（机械设计及理论专业论文）带式输送机传动滚筒力学分析及参数化绘图.pdf

中文摘要 带式输送机作为现在重要的物流装备之一，在社会各个方面发挥着重要的作用。 其中传动滚筒是带式输送机的主要部件，起驱动输送带运行和改变输送带运动方向 的作用。传动滚筒的结构和性能直接影响到带式输送机运行。本文介绍了有限元法 的基本理论币d a n s y s 软件分析的全过程；并在传动滚筒设计基本理论的基础上，对传 动滚筒载荷工况进行全面的分析研究，确定了传动滚筒各主要零件的受力状况；同 时通过分析a n s y s 分析结果，得到了传动滚筒筒皮、辐板、轴的主要零部件的受力 云图，和受力变形图，解决了带式输送机传动滚筒设计过程中的一些实际问题，具 有良好的工程意义和潜在的经济效益。 论文同时对传动滚筒参数化绘图方法进行了详细的研究，以a u t o c a d 2 0 0 6 内嵌的 v b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ) 为平台，采用面向对象技术编程方法，开发 了一套传动滚筒参数化绘图程序，能够完成相应图纸的绘制工作。对于缩短传动滚 筒设计周期，降低设计成本，提高设计效率具有一定的现实意义。 关键词：带式输送机；传动滚筒；有限元；参数化绘图 a b s t r a c t b 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 ， b e l t c o n v e y o rd r i v i n gd r u mi st h em a i np a r to fb e l t c o n v e y o rs 3 ，s t e m p l a y t h ee f f e c to f d r i v i n gb e l tr u n n i n ga n dc h a n g et h eb e l tr u n n i n gd i r e c t i o n t h e s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fd i v i n gd r u mc a na f f e c t b e l t c o n v e y o rr u n n i n g d i r e c t l y t h i st h e s i sa n a l y sac e r t a i nt y p ec o n v e y o r sd r i v i n gd r u mb a s e do nt h e s o f t w a r eo fa n s y s t h et h e s i si n t r o d u c e st h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d sb a s i c t h e o r ya n dt h ef u l lp r o c e s so fi t sa n a l y s i s ，o nt h eb a s i so ft h ed r i v i n gd r u m d e s i g nt h e o r y , o p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h ed r i v i n gd r u mu s i n gt h ea n s y s c o m p u t a t i o nr e s u l t s t h ed i s s e r t a t i o ns e l e c tt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d s a p p l i c a t i o na st h et h e m e ，s o l v es o m ep r o b l e m si nd r i v i n g r o l l e r sd e s i g n ，t h i s r e s e a r c hw o r k sh a v ef u l le n g i n e e r i n gv a l u e sa n dp o t e n t i a le c o n o m i cb e n e f i t a sap a r to ft h e t r e a t i s e ，w er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n to ft h ec a d p a r a m e t e r i z e dd r a w i n gs y s t e mo ft h eb e l tc o n v e y o r sd r u ma l s o v i s u a lb a s i c f o ra p p l i c a t i o nl a n g u a g ew i l lu s ei t si n t e r f a c ed a t ai nt h i ss y s t e m a n dh o wt o i m p l e m e n