（机械电子工程专业论文）重型滚筒的有限元分析方法的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 重型滚筒有限元分析方法的研究 摘要 带式输送机是最重要的现代散状物料输送设各，它广泛应用于电力、冶金、 化工、煤炭、矿山、港口、建材、粮食等领域。滚筒是带式输送机的重要部件， 由丁= 滚筒是输送机的主要受力和易损部件。随着带式输送机的大型化，依靠传统 的设计计算方法不能保证滚筒的可靠性和经济性，因而需要采用现代设计方法进 行滚筒的设计计算和优化设计。本文应用有限元分析软件a n s y s 研究滚筒结构强 度汁算和参数优化问题，并通过对a n s y s 的二次开发实现滚筒设计、计算的自动 进行。 本文首先根据有限元分析的需要对滚筒进行分类，将滚筒分成等截面辐板焊 接滚筒、等截面辐板过盈配合滚筒、变截面辐板过盈配合滚筒、等截面辐板胀套 连接滚筒和变截面辐板胀套连接滚筒等5 种。 比较了现有的几种常用计算方法，包括：美国国家标准计算方法、d ti i 设计 手册计算方法和焊接滚筒通辅结构及莫设计中的计算方法， 对滚筒的载荷处理进行了分析，提出了等腰梯形载荷分布形式，该分布形式 从实际物理模型上更接近于实际情况。 通过对一个典型滚筒的有限元分析研究滚筒有限元分析的方法，并验证所建 立的模型和计算方法的正确性。进面对选取不同单元数量的情况的计算精度和计 算时间进行了比较，给出了有限元计算的合适韵单元数量，既保证了计算精度， 也减少了计算费用。 在滚筒有限元分析中，将各个组成部分进行了整体建模，整体分析，实践表 明这种分析方法比对滚筒各个零件分别进行分析所得结果要更精确。对其中的接 触问题，考虑到程序的自动运行，采用直接生成接触单元和目标单元的方法，而 没有应用a n s y s 的接触分析向导。 以a n s y s 为平台开发了滚筒有限元计算的通用软件，软件包括a p d l 语言参 数化建模和u i d l 语言界面设计两个部分；软件包括了所进行分类的各种滚筒。在 滚筒强度分析和设计时可在友好的界面下进行参数输入，可以为工程设计人员提 供一种方便的设计工具。 在满足强度条件下，以滚筒质量最小为优化目标对滚筒进行了优化设计，从 本文的计算实例可见，传动滚筒优化设计的结果大大改善了辐板的受力情况，在 i i 东北大学硕士学位论文 摘要 一定程度上解决了传动滚筒在交变应力作用下，辐板与轮毂以及辐板与筒壳间产 生裂纹，最终导致滚筒失效这样一种最常见的滚筒破损问题。同时，该种优化设 计方法可以移植到受力条件较好的改向滚筒和张紧滚筒的结构设计中。 通过对以上内容的研究，得出了常见的各类滚筒受力形式、应力分布规律。 a n s y s 二次开发程序将使得重型滚筒的设计更加快捷、可靠。为其他系列化零部 件的有限元分析、二次开发和参数优化提供一个参考。 关键词滚筒a p d l 语言u i d l 语言参数化建模 i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c r r e s e a r c ho nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s m e t h o do f h e a v y d u t yp u l l e y a b s t r a c t b e l tc o n v e y o ri st h em o s ti m p o r t a n tm o d e mt r a n s p o r t i n ge q u i p m e n tf o rb u l k m a t e r i a l ；i ti su s e dw i d e l yi nt h ef i e l do fe l e c t r i cp o w e r , m e t a l l u r g y , c h e m i c a li n d u s t r y ， c o a l f i e l d ，m i n e ，o p e np o r t ，b u i l d i n gm a t e r i a l ，f o o d s t u f fe t c p u l l e yi si m p o r t a n tp a r t b r b e l tc o n v e y o r ；i ti sa l s ot h em a i nf o r c e da n dd a m a g e a b l ep a r t w i t ht h eb e l tc o n v e y o r g e t t i n gl a r g e r , t h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i n ga n dd e s i g nm e t h o dc a r l n o te n s u r et h e r e l i a b i l i t ya n de c o n o m yo fp u l l e y , s ow en e e du s i n gm o d e r nd e s i g nm e t h o dt o c a l c u l a t e ，d e s i g