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太原理工大学硕士研究生学位论文 带式输送机特大型滚筒的设计 摘要 带式输送机是散状物料输送的主要设备。其中，滚筒是带式输送机的 关键部件，起驱动输送带运行的作用。滚筒的结构直接影响带式输送机运 行的可靠性。我国对带式输送机已制定了参数系列，其系列中驱动滚筒的 最大直径为1 6 0 0 m m ，与此对应的输送带抗拉强度最大为4 0 0 0 n m m 。随着 带式输送机的大型化，对输送带的抗拉强度要求越来越高。实际上，我国 目前已经生产出抗拉强度为4 5 0 0 n m m 6 0 0 0 n m m 的输送带，而直径为 1 6 0 0 m m 以下的滚筒显然不能满足与抗拉强度的匹配要求。因此，本文对直 径为1 6 0 0 m m 以上的特大型滚筒进行了设计，其主要内容如下所述： 首先，对带式输送机1 4 种参数的滚筒进行了结构设计。完成了直径从 1 7 0 0 m m 2 0 0 0 m m 滚筒的总图设计，然后分别对滚筒的全部零部件一筒壳、 轴、辐板与轮毂、胀套以及挡盖进行了结构设计。 其次，对以上1 4 种滚筒进行了静态分析。利用a n s y s 软件对已设计 出的滚筒建模，划分网格，定义边界条件，施加载荷，进行静态计算，找 出最大应力处，校核最大应力，使滚筒的结构设计安全可靠。 再次，对所设计的1 4 种滚筒实现了参数化绘图。在a u t o c a d 环境下， 利用v b a 语言对所设计滚筒的总图和零件图( 筒壳、辐板、滚筒组件、轴、 挡盖) 实现了参数化绘制。不仅节省了设计人员的绘图时间，而且提高了 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 滚筒的设计水平和效率。 最后，对所设计的其中一种滚筒进行了优化。借助a n s y s 软件中的 优化模块，选择三个优化设计变量，即滚筒的厚度、筋板的厚度和辐板圆 孔的半径，以滚筒结构的总重量为目标函数优化。优化后的滚筒节省了材 料，降低了成本。 关键字：带式输送机，滚筒，有限元，参数化绘图，优化设计 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed e s i g nf o rs p e c i a lg o o d l - s i z e d d r u m so ft h eb e i jc o n v e y o r s a b s t r a c t t h eb e l tc o n v e y o ri st h em a i ne q u i p m e n to fb u l km a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o n t h e r e i n t o ，t h ed r u mi st h em a i nc o m p o n e n to ft h eb e l tc o n v e y o ni ti su s e dt o d r i v et h eo p e r a t i o no ft h eb e l t s t h es t r u c t u r eo ft h ed r u mi n f l u e n c e sr e l i a b i l i t y o fo p e r a t i o nf o rt h eb e l tc o n v e y o rd i r e c t t h e r ea l et h ep a r a m e t e rs e q u e n c e so f t h ed r u m si no u rc o u n t r y t h el a r g e s td i a m e t e ro ft h ed r u mi nt h ed i a m e t e r c r i t e f i o ni s16 0 0m i l l i m e t e r , a n dt h eh i g h e s tt e n s i l es t r e n g t ho ft h eb e l ti s4 0 0 0 n e w t o n p e rm i l l i m e t e r h o w e v e r , w i t ht h eg o o d - s i z e db e l tc o n v e y o r ，t h et e n s i l e s t r e n g t ho ft h eb e l ti sd e m a n d e dh i g h e ra n dh i g h e r i nf a c t ，t h e r ea r et h eb e l t s t h a tt h et e n s i l es t r e n g t hi sf r o m4 5 0 0n e w t o np e rm i l l i m e t e rt o6 0 0 0n e w t o n p e r m i l l i m e t e rn o w a p p a r e n t l y , t h ed r u mt h a tt h ed i a m e t e ri sl e s st h a n1 6 0 0 m i l l i m e t