带式输送机传动滚筒的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀设计 中图分类号： 密级： 单位代码： 带式输送机传动滚筒的设计 of 姓 名 学 制 专 业 研究方向 导 师 职 称 论文提交日期 论文答辩日期 焦作大学 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 摘 要 ( ) ( ) 第一章 绪 论 (01) 述 (02) 动滚筒的研究目的和意义 (03) 内外研究现状 (04) 文研究的主要内容 (04) 第二章 带式输送机传动滚筒的结构 (05) 构与种类 (07) 行阻力 (10) 动滚筒轴功率 (10) 动理论 (13) 动滚筒的受力分析 (15) 第三章 传动滚筒的结构设计 (16) 筒失效形式与许用应力的确定 (18) 动滚筒结构设计 (30) 第四章 传动滚筒有限元模型的建立与结果分析 (31) 动滚筒有限元模型的建立 (35) 点耦合与约束方程 (37) 荷和约束 (38) 解和后处理 (39) 果分析 (41) 结论与建议 (42) 参考文献 (43) 致谢 设计图纸 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 带式输送机是现代最主要的散状物料输送设备之一。滚筒是带式输送机的主要传部件，它的作用有两个：一 是传递动力，二是改变输送带运行方向。带式输送机滚筒的设计质量，关系到整个输送机系统的性能、安全性和可靠性。目前，国内滚筒的设计一般采用近似公式，对于中小型滚筒已经能够满足工程需求，但对于大型滚筒这种设计方法其结果与工程实际有一定的差距，它的安全性和可靠性难以保障。由于缺乏精确的计算方法，如果盲目的增大安全系数，会使结构尺寸变大，重量增加，强度得不到显著的提高同时又增加了成本。 本文主要包括以下几方面内容：首先，对带式输送机滚筒结构的设计计算方法进行了分析研究，修正了有关计算公式，完善并统一了设计计算内容。其 次，滚筒采用实体单元，为了提高运算速度和精度，采用映射网格划分方式；分析并确定滚筒载荷；结果后处理对滚筒的各个部件的应力和应变进行分析。 本文关于带式输送机滚筒的设计计算方法具有一定的实用价值和指导意义，可以大大提高滚筒的设计质量，缩短设计的周期。 关键词 ： 带式输送机 传动滚筒 有限元 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is is It is is of At in of be of to of if we of t be of in to is on we on to 文档就送您 纸全 套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第一章 绪 论 述 连续输送机械是物料搬运机械的重要组成部分，是其中的一大类别。带式输送机是连续输送机械中效率最高、应用范围最广泛的一种机型，是散料输送的重要设备。带式输送机是以输送带作为牵引构件和承载构件的一种连续输送设备。输送带上的物料随输送带一起运行，根据需要可以在输送机头部或中间部位卸料1。输送带用托辊支撑，运行阻力小。带式输送机可以沿水平或倾斜线路布置，在输送原煤时，向上最大输送倾角一般为 17 18 ，向下最大输送倾角一般为15 16。当采用花纹输送带并采取其它相应措施上运倾 角可高达 28 32，下运倾角可达 25 28。当采取某些特殊措施或专用带式输送机时，可以实现更大的输送倾角甚至垂直提升。 随着国民经济的飞速发展，矿山、建材、化工、港口、粮食、电力、煤炭等部门对散状物料的输送提出了新的要求，长距离（指单机输送长度，国外最长达15000m，国内最长为沈矿为海螺集团研制的 10300m 平面转弯带式输送机）、大运量（高带速和大带宽）和大倾角输送物料是其主要发展方向之一 2，同时提出无公害环保输送散状物料的要求。无论国外还是国内的建材及矿山行业，在这两种输送方案的对比选择后 ，还是较多的选择以长距离、大运量的带式输送机代替汽车运输的方案。