連續(xù)皮帶機(jī)設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：本文對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括皮帶機(jī)中的輸送帶、托輥、支架等關(guān)鍵組件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，給出了三類關(guān)鍵組件的外形尺寸、配置距離，并給出許用力、許用面積、許用應(yīng)力3個(gè)校核模型。在仿真試驗(yàn)過(guò)程中，以許用應(yīng)力校核模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行連續(xù)皮帶機(jī)的應(yīng)力和應(yīng)變分析。結(jié)果顯示，輸送帶底部中間區(qū)域、托輥和支架整體都是承受應(yīng)力、產(chǎn)生應(yīng)變較大的關(guān)鍵位置，在皮帶機(jī)的使用中要加以注意，以提升皮帶機(jī)的安全性。

關(guān)鍵詞：皮帶機(jī)；連續(xù)設(shè)計(jì)；托輥組件；支架組件

中圖分類號(hào)：U 45" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在大型礦區(qū)中，物料運(yùn)輸是非常重要的工作，不僅關(guān)乎礦區(qū)作業(yè)安全，而且也影響礦產(chǎn)挖掘和產(chǎn)出的效率[1]。采用專用車輛進(jìn)行運(yùn)輸是一種解決方案，但是車輛運(yùn)載能力有限，單次運(yùn)輸效率低，需要配置大量運(yùn)輸車才能完成任務(wù)，不僅加大作業(yè)成本，而且也需要周邊良好的交通環(huán)境作為支撐。因此，采用皮帶機(jī)的連續(xù)傳動(dòng)方式完成運(yùn)輸，是一種更穩(wěn)妥、更有效的解決方案[2]。皮帶機(jī)不僅工作原理簡(jiǎn)單，而且運(yùn)載量大、運(yùn)輸效率高，在礦區(qū)內(nèi)布置完成后可以連續(xù)工作，大大提升物料運(yùn)輸?shù)男Ч?。?dāng)然，礦區(qū)的運(yùn)輸距離一般都比較長(zhǎng)，需要加長(zhǎng)皮帶機(jī)的皮帶長(zhǎng)度、提升關(guān)鍵零件的強(qiáng)度并完成連續(xù)化設(shè)計(jì)，這樣才能有效地承擔(dān)礦區(qū)的運(yùn)輸任務(wù)。皮帶機(jī)連續(xù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于皮帶組件、托輥組件、支架組件的強(qiáng)度滿足要求，能夠適應(yīng)運(yùn)輸過(guò)程中的各種受力和沖擊[3]?；谶@種考慮，本文展開(kāi)連續(xù)皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)工作，并對(duì)其關(guān)鍵組件的受力、變形等情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 連續(xù)皮帶機(jī)設(shè)計(jì)及校核

從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，皮帶機(jī)包括皮帶組件、托輥組件、支架組件，其相互配合關(guān)系的結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖1所示。

為了承載物料運(yùn)輸，輸送帶必須具有一定的寬度和長(zhǎng)度。同時(shí)，輸送帶的2個(gè)側(cè)面要進(jìn)行上翹設(shè)計(jì)，這可以防止中間輸送帶邊緣處的物料在運(yùn)輸過(guò)程中散落。為了提升輸送帶的運(yùn)輸效率，輸送帶的下方要配置托輥，它是一種內(nèi)部中空的圓柱，安裝后可以較靈活地旋轉(zhuǎn)和滾動(dòng)。它既有托舉輸送帶的支撐效果，又可以通過(guò)自身的滾動(dòng)助力輸送帶不斷運(yùn)送。支架主要發(fā)揮支撐作用，可以給輸送帶整體一個(gè)比較合適的高度。

皮帶機(jī)的連續(xù)設(shè)計(jì)就是在輸送帶長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況下，每隔一定的距離就要設(shè)置支架和托輥，以提升輸送帶的強(qiáng)度，保障物料運(yùn)輸過(guò)程的安全性。

在本文的設(shè)計(jì)工作中，結(jié)合輸送帶自身的強(qiáng)度，每隔1000mm布置1個(gè)支架，支架的最大跨度為1000mm，支架的支撐高度設(shè)定為300mm，支架的直徑設(shè)定為20mm。托輥?zhàn)鳛橐粋€(gè)圓柱體，內(nèi)部直徑設(shè)定為50mm，外部直徑設(shè)定為100mm，內(nèi)部中空，單個(gè)托輥的長(zhǎng)度設(shè)定為200mm。輸送帶的厚度為20mm。