e rc a n ts a t i s f yt h ed e m a n d s o ，t h ep a p e ri st od e s i g nt h ed r u m w h o s e d i a m e t e ri sm o r et h a n1 6 0 0m i l l i m e t e r t h ec o n t e n to f t h e p a p e ri sa sf o l l o w s f i r s t ，t h ep a p e ri st od e s i g nt h es t r u c t u r eo ff o u r t e e nd r u m s i td e s i g n st h e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 g e n e r a lc h a r t o fd r u m st h a tt h ed i a m e t e ri sf r o m17 0 0m i l l i m e t e rt o2 0 0 0 m i l l i m e t e r i ta l s od e s i g n sc o m p o n e n t so fd r u m s ，v i z c y l i n d r i c a ls h e l l ，a x i s ，w e b ， e x p a n s i o nb u s h i n ga n ds h i e l d s e c o n d ，t h ep a p e ri ss t a t i ca n a l y s i sf o rf o u r t e e nd r u m sb yu s i n ga n s y s i t i sm o d e l i n gf o rd r u m s ，c a r v i n gu pt h en e t , d e f i n i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n ， f o r c i n g ，s t a t i ca n a l y s i s ，f i n d i n ga n dc h e c k i n gt h em a x i m a ls t r e s s ，t h e nm a k i n g t h ed e s i g no ff o u r t e e nd r u m ss e c u r i t ya n dc r e d i b i l i t y n e x t ，t h ep a p e ri sp a r a m e t e rd r a w i n gf o rf o u r t e e nd r u m s i tm a k e sd r u m s c a r r yo u tt h ea u t o m a t i cd r a w i n go fg e n e r a lc h a r ta n dc o m p o n e n td r a w i n gb y u s i n gv b al a n g u a g eu n d e rt h ea u t o c a dp r o g r a me n v i r o n m e n t i ts a v e st h e d e s i g n e r sd r a w i n gt i m e ，i m p r o v e st h el e v e lo f t h ed r u ma n dd r a w i n ge f f i c i e n c y f i n a l l y , t h ep a p e ri st oo p t i m i z eo n eo fd r u m si nf o u r t e e nd r u m sb yu s i n g a n s y s i tc h o o s e st h r e eo p t i m i z a t i o nd e s i g nv a r i a b l e s ，v i z t h et h i c k n e s so ft h e d r u m ，t h et h i c k n e s so ft h ep l a t ea n dt h er a d i u so fw e b sh o l e ，a n do b j e c t i v e f u n c t i o nf o rt h eg r o s sm a s so ft h ed r u m t h ed r u mc a ns a v em a t e r i a la n dt a k e f r o mc o s ta f t e rt h eo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：b e l tc o n v e y o r ，d r u m ，f i n i t e e l e m e n t ，p a r a m e t e rd r a w i n g ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：查鳖日期： 泖上三 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 导师签名：日期：! i ：主：! 