其原因是采用汽车运输不仅要修建公路、购买汽车一次性投资大，而且日常的公路和汽车维修费用也很高。带式输送机输送散状物料是连续的物料流，生产效率高。 目前，国外最大带速已达 12m/s。国内的最大带速达 s，最大输送量9800t/h。当然，增加输送带的宽度也可以提高输送量（国外采用的最大带宽是3300但增加带宽使整机所有相关尺寸增大，增加了设备的总投资。特别是输送带的成本要占整机成本的 3050%，而且距离越长，运量越大，所占的比例就越大。同时，大带宽需要相应的硫化设备（包括输送带接头的硫化），因此我国目前所采用的最大带宽为 22002800年来，通过引进国外先进国家的带式输送机整套设备及技术，以及国内广大科研人员的共同努力，可以说国内设计和制造的长距离、大运量带式输送机的水平已经可以满足国内市场的需求，但是一些关键技术尚需引起重视并加以深入研究和开发。国内投入使用的部分长距离、买文档就送您 纸全 套， Q 号交流 401339828 或 11970985 大运量的典型带式输送机如表 示。到目前为止，沈矿集团为天津港设计的带式输送机最大输送量达 9800t/h；家坝水电站 里沙石料长距离大运量带式输送系统，由 里到 里共 5 条带式输送机组成的输送系统。带宽 速 s,输送量 3000t/h，带强 国外长距离带式输送机的应用。到目前为止，西班牙的西撒哈拉带式输送机线路是世界上最长的长距离输送机线路。该线路长达 100来将位于石质高原地区的布克拉露天矿的磷灰石矿石运往艾汾阿雍海港。此线路于两年半内建成，并于 1972 年投入使用，整条线路由长为 11 台输送机组成。输送机采用宽 度为 1000度为 3150N/钢绳芯输送带，带速为 s。输送带的安全系数为 0。澳大利亚恰那矿 20面带式输送机系统是代表现代带式输送机发展水平的一条输送线。该输送系统由一条长为 平面转弯带式输送机和一条 直线长距离带式输送机构成。转弯带式输送机的曲率半径为 9长为 4条输送机除线路参数外，其它参数相同，输送能力为 2200t/h，带宽 1050送带抗拉强度为 3000N/全系数为 5，拉紧装置为重锤拉紧。津巴布韦钢铁公司的 平转弯越野带式输送机于 1996 年投入使用，是世界上单机最长的带式输送机。输送量为干矿石 500t/h(湿矿石600t/h)，系统全长为 料提升高度为 90m。输送带采用桥石公司的钢绳芯输送带，抗拉强度为 888N/行速度为 s，输送带的安全系数为 环境温度为 0时，安全系数降到 输送量增加到 600t/h 时，输送带安全系数降低到 动滚筒的研究目的和意义 为了适应高产高效集约化生产的需要 ,带式输送机的输送能力要加大 ,带式输送机大型化 与高可靠性要求 ,对设计者和制造者提出了更高的要求，只有解决了带式输送机发展的关键技术 ,才能制造出高性能、高可靠性的大型带式输送机。作为带式输送机重要传动部件的滚筒，能否安全稳定的运行，在整个输送系统中处于举足轻重的地位。滚筒的失效会给人身安全和整个系统带来严重的后果，使企业遭受巨大的经济损失。特别是在复杂恶劣的工矿下，如何改进滚筒结构、提高工效、延长寿命，一直是科研人员所关注的课题。目前，在国内对于中小型滚买文档就送您 纸全 套， Q 号交流 401339828 或 11970985 筒一般采用近似公式进行设计计算，对于重型滚筒近似公式已不再适用，这就使得设计计算具有较大的盲目性。这样 设计出来的滚筒和工程实际有一定的差距，它的安全性和可靠性难以保证。一旦发现问题，通常是采用增大尺寸的方法来解决，但是这样做并没有解决实际性的问题。不但浪费材料增加成本，还不能达到预期的目的，随着带式输送机的大型化，合理的设计制造出大型滚筒已成为带式输送机的关键问题。目前，我国设计的滚筒尽管可以满足生产需求，但是由于缺乏研究，相同规格的滚筒与国外相比多消耗材料，使产品缺乏竞争力。 选择该课题的目的就在于对大型滚筒进行力学分析及设计，找到合理的设计计算方法，使滚筒的设计更加简洁方便。对滚筒进行有限元分析，从而为 设计计算提供有力的参考。 内外研究现状 随着国内外机械工业水平的不断发展，滚筒的结构、加工、安装等方面发生着日新月异的变化。