tt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tu s i n gv i s u a lb a s i c ，t h i sc a ds y s t e m c a nd r a w i n go fc o r r e s p o n d i n gp a r ta u t o m a t i c a l l ya n dc o u l ds h o r t e nt h ed e s i g n c y c l ed r i v i n gd r u md e s i g nc o s ta n dt h ee f f i c i e n c yo fw o r k i n gc o u l db e i m p r o v e a l s o k e yw o r d s ：b e l tc o n v e y o r ；d r i v i n gd r u m ；f i n i t ee l e m e n t ：p a r a m e t e rd r a w i n g i i i 声明尸明 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。 作者签名： 垫鱼堡! 1 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、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、复印 件与电子版；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) 。 作者签名： 札锄心一日期： 导师签名： 旯彩洲 一l t 日期： 第一章绪论 第一章绪论冤一草箔伦 1 1 概述 带式输送机( b e l tc o n v e y e r ) 由驱动装置拉紧装置输送带中部构架和托辊组成输 送带作为牵引和承载构件，借以连续输送散碎物料或成件品。是一种以摩擦驱动连 续方式运输物料的机械。应用它，可以将物料在一定的输送线上，从最初的供料点 到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。它既可以进行碎散物料的输送，也可 以进行成件物品的输送。除进行纯粹的物料输送外，还可以与各工业企业生产流程 中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。所以带式输送机广泛 应用于现代化的各种工业企业中。 作为带式输送机的主要传动部件的传动滚筒，它的失效和破坏将会直接影响到 带式输送机的正常工作和生产严重时会直接威胁人的生命安全，针对传动滚筒常见 的问题，本论文对传动滚筒结构和失效原因全面的分析研究，确定了传动滚筒各主 要零件的受力状况；同时对带式输送机传动滚筒进行了& n s y s 有限元分析；得出了 传动滚筒各主要零件的应力和变形，解决了带式输送机传动滚简设计过程中的一些 实际问题，具有良好的工程意义和潜在的经济效益。 传统的滚筒结构设计计算方法在现在应用方面相对落后与实际情况存在严重脱 节。尤其对于重型传动滚筒的设计更加不符合实际情况。从9 0 年代初期开始，有限 元技术开始在我国推广应用，同时也应用在滚筒设计计算中，通过对滚筒试验台进 行测试，结果表明有限元法具有一定的可靠性和精确性。论文在有限元分析的过程 中首先在三维设计软件s o l i d w o r k s 中建立带式输送机传动滚筒的装配体模型，然后 用有限元软件a n s y s 对其进行静力分析和模态分析，根据计算结果提出了传动滚筒设 计要点m 1 钊。 据有关资料统计，在常规产品设计过程中，绘图时间、图纸修改时间、编写零 部件明细表时间等图上作业时间占整个设计时间的一半以上。由于带式输送机滚筒 采用大量标准或系列部件的非标机械产品，零件图绘制，尤其是总图绘制在总设计 时间中占的比例更大。参数化绘图设计可以大大提高图纸的生成和修改的速度，在 产品的系列设计、相似设计及专用c a d 系统开发方面都具有较大的应用价值。能够极 大的缩短设计绘图时间，提高带式输送机滚筒的设计效率。 带式输送机传动滚筒力学分析及参数化绘图 1 2 本课题研究内容 ( 1 ) 传动滚筒的结构及力学分析首先介绍了滚筒的分类与带式输送机的一些 传动原理和受力情况，然后总结了传动滚筒的一些主要的实效形式并分析 了实效原因，最后根据前面的分析来确定传动滚筒的受力状况，得出了传 动滚筒表面载荷沿轴向和周向的分布规律。并对传动滚筒整体部件的参数 和相关计算公式进行了推导，并加以改进使滚筒轴、筒壳、辐板等的一些 参数更加合理可信，同时简单说明了胀套结构和与胀套联结环形胀套配套 的滚筒结构的设计方法。 ( 2 ) 传动滚筒的有限元分析首先在三维软件s o l i d w o r k s 中将滚筒零件创建三 维零件模型；根据各零件模型的隶属关系组合成总装配体；然后传动滚筒 模型在a n s y s 环境下做一些前处理后进行计算分析，得出了传动滚筒一些 主要部件如筒皮，轮辐，轴等的应力和应变曲线，为以后设计中改进和优 化滚筒结构参数，提供了科学的理论依据。 ( 3 ) 传动滚筒参数化绘图研究c a d 技术已经比较成熟，并在工程技术领域得 到了很好的利用。