na n do p t i m i z et h ep u l l e y i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rs t u d i e dt h es t r u c t u r a l i n t e n s i t ya n dp a r a m e t r i co p t i m i z a t i o no fp u l l e y , a n dm a d et h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o nb e a p p l i e da u t o m a t i c a l l yb yt l l ea n s y sd e v e l o p i n gp r o g r a m t h ea u t h o rc l a s s i f i e dt h ep u l l e yb a s e do nt h en e e df o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n d c l a s s i f i e dt h ep u l l e yi n t op u l l e yw i t hs t r a i g h tw e bw e l d e dt os h 疆p u l l e yw i t hs t r a i g h t w e bc o n n e c t e dt os h a f tw i t hi n t e r f e r e n c ef i t ，p u l l e yw i t ht a p e r e dw e bc o n n e c t e dw i t h s h a f tw i t hi n t e r f e r e n c ef i t p u l l e yw i t hs t r a i g h tw e bc o n n e c t e dw i t hs h a f t 、v i t ht a p e r l o c k ，p u l l e yw i t ht a p e r e dw e bc o n n e c t e dw i t hs h a f tw i t ht a p e rl o c ke t c ，5t y p e so t p u l l e y t h ea u t h o rc o m p a r e ds e v e r a lc o m m o nc a l c u l a t i n gm e t h o d s ，i n c l u d i n g ：m e t h o di n a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d ，d t i id e s i g n i n gm a n u a la n dt h ec a l c u l a t i n gm e t h o di n a r t i c l eo f t h es t r a i g h ts h a f ts t r u c t u r ea n dd e s i g nf o rw e l d e dp u l l e y t h ea u t h o ra l s oa n a l y z e dt h el o a da p p l i e do nt h ep u l l e y , a n da d v a n c e dan e w d i s t r i b u t i n gf o r ma si s o s c e l e st r a p e z o i d ，t h i sk i n do fd i s t r i b u t i n gf o r mi sc l o s e rt o p r a c t i c et h a no t h e rd i s t r i b u t i n gf o r m t h ew r i t e rs t u d i e dt h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rp u l l e yb ya n a l y z i n ga t y p i c a lk i n do fp u l l e y , a n dv a l i d a t e dt h ev a l i d i t yo ff e am o d e la n dc a l c u l a t i n gm e t h o d a n dt h ea u t h o ra l t e r e dt h en u m b e ro fe l e m e n ta n dc o m p a r e dt h ep r e c i s i o na n dt i m eo f c a l c u l a t i o n ，a n df i x e dt h er e a s o n a b l en u m b e ro f e l e m e n t d u r i n gt h ea n a l y s i so fp u l l e y , t h ea u t h o