由于焊接技术的不断发展，焊接强度的可靠性得到保证，虽然多数大型滚筒采用铸焊结构，但焊接结构也有所增加。轮毂和主轴的联结方式也由键槽连接向胀套连接转变。原来的辐板采用加强筋，现在直接用钢板制成。 过去国内外在设计滚筒的各零部件时，常采用基于经典弹性力学理论导出的简单的经验公式。近年来，国内研究人员对于大直径滚筒的设计方法作了多方面的探索。东北工学院于升忠等人于 1980 年用有限 元半解析法对一合拉力为 的双辐板结构滚筒进行了有限元分析。由于分析过程中忽略了输送带与驱动滚筒间摩擦力的作用，因此结果与实际相差较大。因为输送带与滚筒之间的摩擦力是滚筒扭曲变形的重要因素。西安冶金建筑学院的陆鸿生选择新的力学模型，根据圆柱体弯曲的有矩理论，分别推导出传动滚筒和改向滚筒在外载荷作用下壳体内的位移、内力和应力的计算公式，为精确计算提供了理论依据，在一定程度上揭示了筒体直径、两辐板间距和拉力与应力之间的关系。存在的问题是其力学模型条件苛刻，将筒体与辐板分开考虑，这对计算结构准确性有较大的 影响。因为辐板的形状、厚度对筒体的应力和变形有不可忽视的影响 4。 西安交通大学曾经运用 驱动滚筒的刚度和强度进行了分析并得出 :摩擦力是滚筒扭曲变形的重要团素；从应力与变形两个方面说明，辐板的加强筋，在滚筒非临界状态下，对局部变形与筒体应力分布影买文档就送您 纸全 套， Q 号交流 401339828 或 11970985 响不大，只是在临界状态下能提高滚筒的整体稳定性；滚筒的径向最大变形在滚筒中部。通过分析，对筒体厚度进行了优化，达到节省材料的目的。 煤炭科学研究总院上海分院曾经做过强力滚筒的有限元分析，对滚筒各点的受力、变形大小进行分析，通过实验验 证了有限元计算滚筒受力的可靠性。西安科技学院刘金依等人采用大型有限元分析软件 英国安德森 梅沃公司顺槽可伸缩带式输送机传动滚筒的应力分布规律进行了计算，得出了应力分布图，并找到危险区域，从理论上对滚筒的常见破坏形式进行了研究，为进一步改进滚筒的受力状况，实现滚筒的标准化生产提供了必要的理论依据 5。他们对滚筒的理论研究和试验结果对本课题有十分重要的参考价值和指导意义。随着计算机技术的发展，有限元方法得到了长足的发展，有限元应用也扩展到机械、电子等领域。事实证明对带式输送机滚筒进行有限元分析是 十分合理和有效的。 国外从 20 世纪 60 年代就已经开始对滚筒的设计计算方法、强度分析、合理的结构设计进行研究。关于这方面的研究从总体上分为两类：第一类是 67等对滚筒用半解析法进行研究；第二类是 89等使用了有限元方法。但绝大多数的研究人员都把滚筒看作各个零件的组合，而不是把滚筒当作一个整体来分析。尽管也有一些有限元法已经把滚筒当成整体来考虑，但迄今为止还没有关于滚筒受到非对称载荷系统的研究。 文研究的主要 内容 本文基于目前大型滚筒的设计研究方法比较落后的现状，对传动滚筒进行力学分析及设计。主要包括以下几个方面的内容： （ 1）传动滚筒的力学分析 主要分析了传动滚筒的受力状况，传动滚筒除受轴端输入的扭矩外还受到输送带的作用力，得出了传动滚筒表面载荷沿轴向和周 向的分布规律。 （ 2）传动滚筒的结构设计 根据研究的侧重点不同对传动滚筒进行分类。对比了国内外各种结构传动滚筒的设计方法，总结出了关于筒体、辐板、轮毂及滚 筒轴的详细结构设计方法。 （ 3）传动滚筒的参数化建模和有限元分析 分别绘制出了各零部件的应力和变形 曲线，为进一步改善滚筒结构提供了理论依据。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第二章 带式输送机传动滚筒的结构 及受力分析 滚筒是带式输送机的重要部件，按在输送机中所起的作用滚筒可分为传动滚筒和改向滚筒两大类。传动滚筒的作用是将驱动装置提供的扭矩传到输送带上。改向滚筒包括用于输送机端部改向的改向滚筒、增加传动滚筒包角的增面滚筒和用于拉紧装置的拉紧滚筒。铸焊结构滚筒由滚筒轴、轴承座、接盘（轮毂、辐板以及筒体一部分铸造在一起）、筒体等部件组成，有的滚筒还有轮毂和滚筒轴的连接件、轮毂和辐板的连接件。一般地，传动滚筒的表面覆盖有橡胶或镶有陶瓷以增 大传动滚筒与输送带间的摩擦系数。 滚筒轴承一般用球面调心滚子轴承。 （ a）焊接结构滚筒 （ b）铸焊结构滚筒 图 动滚筒典型结构图 构与种类 带式输送机滚筒有很多种类型 10，主要有如下几种分类 : 驱动方式分 （ 1）外驱动式 即驱动装置放在传动滚筒外面，减速器直接同传动滚筒轴相连。 （ 2）内驱动式 即将驱动装置全部放在传动滚筒内，此种方式又称为电动滚筒。 轴承内孔大小分 （ 1）轻型 孔径在 50100型滚筒的结构是轴 与轮毂之间采用过盈配合（或配单键），辐板与筒体焊接，其中轮毂与轴采用键连接的结构用于传动滚筒。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 （ 2）中型 孔径在 120180型滚筒的结构是轴与轮毂用胀套连接，辐板与筒体焊接。 （ 3）重型 孔径在 200220型滚筒的结构是轴与轮毂采用胀套连接，这种结构的滚筒是筒体的一部分、辐板、轮毂铸成一体的接盘与筒体的另一部分焊接而成，也就是铸焊滚筒。 （ 4）工程级滚筒 工程级滚筒是指为满足特殊载荷条件而经过特殊设计的滚筒。高张力输送带由于其强度高、延伸性低的特点，而使这些滚筒的受力情况比 使用一般织 物芯层输送带的滚筒要高的多。启动、制动及其它动力载荷直接的传递给滚筒。当涉及到高张力时，滚筒的同心度及滚筒与输送机的准确对中是十分重要的。这种分类对于改向滚筒也同样适用。外面包上一层橡胶的滚筒称为包胶滚筒，包胶方式可采用硫化和冷粘的方法；镶嵌陶瓷的滚筒称为陶瓷滚筒；什么也不包的滚筒称为光面滚筒。 外形分 （ 1）鼓形滚筒 用钢板卷圆焊接而成，滚筒中间部分直径大于两边约几毫米，目的是防止输送带跑偏，但是加工工艺复杂，因此很少使用。 （ 2）叶片式滚筒 滚筒由许多横向叶片组成，目的便于清洁输送带，此类 滚筒又称为自清扫滚筒。如果将叶片改为圆柱棒，称为棒式滚筒，也可起到自清扫 作用。 （ 3）沟槽胶面滚筒 滚筒的胶面上开菱形、人字形、直线形、环形、梯形，则分别称为菱形护面、人字形护面等各种护面形状的滚筒，其目的是增大摩擦系 数和便于排出粘着物料。传动滚筒胶面常选用菱形和人字形。 殊滚筒 （ 1）真空滚筒 为增大输送带同滚筒之间的摩擦力，在滚筒装有真空泵或外接真空泵，使输送带同滚筒包角之间成真空，增大摩擦力。但由于结构复杂，真 空滚筒尚未得到推广。 （ 2）磁力滚筒 滚筒内装有磁铁，如输送带下层为磁性 覆盖胶，根据异性相吸作用，能增大摩擦力。当使用普通输送带时，磁力滚筒就成为除铁滚筒。 （ 3）轮胎滚筒 滚筒外面由许多充气轮胎构成，轮胎表面带有沟槽。各种轮胎充气压力不同时，也起到鼓形滚筒作用。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 （ 4）陶瓷滚筒 滚筒护面有许多陶瓷片镶成，一方面可增大摩擦力，另一方面便于清扫。陶瓷片也可做成插板式，以便于更换。滚筒包胶的主要优点就是表面摩擦系数大，包胶是在滚筒的表面上用冷粘或硫化一层橡胶。包胶滚筒按其表面形状又可分为：光面包胶滚筒、人字形沟槽包胶滚筒和菱形包胶滚筒。 胀套连接结构是国际上广泛应用于重型载荷下机械 连接的一种先进基础部件。胀套的结构如图 示，其原理是：当旋转紧定螺钉时，前压环和后压环相互靠近，迫使带张口的外环胀大，内环缩小，从而使轴和轮毂形成过盈配合，达到连接的目的。采用胀套连接的优点是：容易实现高精度的定位，可传递大扭矩和轴向力；可连接不可焊材料；可从外部安装拆卸，并可重复使用；降低了孔和轴的加工精度和加工费用。 图 套结构 行阻力 将运行阻力划分为主要阻力 加阻力 升阻力 特种阻力 些阻力的和等于传动滚筒上所需的圆周驱动力 （ 2 由于输送机的线路布置可能是简单线路也可能是复杂的变坡、变载荷情况。在过去的标准计算方法中往往采用统一的等效坡度和载荷。这可能存在下面的两种问题 ：有时会造成阻力的计算必须变成等效倾角或等效单位长度物料质量，从而使计算缺乏足够的精度。在计算输送带张力时还要重新计算输送机各段的阻力，从而增大计算工作量。特别是在广泛使用计算机进行计算的时代，所给出的计算方法应该能够适应计算机算法的需求。 因而，阻力应以分段形式确定。