本文将c a d 技术应用于带式输送机滚筒设计，利用 a u t o c a d 自带的v b a 语言，将滚筒结构进行参数化编程，能够实现带式输送 机滚筒零件图、装配图的自动绘制。 1 3 本课题的研究目的和意义 随着国民经济的增长，带式输送机的发展更是趋向于长距离、大运量、高速度 的方向发展，传动滚筒作为输送机中最主要的传动装置，严重制约着带式输送机的 发展，它的结构是否合理，性能是否稳定，将关系到带式输送机行业的更好更快的 发展，同时如果将滚筒参数化绘图程序应用于带式输送机滚筒设计工作中，将会大 大缩短滚筒的设计周期，提高设计效率。本论文为了将计算机技术更好地应用于带 式输送机设计工作中，作了大量工作，取得了一定的成果。 1 4 本章小结 本章着重说明了传动滚筒分析和设计的重要性。简要说明了本课题的研究目的 和意义，并说明了本课题研究的主要内容和主要工作。 2 第二苹传动滚筒r 受鲁析 第二章传动滚筒的受力分析 本章收集整理了大量传动滚筒设计的相关资料，对传动滚筒结构的分类、受力 与设计计算方法进行了分析研究，推导和修改了一些滚筒结构计算公式，可以作为 以后的设计计算的依据。同时也分析了那些结构形式的滚筒的受力形式最有利。 2 1 结构与种类 带式输送机滚筒分类方法。 按照受力的方式分为； ( 1 ) 传动滚筒( 2 ) 改向滚筒 按照承载能力大小分为：轻型滚筒、中型滚筒、重型滚筒。其中作为重型滚筒 一部分的铸焊结构传动滚筒组如图( 21 ) 凋塑 ( a ) 焊接结构滚筒 ( b ) 铸坪结构滚筒 ( a ) w e l d i n gs t r t e m r e o f d r u m 0 1 c a s t w e l d i n gs t r u c r a _ e o f d r u m 囤21 传动滚筒焊接和恃焊结构图 f i g u r e 2 - 1 d r j v i n g d r u m w e l d i n g a n dc a s t w e l d i n gs t r u c t u r e g r a p h 按结构类型分为：辐板和轴焊接结构、轴和轮彀胀套联结结构、轴与轮毂键联 结结构、轴与轮毂过盈配合结构、轮毂与轴过盈配合键结构等。另外还有其它的分 类方法如可以按照表面包胶( 如图2 2 和菱形包胶滚筒如图2 3 ) 、按照滚筒外形滚 筒 图22 人字形沟槽包胶滚筒图23 菱形包胶滚筒 f i g u r e2 2p u l l e yw 唧p c db yh e n i n g b v n e f i g u r e2 , 3p u l l e yw r a p p e db yl a g g i n gw i t h l a g g i n g w 曲g r o o v e r h o m b i cg l o o v e 随着科学技术的发展机械制造和加工的精度和水平都比以前都了很大的提高 3 带式输送机传动滚筒力学分析及参数化绘图 同样金属焊接材料焊接性能也有很大的提高，同样这些新技术、新工艺。也都被很 好的用到了滚筒设计和制造上，因此当前多数大型滚筒采用铸焊结构，辐板和主轴 也大都采用胀套联结方式。胀套的结构如图2 4 所示，胀套联结是通过高强度螺栓 的作用，使内环与轴之间，胀套外环与轮毂之间能够产生巨大抱紧力同时当承受负 荷时，能够靠胀套与轴的结合压力及相伴产生的摩擦力传递扭矩，胀套轴向力或者 二者的复合载荷的一种新型无键联结装置。以实现机件与轴的联结，它使用时通过 高强度螺栓的作用，使内环与轴之间，外环与轮毂之间产生巨大抱紧了；当承受负 荷时，靠胀套与机件的结合压力及相伴产生的摩擦力传递扭矩，轴向力或二者的复 合载荷。与一般过盈联结、有键联结相比胀套连接的优点是： 第一，胀套的使用寿命长，强度高。胀套依靠摩擦传动，对被联结件没有键槽 消弱，也无相对运动，工作中不会产生磨损； 第二，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，胀套在超载时，将失去联结作用，可以保护设备不受损害。 第三，装配简单，轴向定位可调整，拆装维修方便：安装胀套的轴和孔的加工 要求精度底；胀套安装时无须加热、冷却或加压设备，只需将螺栓按要求的力矩拧 紧即可。且调整方便，可以将轮毂在轴上方便地调整到所需位置。胀套也可以用来 联结焊接性差的零件。 第四，可改善筒体的制造工艺，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 柔性辐板，可以完全把轮毂和轴锁紧，消除二者之间的“窜动”，在装配时轮毂与轴 之间存在轴向移动，可避免端盖变形、应力集中和滚筒过早的疲劳破坏。 第五胀套拆卸方便，且具有良好的互换性。由于胀套能把较大配合间隙的轮毂 结合起来，拆卸时将螺栓拧松，即可使被联结件容易拆开。胀紧时，接触面紧密贴 合不锈蚀，也便于拆开。 外环 r 图2 4 胀套结构 f i g u r e2 4l o c k i n gd e v i c es t r u c t u r e 4 第二章传动滚筒的受力分析 2 2 带式输送机工作原理 带式输送机的传动原理可以简化为普通的带传动来分析，如图2 5 所示。带传动 的带是张紧套在主、从动轮上的，在静态下，上下两边受相同的初拉力r ，带与轮 之间存在一定的正压力，当主动轮转动时，靠摩擦力拖动带和从动轮。