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摘要 摘要 随着现代化发展的要求，环保已成为当今时代性的重要问题，并且在世界 各个国家引起了广泛的重视。正是在这种减少生产污染，提倡环保和无公害化 输送散装物料的要求下，管状带式输送机应运而生。目前，管状带式输送机在 世界范围内，它是一种最先进的物料输送堡圣，对管带机进行垫垫结塑坌n 参数分析，并利用有限元分析与计算机仿真技术对其深入地分析与研究，对国 外先进技术和设备的消化、吸收、改造提供理论依据，并对实际生产具有重要 的指导意义。 本课题的主要任务是：对管状带式输送机的工作原理、特点进行介绍并确 定部分参数，然后综合有限元分析方法及其后处理模块的详细介绍，针对传动 滚筒及其轴承座等典型机构，详细介绍了在a n s y s 软件中建立有限元模型过 程，模拟现实工况下的受力情况，进行强度校核，分析改进后结构的可靠性。 管状带式输送机传动滚筒及其轴承座的有限元分析结果表明，现有的传动 滚筒机构和轴承座强度依然可靠，达到了设计要求，为管带机的进一步优化设 计提供了指导作用。 该课题采用有限元分析为基础，建立了力学模型和数学模型，详细分析了 管带机主要零部件机械结构、力能参数及其仿真，分析和解决了管带机中的传 动滚筒及其轴承座的强度分析难点。并且在解决管带机中出现的问题所应用的 理论知识和现代设计方法都很有前沿性、先进性，且其所得到的结果都比较准 确，合乎设计要求。从而在对本课题的研究和探讨，对使用者进行管带机的研 究提供了很大的方便性和参考价值。 关键词：管状带式输送机、有限元、a n s y s 、滚筒、轴承座 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e m i z a t i o n ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nh a sb e c o m et h ei m p o r t a n tp r o b l e mo ft h et i m e s ，a n di nt h ew o r l de a c h c o u n t r yc a u s e d 、航d ea t t e n t i o n i ti si nt h i sr e d u c ep r o d u c t i o np o l l u t i o n ，a d v o c a t e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dp o l l u t i o n - f r e eb u l kc a r g ot r a n s p o r t ，a tt h er e q u e s to f t u b u l a rb e l tc o n v e y o ra r i s e sa tt h eh i s t o r i cm o m e n t a tp r e s e n t ，t u b u l a rb e l tc o n v e y o r s i nw o r l d w i d e ，i ti so n eo ft h em o s ta d v a n c e dm a t e r i a lc o n v e y i n ge q u i p m e n t ，t ot h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n a l y s i sf a b r i c s ，p a r a m e t e ra n a l y s i s ，a n db yu s i n gf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yf o ri t si n - d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n t h ef o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n to fd i g e s t i o n ，a b s o r p t i o na n d t r a n s f o r m a t i o nt op r o v i d et h et h e o r yb a s i s ，a n dt ot h ea c t u a lp r o d u c t i o nh a si m p o r t a n t g u i d i n gs i g n i f i c a n c e t h i st o p i ci st h em a i nt a s k ：t ot u b eo ft h eb e l tc o n v e y o rt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ， c h a r a c t e r i s t i c sa n ds o m ep a r a m e t e r sd e t e r m i n e di si n t r o d u c e d ，a n dt h e ni n t e g r a t e d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da n di t sd e t a i l e di n t r o d u c t i o no