rb u i l d e dt h em o d e la n dm a k ea n a l y s i s i n t e g r a l l y , a n dt h er e s u l ti n d i c a t et h a ts u c hm e t h o di sm o r ep r e c i s et h a na n a l y z i n gt h e p a r t so fp u l l e yr e s p e c t i v e l y a sf o rt h ep r o b l e mo fc o n t a c t ，t h ea u t h o ru s e dt h em e t h o d i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o fb u i l d i n gt h ec o n t a c te l e m e n ta n dt a r g e te l e m e n td i r e c t l ya n dn o tu s i n gt h ec o n t a c t a n a l y s i sg u i d ei no r d e rt h a tt h ep r o g r a m t i n sa u t o m a t i c a l l y t h ea u t h o rd e v e l o p e dt h eu n i v e r s a ls o f t w a r ef o rd e s i g n i n gp u l l e yi na n s y s ，t h e s o f t w a r ei n c l u d ep a r a m e t r i cm o d e l i n gu s i n ga p d la n dd e s i g n i n gi n t e r f a c eu s i n g u i d l ；t h es o f t w a r ei n c l u d e sa l lt h ec l a s s i f i e dp u l l e y , w h i c hm a ys u p p l yac o n v e n i e n t d e s i g n i n gt o o lf o rt h ed e s i g n e r t h ea u t h o ro p t i m i z e dt h ep u l l e yb ym a k i n gt h em a s st h ep u l l e ym i n i m i z e ，t h e r e s u l to fo p t i m i z a t i o nm a yi m p r o v et h ec o n d i t i o no f w e bl o a d t h r o u g h a l lt h ew o r ka b o v e ，w ec a ne n s u r et h el o a df o r ma n dd i s t r i b u t i n gf o r mo f c o m m o np u l l e y s ，t h ep r o g r a mw i l lm a k et h ed e s i g n i n go f p u l l e ym o r er a p i da n dr e l i a b l e i ta l s o s u p p l i e s ar e f e r e n c ef o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，d e v e l o p i n gp r o g r a ma n d p a r a m e t r i co p t i m i z a t i o nf o ro t h e rs e r i a lp r o d u c t s k e yw o r d sp u l l e y , a p d ll a n g u a g e ，u i d ll a n g u a g e ，p a r a m e t r i cm o d e l i n g v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：孙i 、睁 日 期：m 席i i 丌墒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 带式输送机及其滚筒的概况 带式输送机( 如图1 1 、1 2 ) 是重要的散状物料输送设备。它广泛应用于电力、 冶金、化工、煤炭、矿山、港口、建材、粮食等领域。早在2 0 世纪7 0 年代，就 已经出现了运输距离达1 0 0 k m 的带式输送机输送线路。近年来，带式输送机在矿 山运输中已经逐渐开始取代汽车和机车运输，成为散状物料输送的主要装备。随 着国民经济的发展，带式输送机的应用越来越广泛。目前，带式输送机的主要发 展方向是设备的大型化和新型结构的特种带式输送机。 带式输送机是以输送带作为牵引构件，同时它又是承载构件。