加载后，在 摩擦力作用下，使绕如主动轮一边的带拉的更紧，带中拉力有冗增至f ，形成紧边； 然后从动轮另一边绕出时，拉力降至只形成松边。设带在一个运动循环中总长保持 不变，即紧边伸长等于松边缩短，两边拉力只差，就是带传递的圆周力f ，即有效圆 周力。 凡= f e ( 2 1 ) 动j竹 弋轮 i 冬文 j 、 r 主功抡1 、心义 从动轮 - i b j 图2 5 带传动工作原理 ( a ) 不工作时( b ) 工作时 f i g u r e2 5t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fb e l tt r a n s m i s s i o n ( a ) n ow o r k i n g ( b ) w o r k i n g 当圆周力凡大于带与带轮之间的摩擦力时，带就会沿带轮全面滑动，称为打滑。 打滑将使传动实效、加剧带的磨损。当带即将打滑时，紧松边拉力之间的关系，可 用挠性体摩擦的欧拉公式表示f = 只e f a - ( 2 - 2 ) 式中，f 为带与轮之间的摩擦系数，e 为自然对数的底。 由于带的弹性变形及其在带轮两边的拉力差引起带在带轮上的相对滑动成为弹 性滑动，大小将随外载荷的大小变化，弹性滑动和打滑有着本质的区别，打滑时由 于超载引起的带在带轮面上的全面滑动，造成传动失效，使小带轮急剧发热，胶带 将会很快磨损，是可以避免的，而带的弹性滑动是由于带的弹性和拉力差引起的， 只要传递圆周力，就会发生弹性滑动，是带传动不可避免的固有特性，故可传递运 动和动力。 带传动时，带横剖面上的应力主要有以下三部分组成：1 、由紧边拉力和松边拉力产 生的拉应力仃。、仃：；2 、由离心力产生的离心应力仃。：3 、由带在小、大轮上弯曲产 生的弯曲应力。、2 。如图2 6 5 带式输送机传动滚筒力学分析及参数化绘图 带工作时的应力分布，显然，带的应力是周期性循环变应力，其最大应力发生 在带的紧边与小带轮的切点处，当应力循环达到临界次数后，就将使带产生疲劳破 坏。 图2 6 带工作时的应力分布 f i g u r e2 6t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fw o r k i n gb e l t 2 3 带式输送机运行阻力 带式输送机运行阻力( 既传动滚筒上圆周驱动力e ，) 是主要阻力r ，附加阻力 r ，提升阻力b ，和特种阻力b 的和。 兄= r + r + b + b 。 ( 2 3 ) 在计算带式输送机的阻力时由于构构和路线都不会是很理想的状态需要分段进 行计算如图2 7 所示 头部 尾部 图2 7 运行阻力的分段构成和分段计算 f i g u r e2 7t h ep i e c e w i s ec o m p o s i t i o na n dc a l c u l a t i o no fr u n n i n gr e s i s t a n c e 2 4 传动理论 假设输送带是一种理想的挠性体。输送带与滚筒绕入端的张力s 入 和绕出端的张力s 出( 松边张力) 符合欧拉公式如图2 8 ： s 入= s m e m 6 ( 紧边张力) ( 2 - 4 ) 第二章传动滚筒的受力分析 图2 8 传动滚筒上输送带张力变化 f i g u r e2 8d r i v i n gd r u mt e n s i o nc h a n g eo fu pb e l t 由图2 8 和公式( 2 - 4 ) 可以推导出传动滚筒传递的最大驱动力 ，m 。= s a 一一s 出= s 出e ”“一1 j ( 2 5 ) 由上式可知，可以从三个方面来提高驱动力： 第一，增大拉紧力。第二，增大围包角。第三，增大摩擦系数 2 5 传动滚筒的受力分析 传动滚筒受力如图2 9 所示包括皮带的摩擦力和压力。围包角为a ，输送带的 张力有差值( s 入- s 出) 由欧拉公式可知，输送带的张力为：s 。= p 胆。 s 图2 9 张力图解 f i g u r e2 9t e n s i o ng r a p hs o l u t i o n 滚筒表面摩擦力为： 厶= 脾= 锷= 罾 7 ( 2 - 6 ) ，、 带式输送机传动滚筒力学分析及参数化绘图 滚筒表面上的压力鼻为： 只：盐 ( 2 7 ) r b 2 6 滚筒失效原因分析与许用应力确定 2 6 1 失效形式 ( 1 ) 局部变形过大，主要表现在筒体的中部塌陷。 ( 2 ) 压裂 2 4 。 ( 3 ) 挤压变形主要表现为轮毂与涨套连接处，轮毂挤压变形过大。 ( 4 ) 裂纹 2 6 2 失效产生的原因 滚筒失效的原因有很多种，具体包括：理论计算不符合实际情况；原材料有缺 陷，如内部裂纹等；结构不合理，过渡部分刚度相差过大；焊接工艺不对，焊接处 清洗不净，使用不当，如过载以及加速过大；焊后没有进行热处理后没有及时进行 热处理都会造成焊接残余应力过大等。 ( 1 ) 裂纹产生原因 1 、滚筒材料不一致。2 、焊缝有明显的应力集中。3 、焊接工艺参数选择不当或 操作者熟练程度不够 ( 2 ) 消除措施 优化筒体焊接结构设计。优化滚筒焊接工艺。采用先进的检验手段如采 用射线或超声波探伤。