（机械设计及理论专业论文）大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及cai.pdf

太藤理工太学联士学位论文1 大型带式输送机驱动滚筒的有限 元分援及c a d 设计 摘要 滚篱是带式椽送搬憨主要部佯，承拯藉辕送极鲍动力传避及胶带驰 改向等作用。随着带式输送机的发展。对滚筒提出越来越高的要求。对于 大型带式输送枫，胶带强度越高，掰要求的滚簿鲍藏绞也越大。强前企逝 标准鲁q q d 4 3 9 8 0 中，胶带强度最大为6 0 0 0 n r a m ，但在我围的滚筒直 径系列标准中最大豹直径为1 6 0 0 m m ，不满足需求。滚簿设计的关键是 精确地计算出滚筒备个部位的受力情况，特别是焊缝的受力大小。采用椒 赂的瓣他计算法及类比漩或袭用投竞耀论等方法对滚筒进行强度分析，诗 算结果不怒很精确，应力的纲微变化也很难描述清楚。 本课题主要是海适应高强度皮带的要求，对直镪为1 6 0 0 r a m 阱上鲍走 型带式输送机滚筒进行设计。然后用a n s y s 软件建模，进行网格划分， 对其所受的应力进章亍有限元分析，找到应力集中点并对其结构进行改造， 设计出受力合理的滚筒。据有关资料统计，在常规产品设计过程中，圈上 作业时间豹占总设计时间的一半发右。因戴，为了提离滚簿的设计效率， 本课题主鼹是基于a u t o c a d 2 0 0 0 平台，在o b j e c ta r x 2 0 0 0 和v i s u a l c + + 6 。0 开发环境中，采用隧向对象技术的设计方法，在微机上实现滚筒总 阁和零件圈的自动绘制。 关键词：带式输送机，滚筒，有限元，参数化绘图，o b j e e t a r x 犬型帮式翰送扭驱动滚姥的宥疆露分拆及c a d 太原理工大学硕士学位论文 - 2 - t h ef i n i t em l y s i sj 帅c a dd e s i g nf o rt h ed r u m s o ft h eg o o d s i z e dc o n v e y o rb e l t s a b s t r a c t t h ed r u mi st h em a i nc o m p o n e n t so ft h ec o n v e y o rb e i t s i ti s u s e dt ot r a n s f e rt h ep o w e ro ft h ec o n v e y o ra n dc h a n g et h ed i r e c t i o n o ft h eb e l t s w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h ec o n v e y o rb e l t s ，t h ed r u m i sd e m a n d e dm o r ea n dm o r e f o rt h eg o o d s i z e dc o n v e y o rb e l t s ，t h e h i g h e rt h ei n t e n s i t yo ft h eb e l ti s ，t h el a r g e rt h ed i a m e t e ro ft h e d e m a n d e dd r u mis n o wi nt h ec o r p o r a t i o nc r i t e r i o nl uq q d 4 3 9 8 0 ， t h eh i g h e s ti n t e n s i t yi s6 0 0 0n e w t o np e rm i l li m e t e r ，b u tt h el a r g e s t d i a m e t e ri nt h ed i a m e t e rc r i t e r i o ni no u rc o u n t r yi s1 6 0 0m i l l i m e t e r t h a tc a n tm e e tt h ed e m a n d t h ek e yo ft h ed r u md e s i g ni s t o c a l c u l a t ea c c u r a t e l yt h e i n s t a n c eo ft h e d r