如图13 所示， 输送带1 绕经传动滚筒2 和改向滚筒3 形成一个环形带，上下输送带有托辊4 支 承，拉紧装置5 给输送带以正常运行所需的张力。工作时，驱动装置驱动传动滚 筒，通过传动滚筒和输送带之间的摩擦力带动输送带运行，物料装在输送带f ：和 输送带一起运动。 图ii 带式输送机1 f i gi l b e l tc o n v e y o r 图12 带式输送机2 f i g 1 2 b e l tc o n v e y o r2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 l - 输送带2 传动滚筒3 一改向滚筒4 托辊5 拉紧装置 留i ，3 带式输送机工作原理 f i g1 3 t h e w o r k i n gp r l n c i p i u mo f b e l tc o n v e y o r 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以分为传动 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j ：。 改向滚筒包括用于输送带在输送机端部的改向、增加传动滚筒包角的导向滚筒、 拉紧滚筒和用于拉紧装置的导向滚筒。滚筒由滚筒轴、轮毂、辐板、筒壳以及轴 承座等部分组成，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。 般地，传动滚筒的表面覆盖有橡胶或陶瓷以增大驱动滚筒与输送带之间的摩擦 系数。 随着国内外机械工业水平的不断发展，滚筒的结构、加工、安装等方面电在 发生着同新月异的变化。由于焊接技术的不断进步，焊接强度和可靠性得到了保 证，原来铸造结构也逐渐向焊接结构转变。辐板和主轴的连接方式也由过盈连接 或键连接转变为胀套连接。原来的辐板采用加强筋，现在则直接用钢板制成。滚 筒的设计也由刚性设计转向柔性设计。 国外从2 0 世纪六十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。其中，最具代表性的一篇文章就是h l a n g ”对滚筒进行了 大量的理论研究，应用的数学方法是基于莱布尼茨奠定的微积分的计算方法，其 过程如下： 把被计算的构件表述为数学模型，利用平衡微分方程及几何相容微分方程表 达，其解描绘出总的变形场。通过微分，从位移得到伸长，利用胡克定律由此得 到应力。这里出现的数学困难是只能对简单的问题得到封闭解。对于筒壳一辐板 一胀套一轴这样的复杂结构系统，把它分解成或多或少的理想化构件组，对每个 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 构件组分别求解。这里，不得不损害预定的边界条件，并使用这个或那个未知的 认为可靠的假设。这些解都是近似的，它只描述孤立的构件情况，这些假设只能 通过测试技术来验证它的正确性。l a n g e 的研究仅仅是从动滚筒( ? i = 正) ，d a s 和 p a l 已经对一种结构的驱动滚筒进行了理论上的分析。 滚筒的功能对于带式输送机是非常关键的，以前的研究人员都是把滚筒分成 一个个零件来研究，而不是作为整体来分析。由于滚筒各个零件的应力、变形都 是相互关联的，所以整体分析对于滚筒的可靠分析显得很有必要。 后来关于这方面的研究越来越多，从总体上分为两类：第。是l a n g 、s c h m o l z i 、 d a s 、p a l 、l o n g m a n 等对滚筒用半解析的方法进行研究；第二种l i n d e r 、v o d s t r s i 、 s i v a 、p r a s a d 和r a d h as a d h as a r m aq i u ，s e t h i 使用了有限元法”。但绝大多数的研 究人员都把滚筒看作各个零件的组合，而不是把它当成一个整体来分析。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的 非对称载荷的系统的研究。无论用那种方法研究，滚筒的加载方式都是相同的。 滚筒是个旋转实体结构，关于滚筒轴的轴线对称，材料也是如此。但载荷不 是轴对称的，因此应力变化和位移是三维的而不是轴对称的。分析三维问题计算 量是很大的，而基于傅立叶级数的半解析法是很常用的方法，这里，载荷被分解 为对称和反对称傅立叶级数，级数代表圆周角的周期函数，对于每个分量的分析 就是二维的，对称和反对称位移分量根据相应的载荷分量分别确定，应用应变一 位移矩阵，根据叠加原理，各分量累积的结果就代表了轴对称结构受非对称载荷 作用的结果，由此可以计算应力。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航空、航天、机械、流体、电子等各个领域。 1 2 研究滚筒设计方法的目的和意义 滚筒不仅是带式输送机主要的传动部件也是易损件，特别是在复杂恶劣的工 况下，如何改进结构、提高功效、延长寿命，一直是研究人员所关注的课题。没 计生产出具有合理结构尺寸和足够承载能力的滚筒，对带式输送机系统安全、稳 定运行起着非常重要的作用。滚筒的失效会给人身安全和整个设备带来的灾难性 的后果，使企业遭受巨大的经济损失。造成这些失效有各方面的原因，其中最重 要的问题是设计计算方法的问题。