fp o s t p r o c e s s i n g m o d u l e ，f o rt r a n s m i s s i o nr o l l e rb e a r i n ga n dt h et y p i c a lo r g a n i z a t i o n ，d e t a i l e d i n t r o d u c e st h ea n s y ss o f t w a r ei nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ep r o c e s s ，t h es t r e s s o ft h es i m u l a t e dc o n d i t i o n s ，i n t e n s i t y ，i m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo fs t r u c t u r ea n a l y s i s t u b u l a rc o n v e y o rb e l tt r a n s m i s s i o nr o l l e rb e a r i n ga n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s r e s u l t ss h o wt h a tt h ee x i s t i n gt r a n s m i s s i o nr o l l e ri n s t i t u t i o n sa n dh o u s i n g ss t r e n g t h s t i l lr e l i a b l e ，m e e t sd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，f o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h em a c h i n e f u r t h e rp r o v i d e sg u i d a n c ef u n c t i o n t h i st o p i ci su s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，b a s e do nm e c h a n i c a lm o d e la n d m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ep a p e ra n a l y s e st h em a jo rp a r t so ft h em a c h i n es t r u c t u r eo f m a c h i n e ，c a nf o r c et h ep a r a m e t e r sa n dt h es i m u l a t i o n ，a n a l y z ea n ds o l v et h et u b eo f t r a n s m i s s i o nr o l l e rm a c h i n eo ft h eb e a r i n gs t r e n g t ha n a l y s i sa n di t sd i f f i c u l t y a n di n s o l v i n gt h ep r o b l e m si nt h ef a b r i c st h a tt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g ea n da p p l i c a t i o no f m o d e md e s i g nm e t h o d sa r ev e r ya d v a n c e d ，s o p h i s t i c a t i o n ，a n do b t a i n e dt h er e s u l t s a r ea c c u r a t e a c c o r d 、析t hd e s i g nr e q u i r e m e n t s a n di nt h i sp r o j e c tr e s e a r c ha n d d i s c u s s i o n ，t ou s e r so ft h ef a b r i c s 谢t l lg r e a tc o n v e n i e n c ea n dr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：t u b u l a rb e l tc o n v e y o r ，f i n i t ee l e m e n t ，a n s y s ，r o l l e r ，h o u s i n g i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及意义 在当代先进工业生产科技的发展环境下，环境保护问题已然成为这个时代 越发突出的问题，引起了世界各个国家的高度重视，各个国家当中的工业传送 及设计、生产以及行政管理等部门已经就常规矿物原料传送系统在日常工业生 产中涉及到环境保护及污染问题的粉尘和撒料着手更多的关注【1 2 1 。 