兰 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究的目的与意义 第一章绪论 带式输送机是冶金、电力和化工等厂矿企业常见的连续动作式运输设备之一，尤其 是在煤炭工业中使用广泛。带式输送机可以输送煤、矸石及其它粉末状物料，也可以输 送包装好的成件物品。但为了保护输送带，不宜输送有坚硬棱角的不规则形状物料。它 输送能力大、调度组织简单、维护方便，因而营运费低。此外，带式输送机结构简单、 运转平稳可靠、运行阻力小、耗电量低、容易实现自动化也是它的特点。 大型带式输送机是当前散状物料输送的主要方式。由于现代化工业的不断发展，带 式输送机已经成为国民经济各部门生产过程中的重要组成部分。它正朝着长距离、大运 量、高速度方向发展。目前，带式输送机广泛应用在煤炭、冶金、水泥、电力、港口、 化工等行业。它由滚筒、托辊、胶带、支架等多种零部件组成，每种又包括若干类型， 加之不同的地形、工况、布置形式又有多种变化，使得带式输送机的设计任务相当繁重， 尤其各个部件的设计涉及较多的知识与规则。随着国内外市场的迅速发展，带式输送机 越来越大型化，为了适应这种要求，必须对其结构进行设计，而以往的设计还存在一些 不足，因此迫切需要对其结构进行优化。 滚筒是带式输送机的主要部件，其使用寿命严重地影响带式输送机的正常运转和生 产。带式输送机大部分为机头单端驱动。就驱动滚筒数目而言，有单滚筒和双滚筒驱动。 其中双滚筒驱动有两种形式，即双滚筒共同驱动和双滚筒分别驱动。根据在带式输送机 中的作用不同，滚筒分为传动滚筒和改向滚筒。传动滚筒与改向滚筒在工作状态下的受 力情况不同，要求结构也不同。州 1 2 国内外的研究发展概述6 儿哪对d 册5 】【斗儿卿 硎“那钉 随着带式输送机的大型化，滚筒作为带式输送机的重要部件也越来越受到国内外重 太原理工大学硕士研究生学位论文 视。带式输送机在传统设计中，由于缺乏精确的滚筒强度计算方法。因而采用很高的安 全系数，使得滚筒结构很重，且可靠性并没有明显提高。在现代设计中，逐步提高了滚 筒的设计要求。 平煤集团机电设备有限公司在三维c a d 软件s o l i dw o r k s 中创建带式输送机传动 滚筒的三维模型，然后用有限元分析软件c o s m o s w o r k s 对其静力分析，基本掌握了传 动滚筒的受力和变形情况。并根据有限元计算结果，以滚筒壁厚优化设计为例，介绍了用 有限元法进行传动滚筒优化设计的过程。西安科技学院刘金依等人采用c a d 软件p r o e 和a n s y s 有限元分析软件，对英国安德森一梅沃公司的顺槽可伸缩带式输送机的 驱动滚筒进行了计算，得出其应力分布图，可以很方便地找到应力。湖北建设机械股份 有限公司谢国强介绍了一种新型的内藏式液压马达驱动滚筒的结构，该液压驱动滚筒是 将液压马达置于滚筒内部，并通过一级齿轮减速，使液压滚筒的转速达到设计需要。这 种将驱动滚筒与减速机构和液压马达合并成一体的液动滚筒，具有内藏式电动滚筒的性 能，其调速性能优于电动滚筒，有较高的实用性和先进住。c h r i s t i a nl i n d n e r 提出对皮 带滚筒进行有限元计算，用有限元法可使设计者对皮带滚筒进行较精确的计算，用所给 出的方程式，对滚筒筒壳和辐板计算轴向应力、径向应力和切向应力。皮带滚筒在理论 上作了最广泛研究的是1 9 6 3 年赫尔穆特、郎格所著的有关带式输送机滚筒计算的研究 的论文。北京起重运输机械研究所张喜军的关于长距离带式输送机设计观点的发展 一文中，阐述了利用动态分析方法对大型带式输送机进行优化设计。利用动态分析可以 找出大型带式输送机在起动和制动过程中可能出现的动态危险。北京机械工业学院王建 华的双滚筒共同驱动的带式输送机寄生力的产生机理与对策一文中，分析了双滚筒 共同驱动的带式输送机寄生力的产生机理及危害，得出不产生寄生力的条件，为带式输 送机驱动装置的设计提供了理论依据。同时又在( d t i i 型带式输送机数据库系统设计 一文中，介绍了用v i s u a lf o x p r o6 0 实现d ti i 型带式输送机数据库管理系统模块的 设计，同时可与v c + + 、v b 、a u t o c a d 等绘图软件连接。西安科技学院采用了a n s y s 软 件进行有限元分析，对带式输送机驱动滚筒的应力分布规律进行计算和分析，从理论上 对滚筒的常见破坏形式进行了分析研究。天津工程机械研究所c a d 3 中心方昀的工 程机械行业c a d 软件选型分析一文中，介绍a u t o c a dr 1 4 提供了一套丰富的设计 工具，嵌入的i m e r n e t 技术和具有创新性o b j e c t a r x ，a u t o l i s p 及v b a 编程语言能够 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 帮助开发人员和用户按他们的特定需求控制软件。 虽然一些专家对滚筒进行过研究，但是运用先进的a n s y s 软件来进行结构分析和 运用v b a 语言在a u t o c a d 中实现参数化绘图的不多。本课题在参考前人研究的基础 上运用a n s y s 软件对带式输送机滚筒进行精确的有限元静态分析及优化分析，同时在 a u t o c a d 环境下，利用v b a 语言对滚筒实行参数化绘图。 