為了校驗(yàn)連續(xù)皮帶機(jī)設(shè)計(jì)中的皮帶組件、托輥組件、支架組件是否安全，采用以下3種校核法。1）受力校核法。即檢驗(yàn)皮帶機(jī)中關(guān)鍵組件的實(shí)際承受力是否小于該組件制造材質(zhì)所能承受的許用力。這種方法一般是在已知組件承受應(yīng)力、組件受力面積大小的情況下實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)組件承受應(yīng)力和組件受力面積大小相乘計(jì)算出組件實(shí)際承受力，再與組件材質(zhì)的許用力進(jìn)行比較。如果組件實(shí)際承受力小于材質(zhì)的許用力，那么皮帶機(jī)就是安全的，可以繼續(xù)運(yùn)行。如果組件實(shí)際承受力大于材質(zhì)的許用力，那么皮帶機(jī)就是不安全的，需要停機(jī)檢修。2）受力面積校核法。即檢驗(yàn)皮帶機(jī)中關(guān)鍵組件的受力面積是否小于該組件的許用受力面積。這種方法一般是在已知組件承受應(yīng)力、組件實(shí)際受力的情況下實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)組件實(shí)際受力和組件承受應(yīng)力相除計(jì)算出組件實(shí)際受力面積的大小，再與組件的許用受力面積進(jìn)行比較。如果組件實(shí)際受力面積小于許用受力面積，那么皮帶機(jī)就是安全的，可以繼續(xù)運(yùn)行。如果組件實(shí)際受力面積大于許用受力面積，那么皮帶機(jī)就是不安全的，需要停機(jī)檢修。3）應(yīng)力校核法。即檢驗(yàn)皮帶機(jī)中關(guān)鍵組件的承受應(yīng)力是否小于該組件的許用應(yīng)力。這種方法一般是在已知組件受力面積大小、組件實(shí)際受力的情況下實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)組件實(shí)際受力和組件受力面積相除計(jì)算出組件實(shí)際應(yīng)力的大小，再與組件的許用應(yīng)力進(jìn)行比較。如果組件實(shí)際應(yīng)力小于許用應(yīng)力，那么皮帶機(jī)就是安全的，可以繼續(xù)運(yùn)行。如果組件實(shí)際應(yīng)力大于許用應(yīng)力，那么皮帶機(jī)就是不安全的，需要停機(jī)檢修。

2 連續(xù)皮帶機(jī)的應(yīng)力仿真分析

在接下來(lái)的工作中，將借助有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的連續(xù)皮帶機(jī)進(jìn)行應(yīng)力仿真分析。在分析過(guò)程中，對(duì)皮帶組件、托輥組件、支架組件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，見(jiàn)表1。

在表1配置的各項(xiàng)參數(shù)下，對(duì)圖1中給出的連續(xù)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)的一部分應(yīng)力分布進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，深色代表的區(qū)域應(yīng)力較大，淺色代表的區(qū)域應(yīng)力較小。當(dāng)物料均勻排布于輸送帶表面時(shí)，輸送帶組件上的應(yīng)力主要集中在底部的中間區(qū)域，而兩側(cè)斜坡的輸送帶上，也有較為集中的應(yīng)力分布。

與輸送帶相比，托輥組件、支架組件都呈現(xiàn)整體為深色的效果，這也表明托輥組件、支架組件在輸送過(guò)程中都承受了較大、較集中的應(yīng)力。當(dāng)然，這些應(yīng)力的分布都沒(méi)有超出許用應(yīng)力的范圍，皮帶機(jī)處在安全的工作范圍內(nèi)。

考慮支架和輸送帶接觸的位置，兩類組件的應(yīng)力都比較大且集中，這是連續(xù)皮帶機(jī)能否安全工作的關(guān)鍵位置。在這一位置設(shè)置剖面，觀察剖面內(nèi)的應(yīng)力曲線變化。這時(shí)的應(yīng)力變化情況又分為2組，一組是剖面內(nèi)的支架組件的應(yīng)力變化。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，剖面內(nèi)支架組件的應(yīng)力分布以中心位置為分界線，呈現(xiàn)大致對(duì)稱的分布形態(tài)。越靠近中心位置的區(qū)域，應(yīng)力越大，越遠(yuǎn)離中心位置的區(qū)域，應(yīng)力越小。并且，這一組應(yīng)力變化曲線在托輥組件支撐的臨界位存在突變。因此，導(dǎo)致應(yīng)力曲線的整體變化并不具有完全連續(xù)的、一致的趨勢(shì)。剖面內(nèi)支架組件應(yīng)力變化曲線如圖3所示。另一組是剖面內(nèi)的輸送帶組件的應(yīng)力變化。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，剖面內(nèi)輸送帶組件的應(yīng)力分布也是以中心位置為分界線，呈現(xiàn)大致對(duì)稱的分布形態(tài)?？拷行奈恢玫膮^(qū)域應(yīng)力較小，這與此位置受力主要被托輥組件、支架組件分擔(dān)有關(guān)。在托輥組件配合的空隙位置，托輥組件、支架組件與輸送帶脫離接觸無(wú)法承擔(dān)更大的受力，從而使輸送帶的應(yīng)力增大。但因?yàn)檩斔蛶П旧砭哂休^強(qiáng)的彈性模量，所以應(yīng)力曲線的變化還是非常光滑的，呈現(xiàn)類似正弦曲線的形態(tài)。剖面內(nèi)輸送帶組件應(yīng)力變化曲線如圖4所示。