管状带式输送机是近二十年来新兴的物料输送技术，在众多行业被广泛采 用，主要用于输送常温散装物料，如煤、矿石、粮食、灰渣等散装物料：可以 根据物料的特定输送特性来满足不同工况条件下的输送要求，如输送高温炉渣、 浆料等【3 1 。 在目前这个信息化i t 技术高速发展的年代，与其配套的各种大型有限元软 件的功能也是在不断的发展完善。作为相互渗透材料力学，应用数学和计算机 技术科学以及其他科学领域的有限元方法，可以用来解决困难的工程问题，依 靠弹性体的数值分析，更准确的数值解以解决工程应用力学，热学，和其他问 题。作为一种可靠、适用、方便的计算理论，有限元方法能够解决零部件的强 度分析、结构和热磁方面的分析。拥有强大分析和后处理计算能力a n s y s 软件， 其核心正是有限元理论方法的大型有限元软件，能够有效的为科学研究领域及 工程计算方面提供帮助。在结构分析中应用先进的大型有限元软件，俨然已被 广大工程领域广泛采用。 本课题提出的大背景即为目前先进工业生产的不断发展，矿料输送基础日 趋发展以及信息化i t 技术的突飞猛进。本课题所进行的结构分析是基于管状带 式输送机，在其他设备上同样可以应用这种静力分析方法。说明其具有很强的 适用性及带来可观的经济效益。目前在世界工程领域较普遍采用的设计流程即 将传统的结构设计与目前先进的有限元分析软件相结合，在信息化大发展的今 天，这一流程将会得到更为长足的优化。 1 2 管状带式输送机的发展概况 将散状物料包裹在强制形成管状胶带内进行输送的一类特殊的带式输送机 第1 章绪论 种物料输送设备的设想最初是由前日本j p c 公司( 现普利司通t p e 公司) 于1 9 6 4 年提出并率先在日本注册发明专利的全新物料搬运技术。并且该技术已在全球 三十多个国家申请过专利，全世界其他公司所有的管状带输送机技术均从日本 普利司通公司引进，包括美国大陆公司、日本三菱公司、德国克虏伯、科赫以 及中国华电公司等。中国华电工程( 集团) 有限公司于2 0 0 1 年正式独家全面引 进日本普利司通公司的管带机专利技术，同时共享该公司全部的设计、制造、 安装标准及规范。合作方式是日方全面独家支持( 技术上为n oh o w ) 华电工 程在中国大陆( 不包括台湾省及香港地区) 的管带机技术、业绩共享、风险共 担。中国华电工程( 集团) 有限公司到目前为止在国内已经拥有八十多条管带 机业绩，管径从巾1 5 0 - 巾6 0 0 均有，输送距离总计四十多公里，并且所有管带机 均运行良好。 图1 1 管带机 管带机的输送原理与普通带式输送机完全相同，既通过输送胶带作为传力 和物料的输送载体，由转动灵活的托辊作为输送物料胶带的支撑，经滚筒的改 向和传动，由驱动装置驱动滚筒，输送机胶带靠滚筒与胶带的摩擦力使输物料 的胶带进行周圈转动进而来输送物料。两者最大的不同点即为运送物料的方式： 普通带式输送机是靠有着平型或者槽型截面形状的胶带运送物料，而管带机是 将物料包裹于系统运行后所形成的管状截面的胶带中进行运送。如图1 2 展示了 管带机与普通带式输送机的结构不同【4 吲。 2 第1 章绪论 图1 2 普通皮带输送机( 左) 与管状带式输送机( 右) 的剖面结构 由于管状带式输送机是从普通带式输送机发展而来的，由于它的传动原理与普 通带式输送机完全相同，是一项成熟技术，因此得到用户的普遍认可。目前， 管状带式输送机技术日趋标准化，它的结构特点决定了未来它将是一种应该优 先选取的散料输送方法。 1 3 选题的背景 金属矿和非金属矿有硬岩块状矿石和软质土质矿石之分，大部分金属矿为 硬岩块状矿石，如斑岩型铜矿、沉积变质型铁矿等。土状软质矿石如红土型镍 矿、铝土矿等。无论煤矿、非煤矿山都有露天开采和地下开采之分，露天矿一 般采用铁路、公路、胶带等方式运输矿石和废石。受露天边坡较陡以及皮带转 弯困难的影响，皮带的使用受到限制，但是皮带运输是耗能较低，运输成本较 低的运输方式。如果采用管带机就可以既克服普通皮带缺点，使胶带运输在矿 山生产中发挥更大效益。目前，矿业发达国家普遍采用汽车一半移动破碎一胶 带运输机的半连续开采工艺，半连续工艺全部采用普通带式输送机。普通带式 输送机在深凹露天矿很难布置，从而也限制了半连续开采工艺的推广和应用范 围【7 8 j 。如果管带机取代普通带式输送机将避免上述缺点。金属露天矿应用普通 皮带运输矿石的矿山较多，如齐大山铁矿、德兴铜矿等矿山【9 1 。 随着现代化发展的要求，环保已成为当今时代性的重要问题，并且在世界 各个国家引起了高度的关注。世界各国的输送机械设计、使用、生产等职能部 门也是对散装物料在输送机输送过程中对环境污染所产生的大量粉尘广泛的重 视。也就是在目前这样节能减排，倡导无公害化输送散料的大环境要求下，管 3 第1 章绪论 带机应运而生。在我国国内各生产厂家也响应这种大环境要求，引进和安装使 用管带机，但是国内对管带机这一新领域理论研究非常少。为了达到更快的国 产化进口设备，相应的解决现实中的出现的新问题，新的设备必然也得推动理 论的更新，所以为了更加好的解决和维护日常生产工作，对管状带式输送机更 深层次的研究以及故障分析势在必行。本课题的工作也正是针对这一工程领域。 在目前这种结构愈加复杂的当代先进工程中，对产品的设计要考虑的因素 也越来越繁琐，要求也就越来越高。作为结构设计中的强有力工具，大型有限 元软件的出现提供了最优的工程结构设计包括像新型结构设计中人们所追求的 先进工具，他是力学计算、数学规划、有限元动态仿真分析等科学领域集于一 体和现代化工业结构设计方面今后的研究方向。 1 4 本文的研究方法 在目前这种传统的结构设计中，包括像总体平面布置、结构尺寸、材料的 选择和工艺的编制这些方面，首先在结构的初始方案中都是凭借以往经验判断 做出的，然后在其基础上进行结构分析，最后在材料和理论力学的基础之上对 其可行性进行校验，有时候修改1 2 次也是必要的。