一个分段应具有相同的参数，如输送机的倾角、模拟摩擦系数和输送的物料单位长度质量，以及托辊旋转部分的质量和附加买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 阻力的作用。在输送机分段的起点和终点，从尾部开始向头部方向，各段顺次用i 表示。承载分支用下标的参数值，用 程分支用 U 表 示。如图 示。 ni ,1 ,（ 2 式中 , 承载分支第 i 段的阻力； , 回程分支第 i 段的阻力。 曲线区段阻力与张力大小有关，若张力发生变化，阻力也发生变化。已知绕入点张力，通过张力增大系数可求出绕出点张力，传动滚筒处的绕入点和绕出点按欧拉公式计算。 图 行阻力的分段构成和分段计算 要阻力 输送机的主要阻力 由下式计算： c o s)2( g （ 2 式中 f 模拟摩擦系数，根据工作条件及制造安装水平决定； L 输送机长度 (头尾滚筒中心距 )， m； g 重力加速度， g = 承载分支托辊组每米长度旋转部分质量， kg/m，用下式计算： 1买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 其中 承载分支每组托辊旋转部分质量， 承载分支托辊间距， m； 回程分支托辊组每米长度旋转部分质量， kg/m，用下式计算： 其中 回程分支每组托辊旋转部分质量， 回程分支托辊间距， m； 每米长度输送带质量， kg/m； 每米长度输送物料质量， kg/m； 输送机倾角，度。 送机各部件上的附加阻力 输送机附加阻力 料段加速物料与导料槽两侧板间的摩擦阻力 送带绕过滚筒弯曲阻力 t，可用下式计算： 21 11 )()(（ 2 式中 输送带绕过的滚筒次数； 改向滚筒个数。 送载荷的提升阻力 输送物料的提升阻力为： （ 2 式中 h 输送机受料点与卸料点间的高差， m；输送机向上提升时， h 取为正买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 值；输送机向下输送时， h 取为负值。 种阻力 包括主要特种阻力 要特种阻力包括托辊前倾摩擦阻力 F和物料与导料槽侧板间的摩擦阻力 下式计算： 1(2 F 按如下两式计算： （ 1）三个等长辊子的前倾上托辊时： s （ 2）二辊式前倾下托辊时： s O的计算 : 1222 附加特种阻力包括输送带清扫器摩 擦阻力 F和犁式卸料器摩擦阻力 下式计算： 32(2 式中 清扫器个数，包括头部清扫器和空段清扫器。 动滚筒轴功率 传动滚筒轴功率 (下式计算： 1000A （ 2 传动滚筒的最大扭矩 (下式计算： 2000m a （ 2 式中 D 传动滚筒直径， 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 动理论 当假设输送带是一种理想的挠性体，可以任意 挠曲，不受弯曲应力；忽略输送带的质量所产生的重力和惯性力时，输送带与滚筒绕入端的张力 边张力）和绕出端的张力 边张力），按欧拉公式有如下关系： 出入 （ 2 上式表示了一种传递驱动力的关系，即传动滚筒所传递的圆周驱动力为： )11()1( 入出出入（ 2 式中 输送带与滚筒间的摩擦系数； 滚筒与输送带有相对弹性滑动弧对应的圆心角， ，只要满足极限值要求即可。一般滚筒两支点之间最大挠度控制在 1/20001/3000 即可。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 在工作实践中表明，这种胀套联接的带式输送机滚筒，与其他形式联接的滚筒相比，有许多优点： 制造和安装简单。安装胀套的轴和轮毂的加工不像过盈配合那样要求高精度的制造公差，安装胀套也无需加热、冷却或加压设备，只需将内、外弹性圈的联接螺栓按规定的拧紧力矩拧紧即可，并且定心性好，调整方便。 互换性好，拆卸方便。因为拆卸时将联接螺栓拧松，即可使滚筒轴和筒体很容易地拆开 。 由于没有应力集中，这种结构的滚筒承载能力高，使用寿命长，整体强度高。 这种结构的滚筒在运转过程中，超载时有安全保护作用，可以保证整机设备不受损坏。 （ 2）与环形胀套配套的滚筒结构 目前大型滚筒结构是：筒体的一部分与辐板、轮毂铸成一体的接盘与筒体焊接的滚筒。