3 連續(xù)皮帶機(jī)的應(yīng)變仿真分析

在表1配置的各項(xiàng)參數(shù)下，對(duì)圖1中給出的連續(xù)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)的一部分應(yīng)變分布進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，深色代表的區(qū)域應(yīng)變較大，淺色代表的區(qū)域應(yīng)變較小。當(dāng)物料均勻排布于輸送帶表面時(shí)，輸送帶組件上的應(yīng)力主要集中在底部的中間區(qū)域，而兩側(cè)斜坡的輸送帶上也有較為集中的應(yīng)力分布。但與圖2中的應(yīng)力分布相比，輸送帶底部集中的區(qū)域縮小了，并且有向邊緣延伸的跡象。

與輸送帶相比，托輥組件、支架組件都呈現(xiàn)整體深色的效果，這也表明托輥組件、支架組件在輸送過(guò)程中產(chǎn)生了較大的應(yīng)變，并且與它們所受的應(yīng)力大小是一致的。

仍然采用應(yīng)力分析時(shí)設(shè)置的剖面，即支架和輸送帶接觸的位置，觀察剖面內(nèi)支架組件的應(yīng)變分布情況。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，剖面內(nèi)支架組件的應(yīng)變分布以中心位置為分界線，呈現(xiàn)大致對(duì)稱的分布形態(tài)。遠(yuǎn)離中心位置的區(qū)域應(yīng)變較小，接近0，接近中心位置的區(qū)域應(yīng)變較大，但應(yīng)變最大的區(qū)域出現(xiàn)在托輥組件配合的空隙位置。剖面內(nèi)支架組件應(yīng)變變化曲線如圖6所示。

觀察剖面內(nèi)的輸送帶組件的應(yīng)變變化發(fā)現(xiàn)，剖面內(nèi)輸送帶組件的應(yīng)變分布也以中心位置為分界線，呈現(xiàn)大致對(duì)稱的分布形態(tài)?？拷行奈恢玫膮^(qū)域應(yīng)變較小，這與此位置受力主要被托輥組件、支架組件分擔(dān)有關(guān)。在托輥組件配合的空隙位置，因?yàn)橥休伣M件、支架組件與輸送帶脫離接觸無(wú)法承擔(dān)更大的受力，所以輸送帶的應(yīng)變?cè)龃?。但因?yàn)檩斔蛶П旧砭哂休^強(qiáng)的彈性模量，所以應(yīng)變曲線的變化還是非常光滑的，呈現(xiàn)類似正弦曲線的形態(tài)。剖面內(nèi)輸送帶組件應(yīng)變變化曲線如圖7所示。

對(duì)比圖4和圖7可知，剖面內(nèi)輸送帶組件的應(yīng)力和應(yīng)變變化曲線的形態(tài)是比較接近的。

4 結(jié)語(yǔ)

礦區(qū)的運(yùn)輸距離一般都比較長(zhǎng)，需要加長(zhǎng)皮帶機(jī)的皮帶長(zhǎng)度、提升關(guān)鍵零件的強(qiáng)度、完成連續(xù)化設(shè)計(jì)才能有效地承擔(dān)礦區(qū)的運(yùn)輸任務(wù)。皮帶機(jī)連續(xù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于皮帶組件、托輥組件、支架組件的強(qiáng)度滿足要求，能夠適應(yīng)運(yùn)輸過(guò)程中的各種受力和沖擊。本文分別對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)的關(guān)鍵組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用許用應(yīng)力的校核方法，在有限元仿真平臺(tái)下對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行仿真分析，相關(guān)結(jié)果可以為礦區(qū)皮帶機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參考。

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