u m ，e s p e c i a l l y t h e m a g n i t u d eo ft h ef o r c ei nw e l d i n gl i n e w h e na n a l y z i n gt h ei n t e n s i t y o ft h ed r u mw i t ht h es i m p l en u m e r a t i o na n dt h ea n a l o g i s mo rt h es h e l l t h e o r y ，t h ec a l c u l a t i v er e s u l t i sn o t v e r yp r e c i s e a n di t s d i f f i c u l tt od e s c r i b et h en i c ec h a n g eo ft h es t r e s sd is t i n c t l y t om e e tt h ed e m a n df o rt h eh i g hi n t e n s i t yb e l t s ，t h ep a p e ri s t od e s i g nt h ed r u mw h o s ed i a m e t e ri sa b o v e1 6 0 0m i l l i m e t e r t h e n m o d e l i n g ，c a r v i n gu pt h en e t ，a n a l y z i n gt h es t r e s sw i t ht h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o da n df i n d i n gt h ef o c u sp o i n t so f t h es t r e s sa n d r e b u il d i n gt h es t r u c t u r e ，s ot h a tw ec a nd e s i g nar e a s o n a b l ed r u m u n d e rt h ef o r c e a c c o r d i n gt os o m ei n f o r m a ti o n ，d u r i n gd e s i g n i n gt h e r o u t i n ep r o d u c t ，t h et i m eu s i n gt op l o t t i n gi st h eh a l fo ft h et o t a l t i m e i no r d e rt oe n h a n c et h ed e s i g ne f f i c i e n c y ，t h ep a p e risb a s e d 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太原理工大学硕士举位论文3 。 o na u t o c a d 2 0 0 0a n du s e st h eo r i e n t e d “o b j e c td e s i g nt e c h n o l o g yi n o b j e c t a r x 2 0 0 0a n dv i s u a lc + + 6 。0 f i n a l l y ，i tm a k e st h ea u t o m a t i c d r a w i n go ft h ef i t t i n gd r a wa n dp a r td r a wi nc o m p u t e rc o m et r u e k e yw o r d s ：c o n v e y o rb e l t ，d 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 ， o b j e c t a r x 大墼带式输送梳驱动滚筒的有辩元分析麓c a d 太原理工大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 引言 连续输送机是物料搠垂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中效率最高、使用最普遍的一种机型。