1 3 有限元软件a n s y s 的发展概述【1 】【打m 【牛j 【竹j 5 斗】 a n s y s 是集结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析 软件。由世界上著名的有限元分析软件公司a n s y s 开发，它能与多数c a d 软件结合使用， 实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、a l o g o r 、i - d e a s 、a u t o c a d 等， 是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 1 3 1a n s y s 的发展 a n s y s 公司是由美国匹兹堡大学力学系教授、有限元法的权威、著名的力学专家 j o h ns w a n s o n 博士1 9 7 0 年仓建而发展起来的，其总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡 市，目前是世界c a e 行业最大的公司之一 a n s y s 软件最初版本提供热分析及线性结构分析功能，而且是一个批处理程序，只 能在大型计算机上使用。2 0 世纪7 0 年代初加入了非线性、子结构等功能；2 0 世纪7 0 年代末，图形技术和交互操作方式应用到了a n s y s 中，使得a n s y s 的使用进入了一个 全新的阶段。 经过3 0 多年的发展，a n s y s 软件更加趋于完善，功能更加强大，使用也更加方便。 1 3 2a n s y s 的应用 a n s y s 是一个通用的有限元分析软件，它具有多种多样的分析能力，其功能除结构 分析以外，还包括热分析、电磁分析、流体分析、耦合场分析等。a n s y s 还具有优化设 计的功能。 1 3 3a n s y s 的主要特点 a ：n s y s 的主要技术特点如下； 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 唯一能实现多场及多场耦合分析的软件。 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型有限元软件。 唯一具有多物理场优化功能的有限元软件。 唯一具有中文界面的大型通用有限元软件。 强大的非线性分析功能。 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置。 支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文 件全部兼容。 强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行。 多种自动网格划分技术。 良好的用户开发环境。 a n s y s 支持的图形传递标准： s a t p a r a s o l i d s t e p a n s y s 与c a d 软件的接口： u n i g r a p h i c s p r o e n g i n e e r i d e a s c a t i a c a d d s a - s o li d e d g e s o l i d w o r k s 1 4c a d 技术的二次开发t 3 1 1 1 3 2 1 州 斗们州 ，f 5 3 儿6 订 在机械制图中，经常会使用到标准件，很多使用者在作图中往往采用图块的方式来 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 实现，然而有些标准件的尺寸参数繁多，即使将其大卸八块，一一将其拼装成形，也会 花费不少时间，效率不高。如果编写一个应用程序一次完成这类问题，肯定会大大提高 作图效率。 在a u t o c a i ) 2 0 0 0 中，可用于二次开发的内嵌开发工具不少，例如v b a 、v i s u a l l l s p 、 a r x 等，而a r x 和o b j e c ta r xs d k 都是以c c + + v c 为基础的程序语言，对于多数 a u t o c a d 用户来说，在短时间内学好c c h v c 语言程序，并能熟练地应用于a u t o c a d 系统和程序开发无疑是件相当苛求的事。因此v b a 和v i s u a l l i s p 就成为二次开发工 具语言中的主流，其中v b a 因为语法更为简单易学、对提示窗口的设计有独到之处而 备受青眯。 v b a 通过对主应用程序提供的a c t i v e x 对象的引用，实现主应用程序的开发。由于 a u t o c a da c t i v e x 提供了一系列a c t i v e xo b j e c t 供v b a 从a u t o c a d 内部调用，它们 按功能不同分成5 类，即图元类对象、样式设置类对象、组织结构类对象、图形显示类 对象、文档和应用程序类对象。所有这些对象有一种层次关系，可以用对象模型树来描 述。每种a c t i v e xo b j e c t 代表一个明确的功能，如画线、绘制剖面线、图块定义以 及尺寸标注等。