等 2 6 3 滚筒许用应力的确定 实际生产和使用的滚筒筒体的材料通常使用a 。钢，多用z g 3 5 铸造接盘，其中筒 体计算时安全系数的确定是计算准确与否的关键所在。影响安全系数的因素有以下 几种：原材料的性能、计算的精度、零件的重要度等。 滚筒大多数情况下简体安全系数取为1 5 1 8 。焊缝截面的变化会造成应力集中 如不经退火工艺就使残余应力存在。当它与工作应力叠加时，会造成平均应力的增 加。 2 7 传动滚筒整体设计 2 7 1 直径的确定 选择滚筒直径主要考虑以下因素：输送带与滚筒面间的最大或平均比压、输送 8 第二章传动滚筒的受力分析 带绕过滚筒时输送带的弯曲应力、输送带发生弯曲的频次等。 输送带许用比压的滚筒直径： d ：塑坠型( 2 8 ) p 】万a b 在钢丝绳下的比压较大，在钢丝绳下输送带区域相应允许较大的比压，所以在 钢丝绳下比压下应限制的滚筒直径的最小值。 2 7 2 简壳的厚度 筒壳的厚度受到滚筒的直径、简体长度、输送带张力等因素制约。计算筒壳厚 度时要综合材料力学和弹性力学的有关知识才能等到可靠的厚度值，一般大型带式 输送机筒壳厚度见表2 1 。 筒壳上所受的轴向应力和周向应力的方向如图2 9 所示。 表2 1 大型带式输送机滚筒筒壳厚度 t a b2 1l a r g eb e l tc o n v e y o rd r u ms h e l lt h i c k n e s s 简袁长朗m m # 熊直经，如“ 1 8 0 0 -2 0 0 0 02 4 0 0 ：。2 8 0 0 6 3 0 , ：1 6 - 1 8 # oo 8 0 0 r1 8 。2 汕2 2 - 2 2 一 1 0 0 0 )2 0 2 2 p2 4 f2 4 - 1 2 5 0 - 2 0 p2 2 p2 4 ，2 6 1 1 5 0 0 , - 2 2 , - 2 4 = i 2 4 - 2 6 一 1 8 0 0 , - 2 2 , - 2 4 2 6 ，2 8 ； 图2 9 筒壳上的周向力和轴向力 f i g u r e2 9a x i a lf o r c ea n dc y c l ed i r e c t i o nf o r c eo ft h ed r u ms h e l l 9 带式输送机传动滚筒力学分析及参数化绘图 2 7 3 传动滚筒轴直径的计算 ( 1 ) 按强度滚筒直径d 为：d 式中厶轴承中心到轴承的距离； 厶滚筒体和轴采用胀套联结方式时，为胀套工作长度，否则厶= 0 ； 尸单个轴承的载荷，p = ( s 入- i - ) 1 2 ； 鼻轴上的作用力，只= ( s 入一s 出) 2 ； 形抗弯截面模量，形= 蒯3 3 2 ； 巩抗扭截面模量，呒= z r d 3 1 6 ； p 】许用应力，p 】_ 6 ，r n 。； 其中 s r r 考虑应力集中后和特征系数的疲劳极限； 玎，计算疲劳的安全系数； ( 2 ) 按刚度计算滚筒轴直径为：d 式中 轴弯曲产生的挠度，取f = ( 1 2 0 0 0 1 3 0 0 0 ) l 2 ； e 材料弹性模量； 厶两轴承中心线间距； ，轴惯性矩，j = 翮4 6 4 两个公式计算出结果来选用轴的直径大的为计算值。 2 7 4 辐板厚度的确定 辐板厚度h 的计算式为： h ( 9 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 式中 臼，箱板处滚筒轴的转角，0 ，= l 1 0 0 0 r a d ； 厶轴承到轮毂间距； k 半径比率系数； 当滚筒是焊接结构辐板等厚时，上式能确定转角仗：是铸焊结构时，由于辐板 尺寸确定比较复杂通过公式求解出辐板的厚度还不能够马上采用，必须经过应力分 析后的求解尺寸才能够被最终确定。其中等厚度辐板集中应力出现在辐板内径上。 1 0 第二章传动滚筒的受力分析 在计算确定辐板厚度时，至少应确保向等，这样可以提高滚筒使用寿命。 2 7 5 轮毂尺寸的确定 ( 1 ) 轮毂的内径是根掘胀套的外径来确定的。 ( 2 ) 当采用胀套连接时，轮毂的宽度b ，= 三3 ( 0 4 、o 6 ) ；过盈连接时，b ， 1 6 8d 。 ( 3 ) 根据工作要求来确定轮毂直径( 外径) ，即 巩狐若去 式中d 轮毂内径 c 一代表计算勰c - ( 务 2 式中p 轮毂与胀套之间的压强，m p a ； 仃。轮毂屈服极限，m p a ； c r 形状系数， c r = 6 5 + 而0 0 r 7 5 0 s ； 当传动滚筒采用胀套连接时，尸就是胀套外环与轮毂间的压强 p ，： 丝! l d z d r 三k 7 最后要进行轮毂强度校核，特别要校核轮毂孔的应力状况。 2 7 6 滚筒接盘间距与滚筒体弯矩的关系 滚筒结构简图如图2 1 0 所示图中l 为滚筒接盘之间的距离，b 为输送带的宽度 一般情况下可将滚筒体简化为受均布载荷的简支梁，按照l 和跎间的大小关系存在3 种可能的情况滚筒体弯矩如图2 1 1 所示 根据图2 1 1 写出滚筒弯矩的最大值为 m m 积= 0 2 5 f b ( l b 一0 5 ) ( 2 1 3 ) 带式输送机传动滚筒力学分析及参数化绘图 式中m 一为对应于图2 11 ( a ) ( b ) ( c ) 的弯矩最大值；q = r a 为滚筒的等效分布 图2 1 0 传动滚筒结构 f i g u r e2 10t h es t r u c t u r eo fd r i v i n gd r u m 血么皿k 图2 1 1 滚筒体弯矩 f i g u r e2 11 t h em o m e n to fd r i v i n gd r u mc y l i n d e r 载荷。