在目前情况下，国内滚筒的设计一般采用近似 公式法，但是，这样设计出来的产品和工程实际差距很大，它的安全性、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 没有解决实质性的问题。因为滚筒是一个复杂系统，各个部件的强度和刚度都相 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 互影响，单方面的增加尺寸可能会给其他部件带来不利的影响。用这样的方法解 决问题还会带来其他的负面影响，如浪费材料，成本增加等。 随着带式输送机的大型化，合理造制造出大型滚筒已成为带式输送机的个 重要问题。目前大型带式输送机尚依赖进口，中小型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要多消耗4 0 ，使得产品缺乏竞争 力。 有限元分析方法虽然是最贴近工程实际的方法之一，但是它也有不足，采用 商业有限元软件对滚筒进行有限元分析的前后处理非常繁琐，需要消耗相当大的 人力物力，设计周期相当长。例如：应用s a p 5 进行滚筒强度分析需要近一个月的 时间进行数据准备。并且有限元分析软件比近似公式法复杂得多，般设计入员 很难掌握，推广起来有一定的难度。 a n s y s 软件是国内外大家公认的在有限元分析方面比较好的软件，它钓功能 非常强大，应用于结构、电磁场、流体、热分析等各个领域。并且，此软件对用 户是开放式的，可以在a n s y s 界面下，开发出具有用户个性化的界面，开发的过 程也不是很复杂。 本课题最终目的是寻求到滚筒最有效的设计方法和利用a n s y s 软件进行二 次丌发，最终设计出a n s y s 平台下滚筒分析通用程序，使工程人员能够很轻松地 操作程序，给设计人员提供一个可靠的工具。 由于结构的复杂性和多样性，标准的设计方法很难确定它的每一个零部件的 尺寸，很多文献中都已提到，筒壳、辐板、轮毂、轴以及它们的连接处的应力和 变形都是相互关联的，要做到最优设计，就应该把它作为一个整体来分析。 所有用传统方法进行的理论研究都把滚筒拆分成单个零部件进行分析，而不 足看作单个结构。用这种传统方法，计算会简单些，有封闭解的话，计算执行的 时间也会减少，但是各个零部件的连接部位的求解就不能很精确，因为它们之削 的弹性耦合是近似的，比如，它们在连接处的变形就不能耦合，这将导致连接部 位应力、应变场的重大错误。这种方法不能用于具有复杂结构的滚筒。比如变截 面辐板滚筒和有胀套结构的滚筒。相对而言，有限元法提供了一种有效的解决办 法。尽管有些麻烦和需要一些时间，但过去的有限元研究或者是没有提供足够的 关于载荷、变形和边界条件的信息，或者没有摆脱对实验数据的依赖。因此，对 。f 大型、重型输送机系统，就需要一个能够对整个滚筒分析、设计的参数化程序。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要内容包括以下几部分。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 对滚筒的系统分析 选出几类典型的滚筒，分析各种滚筒的结构特点、关键结构尺寸参数、受力 情况等，为以后建立模型、参数化建模和优化做好准备。 f 2 ) 滚筒的计算方法比较 目前，滚筒的设计方法有公式法、解析法和有限元方法，本文将对这几种计 算方法进行整理和比较。 ( 3 ) 应用a n s y s 对滚筒进行有限元分析 对一个典型滚筒的有限元分析的全部过程并对影响滚筒强度的因素进行分 析。 ( 4 ) 优化设计 将讨论应用a n s y s 对滚筒进行结构、参数优化。应用a n s y s 软件的优化功 能对滚筒进行优化，然后对比优化前后滚筒的性能差别。 ( 5 ) 通用滚筒分析有限元软件的开发 在证明有限元分析结果的正确性的基础上，应用a n s y s 的a p d l 语言编写通 用分析程序。用u i d l 语言进行操作界面开发，以使程序有个比较好的人机接l j 。 5 东北大学硕士学位论文第二章滚筒的分析及计算方法 第二章滚筒的分析及计算方法 2 1 带式输送机滚筒的结构和参数 典型的带式输送机滚筒是由滚筒壳、辐板、轮毂、胀套、滚筒轴以及轴承座 六部分构成，结构如图2 1 。 等截面辐扳一鹄r 聋习 # 承7 函 f = 习一一 三翻 要 甲 蔓三型 t 轴 。旅孝 变越面辐扳i 、 幽21 榱伺的结构而意图 f i g 21s t r u c t u r a ls k e t c hm a po f p u l l e y 根据滚筒的承载不同，通常滚筒分为轻型滚筒、中型滚筒和重载滚筒。轻型 滚筒的结构是轴与轮毂采用过盈配合( 或配单键) ，辐板与筒壳全焊( 图2 2 ) ，其中 轮毂与轴过盈连接配键的结构用于传动滚筒；中型滚筒的结构是轴与轮毂用胀套 连接，辐板与筒壳全焊( 图2 3 ) ；重型滚筒的结构是轮毂与轴用胀套连接，铸焊辐 板与筒壳铸焊( 图2 4 ) 。这种结构的滚筒是筒壳的一部分、辐板、轮毂铸成一体的 底盘与筒壳的另一部分焊接而成。 