以这种方式的结构分析只 能起到一种保证结构方案安全可靠可行的校核作用。 工作量大，难以承受，难以找到合理的材料分布是目前这种传统设计最大 的弊端，重分析，重校核的过程最多达到2 3 次，在这种模式下既经济又安全 的设计方案是很难达到理想状态的。年轻缺少设计经验的工程师最如此重要的 初始方案的设计是比较困难的。 结合计算机技术的发展，实际工程结构中各种非线性问题应用有限元方法 已经取得了长足的进步及广泛的应用，所以对结构的有限元优化设计势在必行。 1 5 本论文的主要工作 本课题在经过一些参数上的设计计算后，利用a n s y s 软件对新钢三期技改 石灰窑项目中管状带式输送机整个结构中三个关键组件进行较为精细的有限元 强度分析。本论文具体研究的主要工作有： 1 ) 对国内外的管状带式输送机的发展状况以及工作原理进行分析介绍； 2 ) 结合a n s y s 软件的基本情况，对有限元方法的特点及其应用进行介绍： 4 第1 章绪论 3 ) 在a n s y s 软件环境中建立管带机中两个关键部件( 传动滚筒和轴承座) 的有限元仿真模型。 4 ) 运用a n s y s 软件分别对传动滚筒及其轴承座进行有限元强度分析，以 确定结构是否可靠、合理，并在软件分析结果的基础上提出结构改进意见。 5 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 管带机用强制形成的管状胶带包裹散装物料的输送原理与普通带式输送机 完全相同，即通过输送胶带作为传力和物料的输送媒体，由转动灵活的托辊作 为输送物料胶带的支撑，经滚筒的改向和传动，由驱动装置驱动滚筒使输送机 胶带靠滚筒与胶带的摩擦使输送物料的胶带进行周圈转动进而输送物料。所不 同的是，普通带式输送机将物料放在平型或者槽型的胶带截面上输送，而管带 机是将物料放在胶带所形成的管状截面内输送。 物料搬运技术由于管带机的出现，发生了革命性的变革，因此该项产业发 展十分迅速，在世界范围内得到较为广泛的应用。管状带式输送机作为一种高 环保产品越来越得到设计和使用单位的重视。 2 1 管带机的基本结构 管带机和普通带式输送机的基本结构式基本上相同的，构成其的主要部件 包括：头部滚筒、尾部滚筒、改向滚筒、驱动和拉紧装置、托辊组、机架、桁 架走台支架和胶带等。所不同的是胶带在六边形p s k ( p i p e s h a p e k e e p i n g ) 托 辊组内约束形成管状。胶带在依次循环而平稳地运行的同时，展开受料、封闭 输送，然后再卸料【1 0 】。 完整的管带机都是由头部过渡段、圆管成型段和尾部过渡段三大部分组成。 承戴势褒 图2 1 管状带式输送机设备简图 6 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 尾部过渡段 从尾部滚筒至胶带形成圆管状这段距离称为尾部过渡段。受料口一般设在 这段范围内。在该过渡段内，胶带由平形逐步形成槽形，最后卷成圆管状。 圆管成型段 在圆管成型段，胶带被呈六边形布置的托辊组约束形成圆管状，保证所需 输送的物料随胶带能够在圆管内部稳定运行。 头部过渡段 胶带在头部过渡段由圆管形逐步过渡问槽型，然后再头部滚筒出自然形成 平形。 图2 4 头部过渡段 2 2 管带机的主要部件 管带机在其尾部的过渡段受料以后，为了将物料密闭输送逐渐将其卷成圆 7 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 管状，然后一直到卸料的头部过渡段才逐渐展开。具体结构如下图2 1 所示：管 带机由驱动装置及传动滚筒、螺旋拉紧装置、尾架、过渡机架、改向滚筒、皮 带、支柱、托棍、桁架、走道、水平翻带装置、六边形托辊组、塔架、中间机 架等组成。 a ) 胶带： 作为管带机承载物料的承载件以及牵引件，胶带分为很多类型，大致来分 主要有尼龙、聚酯织物芯以及钢丝绳芯胶带( 如图2 5 ) 。良好的弹性、纵向柔 性以及适当的横向刚性及抗疲劳性是管带机必须具备几个素质。另外，管带机 对带芯的要求也比较严苛、需要具备一定的强度和牢固度。为保证胶带在成管 后的密封性和性能的稳定，管带机的两侧的搭节部分也需要有良好的可挠曲性。 纩飞 l = 图2 5 胶带结构 管带机与其它输送带不同技术指标是横向刚性，这是管带机胶带独特技术 指标。而且每条胶带的宽度不同，厚度不同，它的刚性就不同。胶带刚性通常 的测量方法时：取7 5m l n 长的胶带，用1 0 5 9 - - 4 0 0 9 的力垂直作用在胶带上，测 得的弹力值为胶带的刚性强度。 最大张力值、使用条件、输送距离以及安全系数都是胶带型号选择要考虑 的因素。 胶带的安全系数是一个经验值，应考虑安全、可靠、寿命、制造质量、经 济成本、启动系数、现场条件等多方面的因素。依据d t i i 安全系数1 1 的推荐， 对钢丝绳芯输送带：n = 7 9 ；对织物绳芯输送带：n = 1 2 - 1 6 。运行条件好，倾角 小，强度低，取最小值，反之，则取最大值。 b ) 托辊： 8 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 管带机托辊主要有六边形托辊组、槽形过渡托辊组。槽形过渡托辊组用于 头部和尾部的过渡段，其结构和布置间距与普通带式输送机相同，根据过渡段 长度可选用1 0 。、2 0 。、3 0 。、4 5 。、6 0 。几种。六边形托辊组的布置间距随 管带机圆管直径的增大而增大，在确定间距时，还应考虑到输送物料的松散密 度转弯半径和弧段类型等。 