公式( 2 - 1 3 ) 建立了滚筒体的弯矩最大值与滚筒的接盘间距l 之间的基本关系， 从图2 1 1 和式( 2 - 1 3 ) 容易看出，当滚筒的接盘间距l 小于带宽b 时，弯矩最大 值m 一比其它2 种情况都小，说明滚筒的接盘间距l 小于带宽酯皂提高滚筒体的承载能 力。 2 7 7 胀套联结环形胀套配套的滚筒结构 主要是与环形胀套配套的滚筒结构 目前应用的滚筒结构是：简焘的一部分与辐板、轮毂铸成一体的接盘是简焘堤 接的滚筒体。其轮毂与轴是自动调心的掭形胀寡瘫攮的结构特点：一 1 - 设计滚筒时，原则上尽可能对外装轴承式滚筒的两辐板间距取大值，两轴承 间距取小值。这就意味着采用合理的结构布置能够减少结构的弯曲应力。2 、简焘怠 接盘之间的焊缝位置设在应力最小处。3 、籁悫锕扳的纤维方向必须保证是籁蠢豢曲 方向一致。4 、辐板的刚性控制在最佳藐凰内，辐板刚性过大对筒壳，轴和颈形黪寡 簸不利。5 、轮毂与触之闻用双锥自动调心的颞形黪套蓬攘6 、轴承座选用具有二道 迷宫密封，迷宫周围为丽形账寡宸镇的通用轴承。这种轴承座密封良好。一 1 2 第二章传动滚筒的受力努忻 2 8 本章小结 本章首先简单介绍了滚筒的结构与分类，详细介绍了带传动的一些原理和理论， 并把这些理论与带式输送机传动滚筒受力分析很好的结合起来，在此基础上，分析 了传动滚筒失效形式和失效原因，最后在进行滚筒的整体设计计算，推导出合理的 滚筒直径、筒壳厚度、辐板厚度、轮毂尺寸等尺寸的计算公式，修正了一些忽略的 计算要点，同时也简单说明了目前重型滚筒应用很广的环形胀套滚筒结构特点。 1 3 第三章传动滚筒的有限元分析 第三章传动滚筒的有限元分析 3 1 概述 3 1 1 有限元法发展与现状 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 是一种高效能、常用的计算方法，是 随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。最早 可上溯到2 0 世纪4 0 年代。主要是以变分原理为基础发展起来的，当时广泛地应用 于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。上世纪5 0 年代初t u r n e r 、 c l o u g h 等人应用于连续体力学领域飞机结构静、动态分析中，用以求的结构的 变形、应力、固有频率以及振幅。6 0 年代，c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题，并 第一次提出了”有限单元法”，使人们认识到它的功效。我国著名力学家，教育家徐 芝纶院士( 河海大学教授) 首次将有限元法引入我国，对它的应用起了很大的推动 作用。上世纪7 0 年代在英国科学家z i e n k i e w i c z0 c 等人的努力下，将它推广到各 类场问题的数值求解，如温度场，电磁场，也包括流场。 经过半个多世纪的发展和在工程中的应用，有效的证明了有限元法是一种行之 有效的工程问题的模拟计算方法，解决了大量的工程实际问题，为工业技术的进步 起到了巨大的推动作用。但是有限元法本身并不是一种万能的计算、分析方法，并 不适用于所有的工程问题。对于工程中遇到的实际问题，有限元法的使用取决于一 下条件：产品试验或制作样机成本很高，试验无法实现，而有限元计算能够有效地 模拟出试验效果、达到试验目的，计算成本也远低于试验成本时，有限元法才成为 一种有效的选择。 3 1 2 有限元分析问题的思路和分析过程 有限元方法分析问题的最初的思想是把一个大的结构划分为有限个称为单元的 小区域，在每个小区域里假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应 力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。有限元法的 核心问题是求解整体刚度矩阵，而求解整体刚度矩阵的问题，又可归结为求解单元 刚度矩阵问题。有限元法的分析过程如下口3 | ： 结构离散化，确定位移模式，单元特性分析，整体分析，解方程，输出计算结果，其 它处理等。 有限元分析实质是对力学模型进行近似数值计算的方法，将无限自由度问题变成 有限自由度问题。 】5 带式输送机传动滚筒力学分析及参数化绘图 3 1 3a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发的融结 构、流体，电磁声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，它能与多数c a d 软件接 口，实现数据的共享与交换，如p r o 鹰。如：! 