其轮毂与轴是胀套连接的结构，特点为： 设计滚筒时，原则上尽可能对外装轴承式滚筒的两轴承间距取小值，两辐板间距取大值。这就意味着采用合理的结构布置来减少结构的弯曲应力。 接盘与筒体之间的焊缝位置设在应力最小处，而且当滚筒旋转 1 周时应力循环 1次的 位置。这时，滚筒的中部应力循环已达 2 次。 筒体钢板的纤维方向必须保证与筒体卷曲方向一致。 辐板的刚性控制在最佳范围内，辐板刚性过大对轴和环形胀套、筒体都不利。 轮毂与轴之间用双锥自动调心的环形胀套连接。 调心轴承具有质量轻、体积小、寿命长等特点。我国钢芯带式输送机滚筒轴承寿命规定是 15000h，而国际上已要求 60000h 以上。 轴承座选用具有二道迷宫密封，这种轴承座密封良好。 两辐板之间的间距一般大于或等于带宽。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第四章 传动滚筒有限元模型的建立与分析 动滚筒有限元模型的建立 有两种建立有限元模型的方式：实体建模和直接生成。有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征，即分析必须针对一个物理原型建立准确的数学模型。实体建模是先对模型的几何特征进行描述，通过控制单元划分的大小及形状，使 动生成节点和单元，从而生成有限元模型。实体建模有很多优点，大部分用户在通常情况下采用该建模方法。直接建模法是先确定各个节点的位置，以及各个单元的形状，尺寸，再定义实体模型。直接生成法要求在建立网格时记录所有的节点号，需要用户留意网格划分的细节，一般来说比较耗时， 也比较容易出错。 一般来说对于规模较小的问题才适于采用直接生成法，常见的问题都需要先通过实体建模生成几何模型，然后再对其划分网格生成有限元模型。在实体建立模型时，建立几何模型和生成有限元模型这两个步骤通常是交织进行的。建立几何模型的目的是生成有限元模型，在建立几何模型时要考虑到有限元模型的生成，生成有限元模型时如果出现问题或者单元形状不能满足要求还需要对几何模型进行修改或者简化，因此这两个步骤通常放在一起进行考虑。 何模型的简化 传动滚筒是一个比较复杂的组合体，建立几何模型时，要适当的采取一些 简化措施。 本文在建模过程中，对传动滚筒结构的简化如下： （ 1）略去一些小的特征如导角、圆角、键槽等； （ 2）轴直径尺寸差异不大的统一为一个尺寸； （ 3）在有限元计算时 ,将焊缝联接的零部件视为连续的整体； （ 4）略去次要构件，如轴承座（将其简化成对轴的约束）、联轴器、胀套预紧用的螺钉、螺钉孔等； （ 5）对于包胶滚筒，不考虑它和滚筒体间的相互作用，把它和筒体视为一个整体。 标系的选择 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 用户提供了多种坐标系，在传动滚筒建模过程中主要用到全局坐标系和局部坐标系，主要为直角坐标系、柱坐标 系和球坐标系。在默认情况下，全局直角坐标系为激活坐标系，即正在作为参考的坐标系，灵活的运用各种全局坐标系往往能够使建模的过程更加简单。用户根据自己需要还可以建立局部坐标系。此外，还有节点坐标系、单元坐标系和结果坐标系等，它们在传动滚筒的加载和后处理过程中将会用到。节点坐标系用于定义节点自由度的方向；单元坐标系决定了单元的正交材料属性、所施加的压力以及结果（如应力、应变）；结果坐标系用于结果的显示。 型的建立 本文采用实体建模的方式。实体建模有两种思路：自底向上的构造模型和自顶向下的构造模型。为 了便于建立传动滚筒的参数化模型，本文采用自底向上的建模方式。首先提取滚筒的结构参数，如滚筒轴直径，胀套尺寸、轮毂尺寸、辐板尺寸、筒体厚度、轴承间距和辐板间距等。然后建立相应部位的各个关键点，由点生成线和面，利用旋转等方法完成整个模型的建立。 （ 1）建立关键点：建立传动滚筒体的二分之一剖面上各个部件的关键点，如图 （ 2）由关键点生成线，通过 令连接滚筒各部件的关键点，生成各部件的剖面线。 （ 3）由线生成面，通过 令把已定义的各部件的边界线生成剖面。如图 示。 （ 4）由面旋转 生成体，通过 令把各部件的剖面绕滚筒轴中心线旋转生 成滚筒体，如图 示。 