由于管带机为桁架结构，中间段一般不设栈桥，因此对管带机辊子的防水 性能要求较高。 c ) 滚筒 管带机中的滚筒包括：驱动滚筒、尾部滚筒、改向滚筒、张紧滚筒、增面 滚筒等。滚筒采用焊接简体结构，焊接滚筒必须进行褪火处理，以消除其内应 力；滚筒焊接后不能有夹层、裂纹、结疤等缺陷；滚筒必须进行探伤检查，在 装配后要进行静平衡试验，并提供各项检测资料。 滚筒筒体长度比胶带宽度宽约2 0 0 m m ，滚筒筒皮壁厚应不小于l o m m 。 滚筒轴为锻件，其许用扭矩及许用合力均应满足设计要求，与减速器相联。 滚筒轴承采用调心型双列圆柱或球形滚动轴承，滚筒轴承座应该设计成可 调式的，保证在滚筒轴承座定位有效锁定之前可以进行调整。投标方应选用合 理而实用的润滑方式。 采用菱形胶层的传动滚筒表面胶层的形成方式为铸胶，其表面胶层的厚度 不能小于1 6 r a m ，硬度必须大于7 0 度；而采用平面胶层的改向滚筒表面胶层是 采用铸胶形成方式，表面胶层的厚度和硬度都必须分别大于1 6 m r n 和7 0 度。 滚筒为露天布置，应防晒、防热、防尘、防水、防腐蚀。 d ) 桁架和支架 由于管带机可以沿着地平线和架空等多种布置形式，根据现场的需要而定。 为了安装管带机托辊架，因此管带机一般选用如图3 形式的框架( 即桁架) ，支 撑选用圆钢管人字形支架，由于管带机桁架已有足够刚度，则可在两边另加人 行通道和检修通道，从而取代输送机栈桥。 9 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 图3管状胶带机桁架示意图 e ) 其他部件： 驱动装置、传动滚筒、改向滚筒、拉紧装置、头尾架、导料槽、头部护罩、 空段清扫器、头部清扫器、漏斗、尾部护罩等部件的结构和普通的带式输送机 结构完全一致。 2 3 管带机的主要特点 管带机在保证物料粒度的均匀基础上，基本上对任何散装物料都没有应用 限制。目前较常见的用来输送的物料包括：煤、石灰石、矿石、焦炭、沙石、 水泥烧结料、化工粉料和石油焦等。诸如粘土、钢浓缩物、废渣、金属碎渣、 碎混凝土、尾渣、加湿粉煤灰和铝土等分厂难处理的物料同样可以用管带机输 送。 胶带在托辊所组成的正六边形托辊组内形成管状是管带机的主要特点，相 比较于普通的带式输送机，头、尾及拉紧等处结构形式完全相同。由于管带机 在普通的槽型到圆管状形成有一定长度，所以这部分过渡区域设计是需要考虑。 物料在输送过程中，上下胶带将物料包裹在圆管形密闭区域内，所以完全可以 实现多向转弯。 1 0 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 图2 5 正六边形托辊 管带机输送具有以下主要特征： 1 ) 沿线物料输送过程中被完全封闭，既可防止环境( 灰尘、雨水等) 对输 送物料的污染，也可防止物料洒落污染环境。尤其是运送粉状物、化工制品、 食品时，这一优越性更为显著，同时，由于输送带在过渡段反复变形、因此输 送过程中承载侧无散料的飞扬及飞溅，返回侧胶带反向成管状，胶带承载面被 包裹在里侧。这样避免了粘附胶带上残余物料回程输送沿线的散落因此，输送 块料、粉料、有毒及起尘物料均不会造成外部环境污染。 2 ) 管带机可进行水平、垂直及空间弯曲运行，转弯处无须建立转运环节， 故原需要多条普通皮带机搭接的系统可采用一条管带机即可，既节省了转运站 费用又使布置简单，可有效降低工程造价和节省人力资源。 3 ) 由于形成管状后增大了胶带对物料的摩擦力，可以实现较大倾斜角度的提 升( 一般可以达到普通带式输送机提升角度的1 5 倍) 。 管带机拥有更大的倾斜能力，以及通过圆形横断面增大输送带与物料的接 触面积，相比较于普通的带式输送机，能够增大5 0 的输送倾角，管带机的倾 斜角越大，进而其长度也就越短，更加富有经济价值，在空间和性能受限的环 境下使管带机成为唯一可行的物料输送方案。 4 ) 返回侧也可封闭输送物料。管带机的回程带同样也是圆管形，通过卷起 的输送带，圆管底部的搭接部分，这不仅包起了输送带脏的一面，还使输送带 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 同承载侧一样通过相同的弯曲路线。 图2 6 上f 行程封闭运送物料 5 ) 由于胶带形成管状，在输送同等量的物料前提下管带桁架宽度大约只相 当于普通带式输送机横断面的一半，故占地面积小。 6 ) 由于托辊被安装在桁架隔板上，该桁架必须具有一定刚度，因此在管带 机桁架两边安装上走道既可，无需另建栈桥，在较长距离或多转弯输送条件下， 采用管带机输送方案较普通皮带机输送方案有更为显著的经济性。 2 4 管状带式输送机的技术要点 曲管状带式输送机的输送带 由于管状带式输送机对胶带的横向刚性有要求，必须具有适当的横向刚 度，胶带即不能太硬也不能太软。如果胶带太硬( 横向刚度太大) ，将会使胶带 搭接处上翘，造成密封效果不好；如果太软( 横向刚度太小) ，将会使胶带裹成 管时往下塌，形成扁管现象。因此，胶带是否具有合理的横向刚度对管带机能 否正常运行起到至关重要的作用。 b ) 弯曲 管状带式输送机优于通用带式输送机的显著特点是可以通过弯曲的小半 径，减小整个外形轮廓，能够在通用带式输送机在地理上或者需要多点转载等 不能使用的特殊条件下，使用管带机。于普通带式输送机相比，管带机的托辊 将输送带完全包围，所以也不会出现跑偏情况。管带机不但可以在水平面和垂 直面上弯曲工作，而且还可以在这两个平面上同时弯曲，在转载点取消了之后， 通过障碍物时可以从侧面、上面或者下面通过。