a u t o c a d 所提供的大多数功能，均以方法和属性的方式被封装在a c t i v e x o b j e c t 中。只要使用某种方式，使a c t i v e x 对象得以“暴露”，那么就可以使用某种面 向对象的编程语言( 如v b a ) 对其中的方法和属性进行引用，从而可达到对a u t o c a d 实 现编程的目的。 v b a 的全称是v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ，它的魅力来自两个方面：第一， 与、，b 有着几乎相同的开发环境和语法，具备功能强大和易于掌握的特点。第二，在于 它的f o ra p p l i c a t i o n 功能，即它的针对性非常强，它驻留在主程序的内部，使其结 构精简，且代码运行效率非常高。总之，v b a 适用于专业和非专业的开发人员使用，具 有十分广泛的应用前景。v b a 的主要功能如下： ( 1 ) v b a 可提供强大的窗体创建功能，为应用程序建立对话框及其它屏幕界面； ( 2 ) 可创建自己的工具条； ( 3 ) 可创建功能强大的模块级宏指令，宏名实质上就是模块的过程名； “) 提供建立类模块的功能，这对开发大型工程非常有用，因此类可提供重用组件。 另外，对于a u t o c a da c t i v e x 技术中的应用程序级和对象级事件调用，将使用类模块； 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 具备完善的数据访问和管理能力，通过d a o ( 数据访问对象) ，可以对a c c e s s 数据库或其它外部数据库实现访问和管理； ( 6 ) 可以使用s q l 语句检索数据，与r d o ( 远程数据对象) 结合起来，能够建立客 户机服务器级的数据通信： 综上所述，可以看出v b a 二次开发工具为设计和绘制复杂轮廓提供了强有力的工 具。与其它二次开发工具相比较，具有简单易学、开发效率高的显著特点。它不仅提供 了良好的人机界面，而且降低了编程的复杂性。本课题选择v b a 语言在a u t o c a d 平台 下对带式输送机的滚筒进行参数化绘图。 1 5 主要研究内容 本论文的主要任务是对直径为1 6 0 0 m i 以上的特大型滚筒进行了设计。目前我国对带 式输送机已制定了参数系列，其系列中驱动滚筒的最大直径为1 6 0 0 m m ，与此对应的输送 带抗拉强度最大为4 0 0 0 n 咖。随着带式输送机的大型化，对输送带的抗拉强度要求越来 越高。实际上，我国目前已经生产出抗拉强度为4 5 0 0 n m m 6 0 0 0 n m m 的输送带，而直径 为1 6 0 0 m m 以下的滚筒显然不能满足与抗拉强度的匹配要求。因此，要对直径为1 6 0 0 唧以 上的大型滚筒进行设计。 ( 1 ) 滚筒结构设计。目前，国内外对滚筒进行结构设计的颇多，但对于直径1 6 0 0 姗 以上大型滚筒的设计并不多见。因此，本文对直径1 6 0 0 m m 以上的1 4 种大型滚筒进行了结 构设计，包括筒壳、轴、辐板与轮毂、轴与轮毂间的联接件胀套以及挡盖的设计。 ( 2 ) 滚筒有限元分析。对所设计的1 4 种滚筒，利用a n s y s 软件建立滚筒的有限元模 型，精确确定滚筒的载荷分布，用有限元方法研究其位移和应力分布情况。 ( 3 ) 滚筒参数化绘图。对所设计的1 4 种滚筒，利用a u t o c a dv b a 二次开发技术对滚 筒参数化设计，从而实现了零件图和总图的自动生成，可以大大减轻科研人员的工作量， 提高设计效率。 ( 4 ) 滚筒优化设计。对其中的一种滚筒，通过优化设计理论，借助a n s y s 软件研究 适合滚筒结构的优化设计方法，确定设计变量、状态变量和目标函数，进一步对滚筒优 化。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 。6 本章小结 本章主要介绍了课题的研究目的与意义，课题相关领域的国内外研究动态，以及对 本课题相关软件作了概述，最后提出了论文的主要内容。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章带式输送机特大型滚筒的结构设计 近年来，国内外对带式输送机相关理论的研究取得了很大进展，因此，带式输送机 主要部件的技术性能也有了明显提高，这为带式输送机向长距离、大型化方向发展奠定 了基础。其中，大型驱动滚筒的结构也需要一种合理的设计。本章将对带式输送机特大 型驱动滚筒零部件的结构进行设计，最后定出特大型滚筒的参数。 2 1 滚筒的筒壳设计 滚筒是带式输送机的重要部件。对于滚筒的筒壳结构，本章将从筒壳的厚度、筒壳 的直径、筒壳的宽度三方面进行研究。 2 1 1 筒壳的直径【 本次设计的大型驱动滚筒主要用于钢绳芯带式输送机。对于钢绳芯带式输送机，驱 动滚筒的直径取决于输送带的强度及钢绳芯直径，一般驱动滚筒直径与钢绳芯直径之比 不小于1 5 0 。目前我国钢绳芯带式输送机系列中输送带的最大抗拉强度为4 0 0 0 n m m 。而 我国已经生产出强度为6 0 0 0 n m m 的输送带，如表2 1 所示。 表2 1 输送带抗拉强度 t a b 2 - 1t h et o n s i l es t f e n g t ho fc o n v o y o rb e l t 根据输送带强度的选择，我们设计的滚筒直径较大，如表2 2 所示。