殳妄魍等，是现代产品设计中高级c a n t 具 之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析模块，和后处理模块。a n s y s 软件 能提供1 0 0 种以上的单元类型，可针对不同的问题采用不同的单元类型，同时，a n s y s 允许用户建立自定义的单元类型。来模拟工程中的各种结构和材料。a n s y s i o o 除了 具有通常有限元分析功能外，还提供了耦合和约束功能，对有限元模型的特殊部位 进行处理，如刚性区域，铰接结构连接，及其他特殊节点联接。从结构分析角度来 讲，这些技术很容易实现结构分析中最通用假定一一刚性平面假定，也能够方便县 菝殿理不同类型单元的连接问题，较好解决有限元在结构分析中常遇到的问题一 一约束不足问题。一 a n s y s 的后处理能力也非常强大，可以用来实现位移、应力、应变、攥废扬的图 像显示、曲线显示和列表。a n s y s 后处理包括通用后处理p o s t i , i 时间历程后处理 p o s t 2 6 ，p o s t l 允许检查整个模型在某一个特定时间或是特定频率下的结呆。虽然 a n s y s 分析在实际应用中投有固定的分析模式，但是大多数a n s y s 有限元分析过程都 采用了一个主要流程，详细的流程描述如图3 一l 所示： 图3 1 有限元分析流程 f i g u r e3 1f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o c e s s 3 2 传动滚筒有限元模型的建立 由节点和元素构成的有限元模型与机械结构系统的几何外型基本是一致的。 1 6 第三章传动滚筒的有限元分析 a n s y s 有限元模型的建立可分为直接法和间接法( 也称实体模型s o l i dm o d e l i n g ) ， 直接法为直接根掘机械结构的几何外型建立节点和元素，因此直接法只适用于简单 的机械结构系统。而间接法则适用于节点及元素数目较多的复杂几何外型机械结构 系统，本论文采用间接法建模，间接法建模有很多优点，大部分用户在通常情况下 采用该建模方法。 以下是建模的基本原则： 1 ，建立的分析模型必须能够客观地反映真实结构的主要特征，在开始建模前应 对整个问题的分析过程进行必要的规划。 2 ，在模型中变形结果不重要的任何部分使用刚体，刚体可以节省大量计算时间， 但是定义刚体的弹性模量时要切合实际。 3 ，对材料或单元的性能使用符合实际的值，对于材料特性、长度和时间等应使 用自协调单位系统。 4 ，应尽量使用立方体的砖块单元，尽可能不用三角形四面体棱柱形的退化实 体单元，这些形状在弯曲时经常很僵硬，很难得到满意的分析结果。 5 ，任何时候都要尽可能地避免小单元，因为它们将极大地降低时间步长。 3 2 1 分析过程坐标系选择 a n s y s 为用户提供了多种坐标系，在传动滚筒分析过程中主要用到总体坐标系 局部坐标系、其中总体坐标系主要为总体笛卡尔坐标系、总体柱坐标系和总体球坐 标系。在默认情况下，总体笛卡尔坐掭莠坐搦系为激活坐标系，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。根据自己需 要用户可以建立局部坐标系。此外，还用到节点坐标系，显示坐标系，单元坐标系 和和结果坐标系等，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 每一个节点都有一个附着的坐标系，节点坐标系缺省总是笛卡尔坐标系与总体笛卡 尔坐标系平行节点力和节点约束指的是节点坐标系的方向；显示坐标系对列表圆柱 和球节点坐标非常有用( 例如，径向，周向坐标) 、单元坐标系决定了单元的正交材 料属性的方向、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。无论节点和单元坐标系如何设定，要恢复径向和环向应力，结果坐标系必须旋 转到适当的坐标系下。p o s t 2 6 时间历程后处理器中的结果总是以节点坐标系表达。 1 7 带式输送机传动滚筒力学分析及参数化绘图 3 2 2 实体与有限元模型的建立 本课题以某型号大功率、长距离带式输送机为例，介绍带式输送机滚筒结构有 限元设计、分析过程。该机主要参数为：带宽占：1 4 0 0 卿；滚筒长度工= l o 0 聊；滚 筒直径d ：l 7 0 册；简蠢愿废：f = 墨勖肿；轴承座宽度：5 q o 聊；联轴器类型及尺寸： l z 型弹性柱销齿式联轴器，选用l z l 8 型，公称扭矩4 5 0 k n m , 许用转速8 5 0 转份， 轴孔直径鼹q 购，轴孔长度5 5 0 姗；两辐板中心线间距1 2 0 d 卿；轴承座中心线问距 2 筘q 卿；胀垂妻妻妻型及尺寸：z 2 型胀套，f = 1 6 10 k n , m ：= 3 2 2 k n m ，d ：d = 4 0 0 x 4 9 5 ， 宽度n 5 购；轮毂尺寸；内径5 8 5 购，外径昼8 5 购，宽度l z o 购；辐板尺寸：内径6 8 5 ， 外径1 5 9 4 ，宽度5 咖；带逮、= 孔5 m s ；摩擦系数u = 0 3 ；围包角c = 2 1 0 度；采用 双端驱动，轴承采用球面调心滚子轴承；所受舍力f = 12 2 6 k n ，扭矩t = 2 8 0 k n m 。