时 | ij lln 阿m 池 阻 l 刖 i 牵一 阿1 f 1 ( a ) 轮毂与轴过盘连接( b ) 轮毂与轴过盈配键连接 图22 轻型滚筒 f i 9 22l i g h tp u l l e y 6 东北大学硕士学位论文第二章滚筒的分析及计算方法 圈23 轮毂与轴胀套连接辐板全焊接滚筒 f i g 23p u l l e yw i t hc o n n e c t i o no f t a p e r l o c ko f h u ba n ds h a f t 图24 滚筒的铸焊结构 f i g2 4p u l l e yw i t hs t r u c t u r eo l c a s t i n ga n dw e l d 胀套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2 5 所示，其原理是：当旋转紧定螺钉6 时，前压环2 和后压环4 互相靠 近，迫使带开口的外环3 胀大，内环5 缩小，从而使轴与轮毂形成过盈压配合， 达到连接的目的。胀套的传递负载是通过胀套的内外环产生的压力和摩擦力来实 现的。传动滚筒的轴和轮毂间多采用胀套连接。胀套连接的优点是： ( 1 ) 由于取消了键槽，轴的槽截面没有削弱，因而可降低应力集中系数值，”j 传递大扭矩和轴向力； ( 2 ) 定位精度高，传递力矩均匀，使轴受力合理，比键连接可采用较小的轴截 面，具有过载保护作用，安全可靠； ( 3 ) 装配简单，轴向定位可调整，拆装维修方便； ( 4 ) 可改善简体的制造工艺，制造成本低，降低对筒壳和轴的加工精度要求。 更重要的是在滚筒中应用胀套可减薄辐板。在带式输送机上使用胀套，辐板 减薄为柔性幅板，可以让轴充分发挥作用。 出于这里存在两个过盈配合，在有限元分析时，就要注意接触分析这一问题。 对于接触分析，将在后面详细说明。 滚筒包胶的主要优点就是表面摩擦系数大，适用于长距离大型带式输送机。 包胶是在光面钢制滚筒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( 网纹) 包胶滚筒。人字形 沟槽包胶滚筒如图2 6 所示。这种滚筒有方向性，不得反向运转。带人字形沟槽滚 简有沟槽存在，能使表面水薄膜中断，不积水，同时输送带与滚筒接触时，输送 带表面能挤压到沟槽里。由于这两种原因，即使在潮湿的条件下，摩擦系数仍降 低很少。菱形( 网纹) 包胶滚筒如图2 7 所示，这种滚筒没有方向性，滚筒可正反 转，对于可逆运输机采用菱形滚筒比较合适。 7 东北大学硕士学位论文第二章滚筒的分析及计算方法 一辅助螺钉2 一前压环3 一外环4 一岳压环5 一内环6 一紧定螺钉 图25 胀套结构 f i g2 5 s t r u c t u r eo f t a p e rl o c k 圉2 6 人字形沟槽包胶滚筒 f i g26p u l l e yw r a p p e db yh e r r i n g b o n el a g g i n gw i t hg r o o v e 图2 7 菱形包胶滚筒 f i g 27p u l l e yw r a p p e db yl a g g i n gw i t hr h o m b i cg r o o v e 滚筒的一些重要参数是以后参数化建模及建立实体模型所必需的，各类型滚 筒参数如下： 图2 8 是带式输送机等截面焊接辐板滚筒的主要参数示意图。这种滚筒的幅板 是等厚度的，辐板和轴焊接在一起。由图可以看到，这种滚筒的主要参数f 单位为 m ) 有： a - - 一一两轴承间距； b 卜滚筒壳宽度； b 两幅板间距； 卜滚筒壳厚度； 足一幅板厚度； d ，阶梯轴的直径1 ； 8 东北大学硕士学位论文第二章滚筒的分析及计算方法 a b 0 一 b 1 l l k 吕j 目 j _ b - - - 一 l 一 h l 口r i 一 i l 1l 己l 3 幽28 等截面焊接辐板滚衙的主要参数 f i g2 8 m a i np a r a m e t e rf o rt h es t r a i g h tw e b o f p u l l e y d 2 阶梯轴的直径2 ； d j 阶梯轴的直径3 ： 沙一滚筒壳直径： 上卜阶梯轴的长度1 ； 三2 阶梯轴的长度2 ； 三3 阶梯轴的长度3 。 b 0 b n 一 is i 1 2 广 一r 落鱼 i 一 d 1 一 q 1 _ 一盼 d2 fd r l 、 一 l 彳 l ll 2l3 图2 9 变截面胀套连接辐板滚筒的主要参数 f i g2 9m a i np a r a m e t e rf o rs t r a i g h tw e bc o n n e c t e dt os h a h w i t ht a p e rl o c ko f p u l l e y 9 东北大学硕士学位论文 第二章滚筒的分析及计算方法 图2 9 是带式输送机变截面辐板主要参数示意图，由图可以看到，其主要参数 ( 单位是m ) 有： 彳两轴承间距； 召口一一滚筒壳宽度； b 两幅板间距： 卜滚筒壳厚度： 剧幅板厚度1 ； 艘幅板厚度2 ： k 3 一一轮毂宽度； d 卜一阶梯轴的直径1 ； d 2 阶梯轴的直径2 ； 口一滚筒壳直径； 三卜一阶梯轴的长度1 ； 上2 阶梯轴的长度2 ； 上，阶梯轴的长度3 。 这种滚筒的幅板不是等厚度的，其厚度从简壳到轮毂逐渐增加，轮毂和轴的 连接采用胀套连接。