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 筒壳的厚度 在现有的带式输送机结构中，主要采用铸造滚筒。只有在产量很小时才采用焊接滚 筒，因为在这种情况下准备铸造工艺装备是不合算的。焊接滚筒的厚度与铸造滚筒接近， 而它的制造较铸造滚筒困难。而且实践表明，重载下的焊接结构滚筒经常会由于焊缝的 破裂而失效，铸造滚筒会大大降低这种机率。因此，大型滚筒采用铸造结构。本次设计 采用铸造结构的滚筒。 目前，筒壳厚度的精确计算还没有。在设计中，大多数人采用经验公式确定筒壳厚 度, t s l 即 h=0005d+6(2-1) 其中 筒壁厚度，砌； d - - 筒壳直径，珊。 通过公式( 2 - 1 ) 计算所得的筒壳厚度一般偏小，而且考虑到耐磨损和易于制造， 筒壳的厚度一般取的较厚，如表2 3 所示。 表2 - 3 筒壳直径与筒壁厚度 筒壳直径( m ) 1 7 0 01 8 0 01 9 0 02 0 0 0 筒壁厚度( m ) 3 1 3 3 3 53 7 2 1 3 筒壳中部凸起及其宽度【4 儿叮n 【2 翻 筒壳外壁的中部一般制成凸形，其目的是为了防止输送带在运输过程中左右偏移， 以及避免输送带偏重受载和两边磨损。滚筒的中部凸起一般按滚筒宽度取1 6 0 1 5 0 。 但本次设计的筒壳中部没有凸起。筒壳的宽度与所选输送带的宽度有关。输送带有效带 宽的选择合理与否，直接影响着运量的大小。有效带宽过大，会由于输送带运行时的上 下振动和左右摆动，而使物料从输送带两边往外泄漏而影响生产，有效带宽过小，则 会降低运量而使效率降低。按经验值滚筒宽度可按输送带宽度加大1 5 0 m m 2 0 0 m m 。即 量= b + ( 1 5 0 2 0 0 ) ( 2 2 ) 其中丑筒壳宽度，衄； b 输送带宽度，m m 。 根据公式( 2 - 3 ) 和公式( 2 - 4 ) 确定滚筒的最小直径，即 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 f ：盖s 嘲 形 。 = q b 得露s 三盟二丝型 8 9 其中 乙- i 衮筒的最大转矩，n 砌； 形抗扭剪面系数，一，形= 等 ( 1 一矿) ； j k 输送带的最大张力，n 5 q 输送带的强度，n m l o d 筒壳的直径，砌； a 筒壳的内外径之比， 【f 卜一筒壳的许用切应力，m p a ， f = 6 0 m p a 。 本文设计的筒壳结构如图2 1 所示。 图2 - 1 筒壳的结构图 f i g 2 - 1s k e t c ho fc y l i n d r i c a is h e l l 初步确定滚筒的直径、滚筒的宽度和输送带的宽度，如表2 - 4 所示。 2 2 轴的设计 1 0 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 4 滚筒的基本参数 t a b 2 - 4t h ep r i m a r yp a r a m e t e r $ o fd r u m s 滚筒直径( m )输送带强度( n m )输送带宽度( m )滚筒宽度( 哪) 1 2 0 0 1 4 0 0 1 4 0 01 6 0 0 4 5 0 0 1 6 0 01 8 0 0 1 8 0 02 0 0 0 1 7 0 0 1 2 0 01 4 0 0 5 0 0 01 4 0 01 6 0 0 1 6 0 01 8 0 0 5 5 0 01 2 0 01 4 0 0 5 0 0 01 8 0 02 0 0 0 1 8 0 05 5 0 01 4 0 01 6 0 0 6 0 0 01 2 0 01 4 0 0 2 0 0 02 2 0 0 4 5 0 0 2 2 0 02 4 0 0 1 9 0 05 0 0 0，2 0 0 0 2 2 0 0 5 5 0 01 6 0 01 8 0 0 6 0 0 01 4 0 01 6 0 0 5 0 0 02 2 0 02 4 0 0 2 0 0 05 5 0 01 8 0 02 0 0 0 6 0 0 01 6 0 01 8 0 0 作回转运动的零件都要装在轴上实现其回转运动，大多数轴还起着传递转矩的作 用。常见的轴有直轴和曲轴，根据轴的承载情况可分为转轴、心轴和传动轴三类。轴的 材料主要采用碳素钢和合金钢。常用的碳素钢有3 0 5 0 钢。为保证其力学性能，应进行 调质或正火处理。合金钢具有较高的机械强度，可淬性较好，可以在传递大功率并要求 减少质量和提高轴颈耐磨性时采用，常用的合金钢有4 0 c r 、1 2 c r n i 2 和3 8 s i m n m o 等。本 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 次设计的轴材料为4 0 c r 。2 町 一般情况下，轴的工作能力决定于它的强度和刚度。在设计轴时，除应按照工作能 力准则设计计算或校核计算外，在结构设计上还须满足其它一系列的要求；例如：1 ) 多 数轴上零件不允许在轴上作轴向移动，需要用轴向固定的方法使他们在轴上有确定的位 置；2 ) 为传递转矩，轴上零件还应作周向固定；3 ) 对轴与其它零件问有相对滑动的表 面应有耐磨性的要求；4 ) 轴的加工、热处理、装配、检验、维修等都应有良好的工艺 性：j ) 对重型轴还须考虑毛坯制造、探伤、起重等问题。 