重型 传动滚筒结构由简体、涨套、传动滚筒轴、轴承座、面麟组成，其中筒体赢简廒 瓤两个铸造接盘焊接而成，轴承座有座体、左右端盖、轴承、油杯、起吊螺栓、密 封圈等组成。重型传动滚筒包括筒体、轴承座、涨紊三个子装配体，有限元分析软 件采用a n s y s ，a n s y s 功能强大即可以自己建模，又可以把在其它三维c a d 软件中创 建好的模型导入a n s y s 但是在a n s y s 环境下直接建模复杂一些，对一些结构复杂的 零件或装配体，可以在其它三维建摸软件中完成后，再导入a n s y s 进行分析，将明 显提高工作效率。用户可根据实际情况选择合适的建模方式，比较常用的三维建模 软件有p r o e 、s o l i d w o r k s 等。此处，论文使用s o l i d w o r k s 软件将传动滚筒所需的 零件创造各零件模型，根据各零件模型的隶属关系组合成如图3 2 的总装配体，为 了使图3 2 的三维模型能支持有限元定义，在保证简体、传动滚筒轴等关键零部件 的前提下，对三维模型作了如下简化：将一些不影响整体结构性能的零件如起吊螺 栓、密封圈、螺母、面胶、底胶等压缩掉，将轴承简化掉，代之以等效约束；将一 些小特征如倒角、圆角、槽、沟槽、孔、凸台等进行压缩；假设整个筒体的焊缝工 艺合格；滚筒外壳，圆盘和筒壳、轴套之间的焊接结构进行了简化处理，看作搭接 结构。论文建模时将滚筒轴与滚筒作成一体不考虑滚筒轴与筒体的涨套装配问题， 直接把滚筒的受力和扭矩施加到筒壳上。然后从整体上查看筒壳和轴的分析结果， 主要看筒壳的强度变化。 3 2 3 定义单元属性 单元属性包括单元类型，实常数( 给定诸如厚度、截面面积，截面惯性矩等单 元的几何特性) 和材料模型( 给定诸如弹性模量、泊松比等) 单元坐标系等。这些 属性的确定对求解的精度影响很大。定义单元属性都是在网格划分之前进行的， 18 第三章传动滚筒的有限元舒析 ( 1 ) 定义单元类型 有限元分析时定义单元类型模拟现实的极为关键的一步证果单元选择不当 可能会造成分析结果误差太大甚至完全不正确，州s y s 提供2 0 0 多种不同分析类型不 同材料和不同几何模型的单元类型，首先在能正确反映壤筒结构的力学特性的前提 下，尽可能使选择选择的单元类型是简单的单元，使滚筒在能够正确反映材料和结 构的实际情况下提高计算的效率与准确度。a n s y s 对滚筒轴、筒壳、轮毂和胀套分析 图32 滚筒s o l d w o r k s 模型 h 叫e3 2 t h e u d 岫m o d e l o f d r u m 时采用s o l i d 4 5 ( 图33 ) 单元。s o l i d 4 5 单元用于3 维实体结构模型。8 个节点， 每个节点3 个自由度，x ，y ，z 三个方向。该元素大变形和大应变能力等。模拟轴和轮 毂的实际情况时用刚体柔体之间的接触算法，目标面( 刚性面) 采用t a r g e l t 0 ( 图 3 4 ) 单元来模拟；接触面( 柔性面) 采用c o n t a 7 3 ( 圈3 5 ) 单元来模拟。t a r g e 7 0 单元离散在目标表面，因此在目标单元上可以施加平动或旋转位移，也可施加力和 力矩。 笔涉 图33s o l i d 4 5 单元示意田 f i l n 此3 3 t h es c h 锄a t i cd l a r a mo f s o l i d 4 5u n i t 1 9 带式输送机传动滚筒力学分析肚参数化绘图 图34 目标单元t a r g e i t 0 几何结构图 f i “! r e 34 g c m m c t r l c a ls m k 叫c h a r to f t h e t a r ) z e te l e m e n t t a t e e i 0 箩飞 图35c o n t a i73 单元示意图 f i g u m3 5 t h es c h e m a t i c d i a g r a m o f c o n t a l 7 3u n i t ( 2 ) 赋予单元属性 本文中分别定义了轴、筒壳、辐板和胀套的包括杨式模量( e x ) 、柏松比( p r x y ) 和密度( d e n s ) 等材料属性。传动滚筒各部分材料特性数据见表31 。 袁3i 传动滚筒部件材料特性 t a b3lt h e m a t e r i a l f e a t u r eo f d r i v i n g d r u mc o m p o n e n t s 构件名称p材料一弹性梗重一泊栓比一峦压p目服r mm w 轴， 4 5 号钢( 调肪女e 理k 轮彀、辐板一 辖钢“ 尉l 熹一 6 5 号锕或5 0 c t p 很高一 麓蠢一 a 3 锕p 在网格划分之前或网格划分过程中，一定要把表中的属性附给特定的实体对象 2 0 第三章传动滚筒的有限元分析 这样才能使计算结果更加接近实际。 324 网格划分 嗣格划分是有限元分析最关键的一个步骤网格划分的好坏直接影响到解算的 精度和速度。在& n s y s 中，网格划分有很多种主要包括自由网格划分和映射网格划 分，本论文选择自由网格划分划分后的传动滚筒的有限元模型如图3 - 6 所示。 图3 6 恃动瘴筒的有限元模型 f