随着 国民经济的发展，实现生产过程自动化和机6 吱化成为提高劳动生产率 的重要手段之一。带式输送机可以大大降低人力劳动强度，提高生产 机械化水平，因此目前已经被广泛应用于采矿、冶金、水电站建设工 地、港口以及工业企业内部流水生产线上。在我国大宗散货港口装卸 作业中，带式输送机已成为不可缺少的主要装卸输送设备。在煤炭、 散粮、矿石等专业码头中采用了许多长距离、大运量的带式输送机。 众所周知，高强度带式输送机以其长距离、大运量运输方面的独 特优势，在许多行业有着极其广泛的应用。为使运输系统达到最佳配 置，在其设计过程中必须进行大量的优化设计工作。 滚筒是带式输送机的主要部件，滚筒的使用寿命严重的影响输 送机的正常运转和生产。根据在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。对带式辅羞机的滚筒进行参数化设计，充分利用计 算机的快速而准确的处理能力，对于缩短产品设计周期，降低设计成 本，提高设计效率具有一定的现实意义。 据有关资料统计，在常规产品设计过程中，绘图时间约占总设计 时间的3 4 ，图纸修改时间约占8 - 9 ，编写零部件明细表时间约占 5 ，也就是说，上述图上作业时间约占总设计时间的一半左右。带式 输送机属于采用大量标准或系列部件的非雨 r 【械产品，图纸绘制，尤 其是总图绘制在总设计时间中占的比例更大。因此，要缩短带式输送 机的设计时间和提高设计效率，实现图纸的计算机辅助自动绘制，具 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太原理工大学硕士学位论文 有重要的意义。目前，国家标准d b 9 7 7 0 - 8 8 规定输送带最大强度为 4 0 0 0 n m m ，最大滚筒直径为1 6 0 0 m m 。实际上现在已按企业标准鲁 q q d 4 3 9 - 8 0 生产出了强度为6 0 0 0 n m m 的输送带，为了适应高强度输 送带的要求，有必要实现直径为1 6 0 0 m m 以上滚筒的设计。 目前，对于1 6 0 0 m m 以下的驱动滚筒，般用类比法或近似解析 公式进行设计。其解析法会给滚筒计算带来许多数学上的困难，很难 用于工程实际。此外，用解析法只能计算不多的几个点的应力及变形， 难以求出应力及变形的规律，因而也就无法研究其损坏机理，不便确 定合理的设计原则。因此，寻求一种新的计算方法，致力于研究解释 滚筒损坏机理，就显得越来越重要。 从这一实际情况出发，本课题拟采用有限元法对驱动滚筒进行应 力分析。 1 2 国内外在该领域的研究现状 查阅大量的资料表明，在国内作为带式输送机重要部件的滚筒， 其设计方法比较落后。目前对于小型滚筒主要采用近似公式进行设计 计算，对于重型滚筒，近 以公式已不再适用，主要凭经验公式设计， 这就使得设计计算具有较大的盲目性。更不可能直接在滚筒的危险点 上得出有关应力状态的可靠结论。为了保证产品的可靠性与安全性， 避免造成材料的浪费，改进滚筒的设计方法，对推动带式输送机技术 的发展，提高工厂的经济效益都有较大的现实意义。 对复杂结构的应力分析目前主要用有限元法。而将有限元法应用 于滚筒强度分析，目前国内还很少。东北工学院于升忠等人于1 9 8 0 年 用有限元半解析法对合拉力为1 3 6 吨的双辐板结构进行了有限元分 析。所谓有限元半解析法是指旋转结构，受有不对称于中心轴的载荷， 其变形不再是轴对称，但由于结构是轴对称的，其解沿环向具有周期 性，故可利用级数展开以减少工作量。该方法存在的问题是傅氏级数 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太缀遵工大学硕士学位论文 影响嚣筹黻，翳嚣重爨矮较有限元半解析方法憝獗瑾，壹编套考隈 元分掇程序。丽盥由于分掇过援中忽略了竣送繁与驱动滚簿闻摩擦宠 熬捧髑，因姥络装写实嚣搀差甚大。因必赣送豢与滚燕之溺熬摩l 裘力 是滚德扭曲变形的重要因索。 瑟安冶金建筑学院的陵鸿垒榱援弱摭体弯整豹露矩理论，将滚篱 当作弹性圆柱薄意的问题求解，按其所假设的力学模型，在理论上推 导出驱动滚簿狂扶动滚簦农步 载赘律震下旁体内懿盥移程寝力蕊诗舞 公式，在一定程度上揭示出篱体直径、伊i 辐板闻g 秘拉力与应力之间 的关系。存在螅阉题是英力学模型袈咎萤刻，将篝鹪辐投分牙考懑， 这对计算结果的凇确性礴较大的影响。因为辐扳的形状、厚度对筒 本 斡变形及应力分蠢蠢不珂忽视载影晌。