轴的强度计算主要有三种方法：许用切应力计算、许用弯曲应力计算和安全系数校 核计算。许用切应力计算只需知道转矩的大小。这种方法简便，但计算精度较低。它主 要用于下列情况：1 ) 传递以转矩为主的传动轴；2 ) 初步估算轴径以便进行结构设计； 3 ) 不重要的轴。许用弯曲应力计算必须先知道作用力的大小和作用点的位置、轴承跨 距、各段轴径等参数。因此，常常先按转矩估算出轴径，并进行轴的结构设计后，即可 画出轴的弯扭合成图，然后计算危险截面的最大弯曲应力。它主要用于计算一般重要的、 弯扭复合的轴，计算精度中等。安全系数校核计算也要在结构设计后进行，不仅要定出 轴的各段直径。而且要定出过渡圆角、轴毂配合、表面粗糙度等细节。它主要用于重要 的轴，计算精度较高，但计算较复杂，且常需要足够的资料才能进行。安全系数校核计 算能判断各危险截面的安全程度，从而改善各薄弱环节，有利于提高轴的疲劳强度。这 三种方法可单独使用或逐个使用。王l 本论文对轴的强度设计采用两种方法，即许用切应力计算和许用弯曲应力计算。首 先按许用切应力计算出轴的最小直径，根据公式( 2 6 ) 3 】 z r 。亩。壶剐叶】 ( 2 嘞 厂f 得 赴南( 2 - 7 ) 其中d 轴的直径，m i l l ； k 卜一轴的许用切应力，m p a ， r = 4 0 m p a 。 然后按许用弯曲应力校核危险截面，根据公式( 2 8 ) 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 得 气= 等= 羔铂】气2 可2 而i s h j d 其中膨当量弯矩，n p a ，m ：函j 。：i 孑： 矽_ 啦的抗弯截面系数，h l n 1 3 ，= ! 筹； j 上 吒】许用弯曲应力，m p a ，【c r b = 2 5 0 m p a 。 为了提高轴的强度，同时减轻重量，可以从以下几方面考虑： 1 合理布置轴上零件，减小轴受转矩； 2 改进轴上零件的结构，减少轴受弯矩； 3 。采用载荷分担的方法减少轴的载荷： 4 采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷； 5 改变支点位置，改善轴的强度和刚度； ， 6 改进轴的结构，减少应力集中； 7 改善表面品质提高轴的疲劳强度。 本论文所设计的轴结构如图2 2 所示。 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 图2 - 2 轴的结构图 f i g 2 - 2s k e t c ho fa x i s 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 辐板与轮毂的设计 辐板联接着筒壳和轴体上的轮毂。对于辐板与筒壳一般采用焊接结构。而辐板与轮 毂通常情况下是使用4 个螺栓联接而成的。正常时传动轴与简体之间的转矩主要靠摩擦 传递。而螺栓联接属于间隙配合，滚筒在长期运行过程中，会由于反复应力的作用而松动， 松动后传动轴与简体之间的转矩主要靠螺栓承担，使螺栓受到的剪切力大大增加，从而 导致螺栓损坏。为了避免这类问题的产生，可以在传动滚筒筒体两端的辐板与轴体两端 的轮毂上与原螺栓孔成3 0 9 的位置加工两个均布的锥销孔。因锥销采用过盈配合，不容易 产生松动，即使产生了松动，锥销也可以承担部分受力，从而减小了每个螺栓的受力，使 螺栓不再因剪切而损坏。也可以直接将辐板与轮毂做成一体，这样不仅制造方便，而且 提高了滚筒的使用寿命，也使带式输送机的效率提高。本次设计采用辐板与轮毂做成一 体的方法，如图2 3 所示。 图2 - 3 辐板的结构图 f i g ，2 - 3s k e t c ho fw e b 2 4 轴与轮毂间联接件的设计删1 1 在带式输送机滚筒中，轴和轮毂一般采用单键联接。在这种联接中，当轴和简体的结 构尺寸较大时，加工制造、安装和拆卸都很不方便。尤其滚筒在使用过程中，所受载荷超 过其承载能力时，不仅会将键压溃或筒体轮毂被破坏，而且会导致滚筒无法修复使用。基 于此，本次设计采用胀套联接轴与轮毂，如图2 4 所示。它是在轴与简体轮毅之间成对布 置的锥面贴合的内、外弹性圈构成的联接，当沿圆周布置的螺栓将内、外弹性圈拉紧时， 在产生的轴向力作用下，两环相互压紧，内弹性圈受压，其内径减小抱紧轴，外弹性圈受 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 压，其外径增大而胀紧滚筒简体轮毅，轴与内弹性圈内孔的接触面产生压力，由此压力产 生的摩擦力矩和摩擦力来传递扭矩和轴向力。 在选择胀套时，可按以下原则选用胀套： 1 胀套的额定扭矩m 应大于传递的扭矩 t ； 2 胀套的额定轴向力e 应大于传递的轴向力e ； 3 胀套与轴的正压力只应大于承受的径向力c 与胀套内径和胀套内环宽度乘 积比之比，即 p ， 至1 0 3 ( 2 - 1 0 ) p 羞。3 既然这种胀套联接轮毂与轴是一种无键联接的装置，那它与键联接相比有以下优 点： 1 在轮毂与轴上均不再加工键槽，可提高轮毂与轴的强度，减少应力集中源； 2 可承受变载荷和冲击载荷，耐疲劳强度高，且可承受一定的轴向力； 3 对轴和孔的加工和配合精度要求高，便于加工制造，且互换性和可调性好； 4 定心好，易于装拆，使用维护方便； 5 具有过载保护的功能。 