带式输送机滚筒轴和轮毂之间的连接通常有胀套连接、键连 接、过盈连接3 种形式。 2 2 带式输送机滚筒的分类 带式输送机滚筒有很多种类型，主要有如下几种分类： 按驱动方式分：传动滚筒有： ( 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输入轴 相连。 ( 2 ) 内驱动式，即将驱动装鼍全部放在传动滚筒内，此种方式又称为电动滚筒。 如果仅将减速器装入在筒内，称为齿轮滚筒，或称外装式减速滚筒，适用于大功 率带式输送机。 按轴承内孔大小分，传动滚筒可分为： f 1 ) 轻型，孔径在5 0 l o o m m ； ( 2 ) 中型，孔径在1 2 0 1 8 0 m m ； f 3 ) 重型，孔径在2 0 0 2 2 0 1 m n 。 这种分类对于改向滚筒也适用。外面铸上一层橡胶的滚筒称为铸胶滚筒：用 机械方法包上一层橡胶的滚筒称为包胶滚筒；什么也不包的滚筒称为光面滚筒。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章滚筒的分析及计算方法 改向滚筒常为光面滚筒。 按外形分，传动滚筒可分为： ( 1 ) 鼓型滚筒。用钢板卷圆焊接而成，中问部分筒径大于两边筒径约几毫米， 目的是防止输送带跑偏。 ( 2 ) 叶片式滚筒。滚筒由许多横向叶片组成，目的是便于清洁输送带，此类滚 筒又称为自清扫滚筒。如果将叶片改为圆钢棒，则称为棒式滚筒。自然也可以将 圆柱形钢壳上丌上横槽，也可以起到自清扫作用。此类滚筒称为格栅滚筒。 ( 3 ) 沟槽胶丽滚筒。滚筒的护面开上菱形、人字形、直线行、环形、梯形则分 别称为菱形护面、人字形护面等各种面形状的滚筒，其目的是增大摩擦系数和便 于排出粘着物料。传动滚筒护面常选用菱形和人字形。 按功能分，传动滚筒可分为： ( 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，使输送带同滚筒包胶之间成真空，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，磁力滚筒就称为除铁滚筒。 ( 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。各轮胎充 气压力不同时，也起到鼓型滚筒作用。 ( 4 ) 陶瓷滚筒。滚筒护面由许多陶瓷片镶成，一方面可以增大摩擦力，另一方 面便于清扫。陶瓷片也可做成插板式，以便于更换。 而本文的后面分析的滚筒则是按照结构的不同来给滚筒分类。主要有以下几 种： ( 1 ) 等截面辐板焊接滚筒 这种滚筒结构比较简单，辐板的厚度不变，辐板和简壳、轮毂是焊接在一起， 它的结构和主要尺寸参数如图2 1 0 。 ( 2 ) 等截面辐板过盈配合滚筒 这种滚筒的幅板厚度也是不变的，辐板和轴之间有轮毂，轮毂和轴之间为过 盈连接，有的是过盈配键连接，如图2 1 1 ，2 1 2 。 ( 3 ) 变截面辐板过盈连接滚筒 这种滚筒的幅板厚度是变化的，从简壳到轴厚度逐渐增大，而辐板厚度变化 规律不同，反映到滚筒的力学特性也是不同的。这就有必要研究一下变截面幅板 厚度的最佳变化形式，这种幅板的轮毂和滚筒轴也是过盈连接。其结构和尺寸如 图2 1 3 。 查i ! 查兰堑主兰竺笙查堑三主垄笪竺坌堑墨三茎主查 圈21 0 等截面辆板焊接滚筒 f i g21 0p u l l e yw i t hs t r a i g h tw e b w e l d e dt 0s h m 图21 2 等截面辐板过盈配合( 配键) 滚筒 f i 9 21 2p u l l e y w i t hs t r a i g h t w e bc o n n e c t e d t os h a r w i t hi n t e r f e r e n c ef i t ( w i t hb o n d ) 图21 1 等截面辐板过盈配台滚筒 f i g211p u l l e yw i t hs t r a i g h tw e bc o n n e c t e d t os h a rw i 出i n t e r f e r e n c ef i t 王# 。扛，匡薏王匝 矿一f 七常 u m。，h 图21 3 变截面辐板过盈配合滚筒 f i g2 1 3p u l l e yw i t ht a p e r e dw e bc o n n e c t e dw i t hs h a f t w i t hi n t e r f e f e n c ef i t b0 日 f 卫 壬! 二= = 二j i 萨前程壬调o l 鼍8 l il 2l 3 图21 4 等截面辐板胀套接连滚筒图 f i g21 4p u l l e yw i t hs t r a i g h tw e bc o n n e c t e d w i t hs h a f tw i t ht a p e rl o c k b 0 s 【24 r 二i 菡 王一l 一一一l lo ，十一班珂。 节1飞i 图21 5 变截面辐板胀套连接滚筒 f i g21 5p u l l e yw i t ht a p e r e dw e bc o n n e c t e d w i t hs h a f tw i t ht a p e rl o c k ( 4 ) 等截面辐板胀套连接滚筒 这种滚筒的幅板截面也是不变的，辐板下面的轮毂和轴由胀套连接。