输送带在到达卸料滚筒过渡段 1 2 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 之前，必须完成通过过渡段形成圆形后开始的弯曲。而且管带机在过渡段的两 端一定是直线。 c ) 变频驱动 变频驱动技术的应用是本设备的一个关键的技术重点，管状带式输送机一 般在运距比较长，地理环境比较复杂，转弯较多的情况下运行。结合实际情况， 采用多点驱动，一般都是首尾单驱动或是首尾双驱动，还有其他组合方式。拿 头部双驱动，尾部双驱动来说，将在线调速功能、变频器控制驱动技术、驱动 设别的软启动以及软停机将同时被采用。同时由于有1 5 0 的过载能力裕量，选 用4 台高压变频器由于4 台电机驱动不同轴联接，又要保持同步，因此，4 台 电机的控制方式不是独立而是相互关联的。若4 台电动机的传动都作为独立的 速度控制，则在系统运行时，4 台电动机的转矩难以调整。为了满足即要保证整 个系统速度同步，又要确保4 台电机的转矩平衡，设计采用罗宾康的最新的d r o o p c o n t r o l 技术，这样4 台变频器均处于速度闭环运行模式，保证4 台电机之问的 速度同步以及转矩平衡。 d ) 物料粒度 由于管带机在设计方面的要求，所输送的物料最大粒度不能超过管带机的 1 3 。例如，管带机的管径有6 0 0 m m ，那么它所输送的物料粒度不能超过2 0 0 m m 。 散货运输系统是运输行业的一个重要部分。管状带式输送机作为散货运输 系统一个关键部分，凭借其经济、环保、运行稳定、可靠性高、维修率低等特 点，取的了成功，为港口码头、电厂等行业带来了经济效益和社会效益，得到 了运输行业的一致好评。 2 5 管状带式输送机主要参数计算 表2 1 新钢三期技改管带机主要相关参数 项目 参数 管径 带宽 水平机长 填充率 胶带型号 驱动功率 2 0 0 m m 7 8 0 m m 1 5 1 3 2 4 m m 6 5 e p l 5 0 ，7 8 0 3 3 7 k w 1 3 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 - 一一 - - _ _ _ _ - _ - - _ _ _ - - _ _ i l l l l _ - _ _ _ - _ _ _ _ i _ - _ _ - _ _ - _ 一_ l 项目 参数 供电电压 风载、雪载和走道活载标准值 粒度 堆比重 输送量 带速 a c 3 8 0 v 0 4 ，0 3 5 ，1 5 k n m 0 7 0 1 0 1 2 t m 7 0 t 1 1 1 0 m s 2 5 1 传动滚筒的平均张力 管带机的输送带通常会产生左右的扭转状态，因此在头部滚筒处输送带会 出现横向移动的现象，因此用于管带机的滚筒宽度要比一般的带式输送机的滚 筒宽度要大，在本文所研究的管带机传动滚筒的直径为6 3 0 r a m ，重5 2 1 k g 。 图2 7 传动滚筒不意图 管状带式输送机传动滚筒的张力、功率等很多方面的计算与一般带式输送 机的计算方法相似【1 。 f ：型旦k 。 2 。 f l 、f 2 输送带紧、松边张力，n ： k r 允许过载系数，取k o = 1 0 5 。 由于 所以 f u = f l - f 2 ，f l = f z e 胛 1 4 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 f l _ f u 南 f 1 卜一圆周驱动力，n ； 输送带与滚筒体之间的摩擦系数，按光滑钢滚筒、潮湿空气条件下 运行，取0 2 ； a 输送带包角。取a = 3 5 r a d ( 2 0 0 。) 。 求出 又有； 最终求得： e 加2 ，e = 2 f = 1 9 f 2 f ：一p ：3 7 x 1 0 0 0 w ：3 7 k n 一 = 一= 一= 一 v1 0 m s f l = 7 4 k n f 2 = 3 7 k n f = 5 8 k n 2 5 2 线路的布置 在线路布置时应该注意到的问题： 在空间取现输送线路的布置上，管带机完全可以实现，尤其是弯曲段有比 较多的时候，最好是在输送机的两侧是弯曲段的数量和方向能够对称布置，这 样可以横断面上胶带减少扭曲以及是运行时的张力均匀分布。 管状带式输送机过渡段长度主要由胶带的伸长率和横向刚度决定的。在过渡段，胶 带由平形变成圆形，此时胶带的边缘将被拉伸，并由此产生附加应力。过渡段的长度如 果太短，将会有较大的附加应力集中在胶带的边缘，将会产生由于疲劳产生的 破坏，甚至是将胶带的边缘撕裂；而如果过渡段长度过长，整个密封长度在输 送线路上又将缩短 1 2 “1 6 。 对尼龙帆布胶带：过渡段长度通常取 l g = d 管2 5 ；钢丝绳芯胶带：过渡段长度通常取l g = d 管5 0 。 在中间设有加料点和卸料点是不适合管状带式输送机的。如果一定要采用 这种中间加料或者卸料的方式，一般是将胶带展成平型的方式增加过渡段，将 1 5 第2 章管带机工作原理及其部分参数计算 加料装置安装在加料点或者用电动或在手动犁式卸料器在卸料点直接进行卸料。输 送路线空间弯曲布置时的曲率半径 管状带式输送机可以按曲线布置在空间任意的方向，例如绕过建筑物、横 跨公路和河流等，不仅将中间转载部分省去，而且还能在输送物料时实现一机 长距离复杂线路输送。但是，胶带和托辊的使用寿命会受到曲率半径大小的直 接影响，所以尽量设计增大曲率半径在现场布置允许的情况下。