图2 - 4 胀套的结构图 p i g 2 - 4s k e t c ho fe x p a n s i o nb u s h i n g 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 挡盖的设计 挡盖起防尘的作用，如图2 5 所示。 2 6 滚筒的装配 图2 - 5 挡盖的结构图 f i g 2 - 5s k e t c ho fs h i e l d 滚筒的重要部件设计完后，需装配成整体。如图2 6 所示。 图2 - 6 滚筒的装配结构图 f i g 2 - 6 a s s c m b li n gs k e t c ho fd r u m 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 7 滚筒的受力分析咖删 1 2 甜【2 7 】奶5 幻 带式输送机滚筒的受力主要来自输送带对筒壁的压力和摩擦力。带式输送机中输送 带的张力是一个非常重要的参数。只有了解沿输送带全程张力的变化情况，才能合理选 择输送带的强度，确定驱动装置所需的功率。带式输送机中输送带的张力是一个沿输送 区段变化的参数，它取决于许多因素的影响。为了简化计算，假设输送带在驱动滚筒处 不可拉伸，没有弯曲阻力，没有质量和厚度且在滚筒围包弧内的摩擦系数不变。带式输 送机正常工作时输送带所需张力必须满足两个条件： 第一，输送带的张力在任何负载的情况下，作用到全部滚筒上的圆周力通过摩擦传 递到输送带上，而输送带与滚筒间应保证不打滑； 第二，作用在输送带上的张力要足够大，使输送带在两组承载托辊间保持垂度小于 一定值，以便顺利地导引输送带，同时有利于降低运行阻力。 由欧拉公式 s r m = s l p ” ( 2 1 1 ) 其中 s 一输送带在相遇点的极限张力，k n ； 瓯输送带在分离点的张力，k n ； 摩擦系数，= 0 3 ； a 围包角，a = 2 2 0 0 ： p 自然对数的底，e = 2 7 1 8 。 可以计算出输送带张力。 输送带对滚筒壁产生正压力和摩擦力。正压力的计算是先计算出单位面积上滚筒所 受的正压力，即 p ：堡 ( 2 一1 2 ) d b 。 再求出滚筒壁所受的正压力，即 n=ps(2-13) 其中尸单位面积上滚筒壁所受的正压力，k n m 2 ； & 输送带张力，k n ； 】7 太原理工大学硕= 研究生学位论文 s 滚筒壁受力面积，m 2 ； 滚筒壁所受的正压力，k n 。 滚筒壁所受的摩擦力，由公式( 2 - 1 4 ) 求出，即 f = u n 其中 ，滚筒壁所受的摩擦力，k n 。 ( 2 - 1 4 ) 表2 - 5 滚筒尺寸系列单位：哪 t a b 2 - 5t h es e q u e n c ed i m e n “o no fd r u m s 两轴承滚筒键轴键轴 带宽 直径轴长 键宽胀套型号 中, l , g f i宽度长度直径 1 7 0 03 1 5 03 0 02 2 05 03 6 0 * 4 5 5 1 2 0 01 8 5 01 4 0 0 1 8 0 03 2 5 0 3 0 02 2 0 5 0 3 8 0 * 4 7 5 1 7 0 03 3 5 03 0 02 2 05 03 6 0 * 4 5 5 1 4 0 01 8 0 02 0 5 01 6 0 03 4 5 0 3 0 02 2 05 03 8 0 * 4 7 5 1 9 0 03 4 5 03 5 02 4 05 6 4 0 0 * 4 9 5 1 7 0 03 5 5 0 3 0 02 2 05 03 6 0 * 4 5 5 1 6 0 0 1 9 0 0 2 2 5 01 8 0 0 3 6 5 93 5 02 4 05 64 0 0 4 9 5 2 0 0 03 7 5 04 0 02 6 05 6 4 2 0 * 5 1 5 1 7 0 0 3 7 5 03 0 02 2 05 03 6 0 * 4 5 5 1 8 1 8 0 02 4 5 02 0 0 03 8 5 03 5 0 2 4 0 5 5 3 8 0 * 4 7 5 2 0 0 0 3 9 5 04 0 02 6 05 64 2 0 * 5 1 5 2 0 0 01 9 0 02 6 5 02 2 0 04 0 5 0 3 5 02 4 0 5 6 4 0 0 * 4 9 5 1 9 0 0 4 2 5 03 5 02 6 05 5 4 0 0 * 4 9 5 2 2 0 02 8 5 02 4 0 0 2 0 0 04 3 5 0 4 0 02 6 05 64 2 0 * 5 1 5 2 8 本章小结 本章主要对带式输送机特大型滚筒的结构作了深入研究，分别对筒壳、轴、辐板与 轮毂、胀套以及挡盖进行了设计，然后定出1 4 种参数的滚筒。在结构设计的基础上，分 析了滚筒的受力情况。 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章带式输送机特大型滚筒的静态计算 上一章对滚筒的结构做了深入研究，本章将利用有限元法和a n s y s 软件对滚筒静 态分析，找出滚筒的应力集中点和最大变形，为今后滚筒结构的优化作必要准备。 3 1 有限元法介绍 3 1 1 有限元法的发展 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f 吼) 起源于2 0 世纪4 0 年