其结构 和尺寸如图2 1 4 所示： 1 2 东北大学硕士学位论文第二章滚筒的分析及计算方法 ( 5 ) 变截面辐板胀套连接滚简 这种滚筒辐板厚度从简壳到轴逐渐增大，轮毂和轴胀套连接。其结构和尺叫 如图21 5 所示： 骥熊 ( a ) 驱动滚筒巧 正 ( b ) 改向滚筒一= 正 图2 1 6 滚筒上的带张力 f i g21 6 t e n s i o no f b e l to np u l l e y 2 3 1 筒壳表面载荷沿圆周方向的分布 由上图可以看到，在驱动滚筒上，带的张力沿圆周方向是变化的，从而在带 与滚筒接触范围内产生垂直于滚筒表面的法向力和与滚筒表面向切的切向力。 根据欧拉公式，表面载荷沿圆周方向的变化是指数的。在过去的计算中，由 于处理问题困难，也有采用线性分布规律的。当围包角醴口只时，带张力的变 化函数如下： 指数规律：丁( 曰) = 正p 一b 1 ( 2 1 ) 线性规律：丁( 曰) 2 瓦+ 为暑泰( b 一口) ( 2 - 2 ) 当0 口 岛和岛 臼 2 万时，r ( a ) = 0 滚筒表面单位面积法向力遵循如下式： p ( 曰) = 鬻 ( 7 _ 3 ) 山上式可知，单位面积切向力为：# ( 臼) = p ( 臼) 对于从动滚筒，带张力沿圆周方向不变，两边的带张力相等，可以认为只有 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章滚筒的分祈及计算方法 法向力。 2 3 2 筒壳表面载荷沿轴向的分布 筒壳表面载荷沿轴向分布最直接的考虑是沿带宽方向均匀分布，考虑到沿带 宽方向的强大应力会造成带的边缘会相对松弛。因而，有的学者提出了筒壳表面 载荷沿轴向为一阶和三阶正弦分布。然而，这样的处理方法是基于将均匀分布函 数按傅立叶级数展开得到的，这样三阶正弦分布并不存在。从造成应力分布不均 匀的原因看，我们可以考虑采用一种梯形分布，其原因是输送带边缘的松弛效应 大，而中间部分可以看成是均匀的。 沿轴向线性变化规律如下： 丁( z ) = v ( o ) b( 2 - 4 ) 沿轴向梯形变化规律如下： l - ( z ) 老(洲2)1 ( - m 2 ) 6 2 r 严 竺鲤 ( 1 一卅2 ) 6 2 b 2 z 一m b 2 ( 1 ) m b 2 z s m b 2 f 2 - 5 ) ( b 2 一z ) r o b 2 = _ b 2 沿轴向一阶正弦变化规律如下： 晔) = 警咖t ( b 2 - z ) , r 变化曲线图如图2 1 7 。 一 一二弋。” 图21 7 简壳表面载荷沿轴向分布 f i g21 7d i s t r i b u t i n go f l o a da l o n gt h ea x i s - 1 4 ( 2 - 6 ) 黪 一、= = ， 东北大学硕士学位论文第二章滚筒的分析及计算方击 2 4 滚筒的几种常规设计计算方法 下面对美国国家标准、d t i i 型滚筒设计手册给出的计算方法和同本学者宗孝 所给出的计算方法进行比较： 2 4 1 美国国家标准 在这个标准中，从外向罩确定滚筒尺寸，应用强度理论和相同参数的对比来 更加精确地确定这些尺寸。 其主要步骤如下： ( 1 ) 根据设计要求确定滚筒直径和表面宽度； ( 2 ) 选定滚筒的轴系； ( 3 ) 确定轮毂的尺寸； ( 4 ) 实际组合径向载荷的确定； ( 5 ) 根据轴的允许载荷，利用组合载荷月，适当地滚筒直径及滚筒长度查表选 择滚筒轴的直径，并查出轴的允许载荷应等于或大于组合载荷r ； ( 6 ) 按组合弯矩和扭矩的应力来确定轴的直径。传动轴的直径建议按下式确 定： 肚摆厄丽 f 2 7 1 其中： d 轴的直径； k 。考虑弯矩时冲击和疲劳系数，取1 5 ； 丘扭转运行系数，取1 0 ； m b 弯矩： 4 扭矩； p t 许用剪切应力。 ( 7 ) 取( 5 ) 、( 6 ) 中较大的轴径。由上式所确定的轴径和所要求的滚筒宽以及额 定能力应不小于组合载荷r 。如果额定能力不能满足，则应取较大的轴径； ( 8 ) 输送带许用张力的验算； ( 9 ) 按已经选取的滚筒和轴查表选出系数g ； ( 1 0 ) 确定比值r g ： ( 1 1 ) 由r g 查表得h ； ( 1 2 ) 计算rx h ，若大于( 7 ) 中所选择滚筒的额定能力，则按( 8 ) ( 1 1 ) 重新选择 滚筒和轴，且其额定能力不得小于该值。 1 5 东北大学硕士学位论文第二章滚筒的分析及计算方法 2 4 2d t ii 手册滚筒设计方法 ( 1 ) 滚筒的选择 滚筒直径： 。一3 6 0 c + e ) 一可；两矿 p 】- 一输送带许用比压； r 输送带紧边张力； 正输送带松边张力； b 带宽。 ( 2 ) 结构设计计算、确定筒壳的厚度； r 3 ) 辐板 a 、径向变截面辐板轮廓； b 、辐板内径上的临界厚度； c 、滚筒轴与辐板间的力矩分配。 f 4 ) 胀套 ( 2 - 8 ) ( 5 ) 轴的计算 a 、按转角和挠度条件确定轴径； b 、按轴的强度条件确定轴径。 ( 6 ) 轮毂的计算 a 、轮毂内径可由胀套外径确定； b 、轮毂的宽度要满足胀套的