曲率半径应满 足下列要求： 尼龙布胶带：转弯半径r d 管x3 0 0 钢丝绳芯胶带：转弯半径r d 管6 0 0 1 6 第3 章有限元分析方法与a n s y s 软件 第3 章有限元分析方法与a n s y s 软件 3 1 有限元分析方法及其应用 有限元法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂 的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。 由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法( f e m ， f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ) 。 有限元法是最重要的工程分析技术之一。它广泛应用于弹塑性力学、断裂力 学、流体力学、热传导等领域。有限元法是6 0 年代以来发展起来的新的数值计算 方法，是计算机时代的产物。虽然有限元的概念早在4 0 年代就有人提出，但由于 当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发展，有限元 法在各个工程领域中不断得到深入应用，现已遍及宇航工业、核工业、机电、化 工、建筑、海洋等工业，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。早在7 0 年代初期就有人给出结论：有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计 产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比设计。目前，有限元法仍在不断发 展，理论上不断完善，各种有限元分析程序包的功能越来越强大，使用越来越方 便。 3 1 1 有限元法的基本描述 有限元分法是利用数学近似的方法对真实物理系统( 几何和载荷工况) 进行 模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去 逼近无限未知量的真实系统f 1 8 2 2 】。 有限单元的描述必须包括以下信息： 1 几何形状； 2 边界条件； 3 材料性能； 4 几何性质； 5 类型分析； 6 精度的期望。 1 7 第3 章有限元分析方法与a n s y s 软件 几何形状应该被保存在理想化的有限元中。这就要求非流形几何模型时有 限元要由不同维度的基础组成。几何描述总是被保存在网格线组成的边界表示 中。 传统上，边界条件被网状化后就可以用于建模，分析师知道有限元分析的 原始思想并将这些知识用在为物体生成合适的有限元网格上。1 1 1 ed e s i g n r e p r e s e n t a t i o ns y s t e m ( d r s ) 允许我们指定边界环境和几何形状并注重有限元模 型的边界表示。 实践中，有限元涉及的大都不是单一的机械元件，因此最好是使用装配和 连接符号来表示。由于连接部件之间互相作用，连接表示也能用在自动获得边 界条件上。 有限元的基本构成： 1 节点( n o d e ) ：空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。 2 元素( e l e m e n t ) ：一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述( 称为 刚度或系数矩阵) 。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。 3 自由度( d e g r e eo f f r e e d o m ) ：用于描述一个物理场的响应特性。 x 图3 13 d 问题中的应力分量 本文分析的对象为受外部作用力的结构，其有限元分析应采用空间问题的 基本力学方程。 1 ) 位移和应变之间的几何关系( 几何变形方程) 1 8 第3 章有限元分析方法与a n s y s 软件 位移分量矩阵表达式 应变分量矩阵表达式： s2 6 = 三 = l v s j s y s ： y 础 y 弘 y 。 w r ：k j e ys ：y 删) ，弦y 腰r 应变分量与位移分量之间的关系： d “ s z3 ：一 d x d v s y2 瓦 d w s = 0 z o ua v a “a 甜 ) ，a 2 石+ 瓦 剪应变与正应变之间的关系( 平面问题) ： a 2a “ 砂2 苏 1 9 瓦丝砂 + 万丝础 = = 砂 弦 y ， 旷 监酽 + 监矿 = 塑砂 生酽 + 监坳 第3 章有限元分析方法与a n s y s 软件 剪应变与正应变之间的关系( 三维问题) ： 2 生：旦卜盟+ 监+ 盟1 砂昆苏i 玉 咖 a zj 2 ) 应变和应力之间的弹性方程( 材料的物理方程) 应力分量矩阵表达式： 应变和应力的关系： = b 。 仃y 仃z , g - 删r 弦 s y = s ：= 一毛= 一肛睾 f：c-rt s y = s ：一毛2 一肛苫 弘 剪切弹性模量和弹性模量之间的关系： 应变和应力的相互换算： g = 丽e 2 i l + “l 2 0 工 y ： y z x西巩办锄和锄 第3 章有限元分析方法与a n s y s 软件 一p b y + 仃 一b ，+ 仃：) 】 一p b ，+ 仃y ) 】 3 ) 应力与外力之间的平衡方程( 力的平衡方程) 力的分类：体积力( 内力) 、表面力( 外力) 体积力：重力、离心力、惯性力等 表面力：外载荷、流体静压力等 根据力的平衡条件： 根据合力矩为零的平衡条件：( 作用在单元体上的力对x 、y 、z 轴取矩) 3 1 2 有限元软件的分析功能 结构静力分析。