒的網(wǎng)格劃分及材料參數(shù)的設(shè)置

采用四面體網(wǎng)格，主要研究筒體的變形。 對整體模型的網(wǎng)格大小設(shè)置為25 mm。 最終的網(wǎng)格劃分如圖1 所示。 為了避免筒殼變形帶來的應(yīng)力破壞，筒皮和輻板選用Q235A 鋼，其密度是7 860 kg/m3，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.288；筒轂選用ZG230-450，其密度為7 830 kg/m3，彈性模量為2.10×1011Pa,泊松比為0.311；輸送帶材質(zhì)為PVC，其彈性模量為3.5×109Pa，密度為1 400 kg/m3，泊松比為0.38。

圖1 傳動滾筒有限元網(wǎng)格劃分

1.3 傳動滾筒的受力分析和計算

在筒轂內(nèi)圓柱面施加扭矩， 對該圓柱面進行約束，限制3 個方向的平移運動和2 個方向的轉(zhuǎn)動，兩端的約束是相同的。 在正常工作條件下，接觸弧內(nèi)存在著靜止弧和滑動弧， 在靜止弧段滾筒受輸送帶的壓力，在滑動弧段壓力和摩擦力都存在。 而輸送帶在分離點處的拉力（即松邊拉力）保持不變，但隨著輸送帶負(fù)荷的不斷增加，靜止弧會越來越小，滑動弧會越來越大，直至滑動弧占至整個接觸弧。 如果負(fù)荷繼續(xù)增加，傳送帶就會打滑。 由于傳動滾筒的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，計算時做如下簡化：忽略小圓角和倒角，將輸送帶設(shè)為剛體，忽略筒殼包角對滾筒強度和剛度的影響。 輸送帶在滾筒的整個圓弧上不發(fā)生滑動時電機的最大功率P 為500 kW， 帶速v 為3.5 m/s，則

式中：F1為輸送帶緊邊的拉力；F2為輸送帶松邊的拉力；Fec為最大有效拉力；pmax為帶傳動所傳遞的最大功率；v 為傳送帶的速度；e 為自然對數(shù)；α 為包角；T 為轉(zhuǎn)矩；D 為滾筒直徑； f 為摩擦因數(shù)，取0.3。

包角α=π 時緊邊拉力F1=133 kN 和松邊拉力F2=91 kN， 這2 個拉力均勻添加在與滾筒接相觸的輸送帶上。

1.4 傳動滾筒的仿真結(jié)果及分析

利用ANSYS 軟件進行仿真，無增強環(huán)傳動滾筒的變形仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 傳動滾筒變形圖

由圖2 知，滾筒的最大變形為0.203 mm，最大變形部位位于筒殼中間位置。 滾筒變形會導(dǎo)致傳動滾筒焊縫破壞， 從而造成傳動滾筒失效而無法正常工作。因此，有必要對傳動滾筒中間最大變形位置處的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

2 傳動滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為提高傳動滾筒的可靠性， 采用增加支撐的方式對傳動滾筒的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。 為避免在增加支撐時損壞傳動滾筒的外部結(jié)構(gòu)， 采用在傳動滾筒內(nèi)壁添加增強環(huán)的措施進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化［5-6］。 即在傳動滾筒內(nèi)壁添加多個增強環(huán)， 中間的增強環(huán)設(shè)置在滾筒中部的最大變形處， 旁邊的2 個增強環(huán)等間距分布在中間的增強環(huán)兩側(cè)， 并將這3 個增強環(huán)焊接在滾筒內(nèi)壁上，優(yōu)化后滾筒的剖視圖如圖3 所示。

圖3 增強環(huán)優(yōu)化后的滾筒的剖視圖

3 添加增強環(huán)后的作用效果

將筒殼、輻板筒轂以及加強環(huán)處理成1 個零件，并按照與未添加增強環(huán)的仿真相同的步驟進行有限元仿真。 添加增強環(huán)后的傳動滾筒的變形仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 添加增強環(huán)后傳動滾筒的變形圖

由圖4 知， 添加增強環(huán)后， 筒體的最大變形為0.061 mm,變形最大位置出現(xiàn)在遠(yuǎn)離載荷處、中間增強環(huán)兩側(cè)的筒體下半部。 與未添加增強環(huán)傳動滾筒的最大變形量對比發(fā)現(xiàn), 在筒體中部添加增強環(huán)可以有效減小筒殼的變形。

4 結(jié)束語

通過對帶式輸送機傳動滾筒的有限元分析得到如下結(jié)論。

（1）無增強環(huán)的傳動滾筒的最大變形位置在傳動滾筒筒殼的中間位置。

（2）在傳動滾筒中添加增強環(huán)可以有效地減小傳動滾筒筒殼的最大變形量。