图 动滚筒半剖面关键点 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 动滚筒半剖面 图 转后生成的传动滚筒模型 义单元属性 在网格划分之前，需要定义单元属性，包括单元类型，实常数和材料模型等。这些属性对有限元分析来说，非常重要，不仅影响到网格划分，而且最关键的是，对求解的精度影响极大。 （ 1）定义单元类型 有限元的基本点在于将实体离散为有限自由度的一个个单元，每个单元在内部遵从一定的位移模式，而在各单 元的连接处保持连续。对不同的问题，需要应用不同特性的有限单元，以反映其特点，从而达到最佳的分析效果。因此，对有限元分析，选择合适的有限单元极为重要。单元选择不当，则分析结果可能误差较大，甚至完全不对。 单元库提供 100 多种单元类型，单元类型决定了单元的自由度数和买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 单元位于二维空间还是三维空间。在选择单元类型时，力求反映滚筒结构的力学特性为前提，同时尽可能选择简单的单元，使滚筒模型既能反映滚筒的实际特性又能提高计算效率。对于滚筒轴、轮毂、筒体和胀套采用 元。 元共 有 8 个节点（ I、 J、 L、 M、 N、 O、 P），每个节点有三个沿 x， y， z 方向的平动自由度。求解后输出的结果包括个节点的位移 点和单元坐标轴方向的应力 X、 Y、 Z、 、 2 、 3 等。单元具有塑性 ,蠕变 ,膨胀 ,应力强化 ,大变形和大应变能 力。对于轴与轮毂的过盈配合和胀套结构采用刚体 柔体之间的接触算法，刚性面采用 元来模拟；柔性面采用 元来模拟。使用这两个单元来定义接触对，程序通过一个共享的实常数号来识别接触 对，即目标单元和接触单元采用相同的实常数号。 （ 2）定义材料属性 根据应用范围的不同，材料可以是线性和非线性的，各向同性、正交异性或非弹性，不随温度变化或者随温度变化。像单元类型和单元实常数一样，每一组材料属性也有一个材料属性参考号。与材料属性组对应的材料属性参考号表称为单元属性表。在一个分析中，可能有多个材料属性组。在创建单元时可以使用相关命令通过材料属性参考号来为单元分配其采用的材料属性组。 （ 3）赋予单元属性 为模型定义单元类型、实常数以及材料属性后，在网格划分之前或网格划分过程中，还需要将特定的属性 附给特定的实体对象。在生成单元时可以通过指向各个表 (单元类型表、实常数表和材料属性表 )中合适的编号来为要生成的单元定义单元属性。分别为筒体、辐板和轴赋予不同编号的实常数和材料属性。 格划分 已经建立的传动滚筒的模型，需要对其划分网格，生成包含节点和单元的有限元模型。 有限元模型的网格划分提供了两种方法，一是自由网格 (法；二是映射网格 (法 29。在对模型划分网格之前，甚至在建立模型之前，确定是采用自由网格还是采用映射网格进行分析是十分重要的。 自由网格对 于单元形状没有限制，并且对几何模型没有特殊的要求。与自由网格相比，映射网格对其包含的单元形状有限制，而且要求几何模型必须满足特买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 定的规律。通常情况下映射网格具有规则形状、排列有规律的单元。几何模型必须生成一系列相当规则的体和面才能对其采用映射网格进行网格划分。因此在确定了选择映射网格，需要从建立几何模型开始就对模型进行比较详细的规划，以使生成的模型满足生成映射网格的规则要求。一般来说映射网格往往比自由网格得到的结果要更加准确，而且在求解时对 内存的需求也相对要低一些。本文正是采用映射分网，在生成剖面线 之后就对每条线的网格划分数进行了限制，使生成的传动滚筒模型能够满足映射网格的要求，划分网格后的传动滚筒的有限元模型如图 示。 图 动滚筒的有限元模型 4. 2 节点耦合与约束方程 当生成有限元模型时，典型的是通过单元去连接节点以建立不同自由度间的关系。但是，有时候需要能够刻画特殊的细节（刚性区域、结构的铰链连接、对称滑动边界、周期对称边界和其他特殊内节点连接等），这些用单元不足以表达，此时，可用耦合和约束方程来建立节点自由度间的特殊关系。