用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适 2 1 b，p，p 一e一e，一e = = i l r y ： s ， 争， 砂 归 f r r ，一g，一g一g = = = 砂 弦 及 = = = p p p + + + 监瑟鲤瑟亟瑟 蔓钞峨一砂一钞 + + + 慨i 堡融饥i | | l i f f e c 垮 矗 纠 r r = = = w 弦 t f ，、【 第3 章有限元分析方法与a n s y s 软件 合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。 结构动力学分析。结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或 部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时问变化的力载荷以及它对 阻尼和惯性的影响。分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分 析及随机振动响应分析。 结构非线性分析。结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例 变化。程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单 元非线性3 种，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 动力学分析。程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主 要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中 由此产生的应力、应变和变形。 热分析。程序可处理热传递的3 种基本类型：传导、对流和辐射。热传 递的3 种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模 拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦 合分析能力。 电磁场分析。进行电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线 分布、力、运动效应、电路和能量损失等。 流体动力学分析。可以是稳态和瞬态，得到压力、流量和温度分布。 声场分析。研究声波的传播、固体结构的动态特性、声场强度分布、水 对振动船体的阻尼等 压电分析。可以进行静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分 析，研究二维或三维结构对直流、交流电流的响应。 3 1 3 有限元分析的分析步骤 在前提是具备大规模的计算能力下，离散为一系列的标准形状几何体复杂 几何体，通过在标准的几何体上规范试函数表达及构建全场试函数，最后通过 最小势能原理得出力学问题的线性方程组，以上便是有限元法的基本思路2 3 2 4 】。 如下图3 2 所示。 第3 章有限元分析方法与a n s y s 软件 3 2a n s y s 软件介绍 图3 2 有限元分析的基本步骤 匿 3 2 1a n s y s 软件简介 在a n s y s 是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要 是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根 据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计 要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析 往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计 算机行业的发展，相应的软件也应运而生，a n s y s 软件在工程上应用相当广泛， 2 3 第3 章有限元分析方法与a n s y s 软件 在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度， 颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。 到8 0 年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有： a n s y s ，n a s t r a n ，a s k a ，a d i n a ，s a p 等。以a n s y s 为代表的工程数值模拟 软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1 9 7 1 年的2 0 版本与今天的5 7 版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结 构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序 以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代 工程学问题必不可少的有力工具。 3 2 2a n s y s