利用这些技术能够做到单元做不到的自由度连接。 （ 1）耦合 当需要迫使两个或多个自由度（ 得相同（但未知）值时，可以将这些自由度耦合在一起。每个耦合自由度包含一个主要自由度（注意：这里的主要自由度不等同于减缩自由度分析中的主自由度，定义耦合集时所选取的第一个节买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 点为主要节点，其参与耦合的自由度为该耦合集的主要自由度）和一个或多个其它自由度。 将每个耦合自由度集的主要自由度保存在分析的矩阵方程里，而将耦合集内的其他自由度删 除，也即只有主要自由度的值会被计算出来，而耦合集中的其他自由度值将分别等于其所在耦合集中的主要自由度值。典型的耦合自由 度应用包括： 模型部分包含对称； 在两重复节点间形成销钉、铰链、万向节和滑动联接； 迫使模型的一部分表现为刚体。 耦合集的定义： 在给定节点处生成并修改耦合自由度集。 耦合重合节点，即将每一对重合节点（指公差范围内的节点）的指定的自由度耦合在一起。 使用耦合集时的注意事项： 耦合集中的自由度定义于节点坐标下，因此定义耦合集时要明确参与耦合的节点坐标系状态。通常应当保证同一耦合集中的节点的节点坐标系一致。 自由度是在一个集内耦合而不是集之间的耦合，因此不允许一个自由度出现在多于一个耦合集中。 由 D 或其他约束命令指定的，有确定数值的自由度不能包括在耦合集中，否则此耦合集将会在求解时被删除。 在缩减自由度分析中，如果主自由度要从耦合集中选取，只有主要自由度才能被指定为主自由度（不能指定耦合集中的删除自由度为主自由度，因为除了主要自由度以外的自由度将会被删除）。 在结构分析中，通过耦合生成的刚性区域有时会引起明显的平衡破坏。 （ 2）约束方程 约束方程提供了一种比耦合更通用的连接自由度方法。约束方程必须为如下的形式： o ef fi ci e n )(t 这里， t 是常数， i) 是系数， U(i) 是自由度项。 在筒体与辐板连接、滚筒轴和辐板焊接时，都要用到耦合自由度。由于滚筒体和辐板是焊接结构，重复节点的各个自由度都相同，所以节点属于刚性连接。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 重复节点的所有自由度应该取相同的值，包括 X、 Y、 Z 方向的平动和 X、 Y、 Z 方向的转动自度。还有一种比较简单的方法可以解决所有自由度值都相同情况下的耦合节点问题，那就是直接将重复的节点合并为一个节点。焊接结构滚筒体与辐板的连接、滚筒轴与辐板的连接就是采用这种方法处理的。铸焊结构滚筒的接盘与筒体的连接也是同样的道理。 荷和约束 荷的确定 输送带对传动滚筒的压力沿滚筒的圆周方向是连续变化的，在有限单元载荷中不能直接加载连续变化的载荷，所以必须用 带的二次开发语言（ 写载荷函数加载到有限元模型上。由于滚筒表面的利用弧和备用弧的边界很难划分，所以假定在整个滚筒表面，沿圆周方向的整个围包角内的载荷符合欧拉公式，沿滚筒轴向载荷为均布载荷。滚筒表面压力分布可有如下公式表示： 出 则摩擦力为： 出 建立 柱坐标系，根据围包角的大小，选择滚筒表面围包角范围内的节点。过去一些研究人员在加载时采用等效或分段函数的方法确定表面载荷，为了更好的模拟滚筒载荷情况，本文通过定义数组、编写符合欧拉公式变化的函数载荷，利用 令方式将载荷加载在节点上。加载后的模型见图 图 图 动滚筒表面载荷（ a） 图 动滚筒表面载荷（ b） 由于摩擦力为切向分布的载荷，在 只能处理为切向的作用于节点上买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 的集中力，因此只能在节点坐标下通过旋转节点坐标来加载摩擦力。在 这里建立柱坐标系，旋转节点坐标到当前坐标系下，则相应的 Y 方向则为摩擦力方向。 束的确定 有限元模型加载之后，还要设置边界条件，即限制边界节点的自由度 (节点的自由度数量取决于单元类型，每个节点最多有六个自由度，沿 X、 Y、 Z 方向的平动和沿 X、 Y、 Z 轴方向上的转动。传动滚筒的轴