东诗簿中，不考虑这些因素嚣 仅仅取出篱壳来分析得出的结果是不可靠的。 嚣安交通大学夔经运髑s a p 5 慰d s a 5 a 1 1 4 婺l 嫩簿教有限嚣 分析，在分析的过程中，作了一些简化，在熬体结构上，聋客毂没有进 入诗葵模型；忽略了辐扳烈形工艺i 妞l 结橡的影嗨：在轮毅与疆扳联 接处，以三个方向的固定嶷座代替原轮毂与辆板的连接，对辐板的抗 弯曲煳e 垃埂z 界元代替；髑辑扳代饕篱壳。慰驱动滚翁的鼹度靼强澄 进行了分析并得出：摩擦力是滚筒扭曲变形的重要因豢；从应力与嶷 彤两个方蕊说辐板蝴n 强筋，农滚麓朝嶷罗怼态- f ，慰蜀蠢变形 与简体应力分布影响不大只是在临界状态下能提商翮荀的整体稳定 性；滚篱的径赶变形在滚麓中部秘麓体与辐辍的逡接处。邋过分板， 对简壳厚魔进行了优化，以达到节省材料的目的。 煤炭科学研究总院上海分院曾佟过强力滚麓酌有限元分横，对滚 筒的各点的受力、变形大小，通过实验验证了有限元 蠹计算滚筒受力 的可靠性。疆安科技学院刘金依等人采用大型霄限元分析软传 a n s y s ，对英国安德森_ 梅沃公司顺黼町f 申缩带式输送机驱动滚筒的威 力分布援律进行了计算，得出了废力分布图，并我到了应力危险区， 从理论上对滚筒的常见破坏形式进行了分析研究，为进一步改进滚筒 大型带式辘避壤驱动滚簿懿考艇嚣分辑获c a d 太原理工大学硕士学位论文 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。以上所 述对本课题有很大的帮助。在应力分析方面，为达到结果的准确性， 本课题应用大型有限元软件a n s y s ，对大型带式输送机的驱动滚筒进 行泣力分辑， 随着日益普及的计算机自动化，运用高级语言对带式输差机滚筒 设计进行编程已成为当今迫切的需要。随着输送带强度的不断提高， 对大直径滚筒的需求也越来越多，但在国内对大直径滚筒运用面向对 象的程序设计语言进行编程还很少。在国外，由k i l k i s b i r d 和 s a g e r s s e l c u k 提出了对斗式提升器和带式输送机的计算机辅助设计， 并用b a s i c 语言进行编程。他们应用交互式程序设计，计算机程序使 所有的设计结果符合t s e 。d i n 标准和i s o 标准，数据库中应用标准表 格，使其易于编译和更新，并在设计最后得到设计报告和屏幕输出。 淮南工业学院曾作过带式输送机滚筒的c a d 系统的设计，但他们运用 的是c 语言对a m o c a d 进行二次开发，实现对带式输送机滚筒的参 数化绘图。为增加设计和绘图的效率，实现 、机对话，运用v i s u a lc + + 对a u t o c a d 进行二次开发，具有重要的意义。但目前国内外还没有一 文献对带式输羞机大型滚筒运用面向对象程序j 差行设计，运用o b j e c t a p , x 开发技术实现滚筒总图的自动绘制。 1 3 本论文的主要工作 选择该课题的目的就在于对现在少见的大型滚筒进行设计计算， 对其所受的应力进行有限元分析，利用a n s y s 软件进行网格划分， 找到应力集中点并对其结构进行改造，以满足现在生产的需要。为提 高设计效率，依据模块化设计思想，借助a u t o c a d 进行参数绘图， 在微机上实现滚筒总图和零件图的自动绘制。 首先，对滚筒进行结构设计。滚筒的结构尺寸是影响滚筒质量 的重要因素之一。同样形式的滚筒，结构尺寸设计的合理与否将会使 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太琢理工夫学蕊学盈论文 滚簿的寿会毒缀大豹差茄。结构尺寸设 穗哩敦滚簿莪应力篷均匀， 无应力集中区域。对筒壳来说，其厚度设计的偏大魑，滚筒受载较均 匀，僵砖卷枣l 的滚篱来说其厚度怒受到5 琵露鲍。女g 暴篱麦簿度选戆薄 些，而在其内圆上焊接轴向筋板，反而效果更好。对轮来说。好的铸 造工艺健，疆游戆轮纛过渡，蓐波适当蝴8 强簸垮自大大挝裹滚篱黪 整体强度。滚筒与轴的逡接采用胀套连接，通过胀套将轮和轴连为一 体。胀套实嚣上楚一组融妖，逶：j 篷辘向提粼侵凑步隧交纯。这耪 连接方懿：对轴和轮孔的精度要求不是很商，重复使用又不破坏轴和轮 孑l ，歇以大型滚鼹簿露与鼬的连接应优先i 嶷鼹胀套连接。嘲撵滚篱辘 端与外部的连接用胀套连接也是掇高滚筒传递能力的有效措施。轮辐 葶珏轮毂为一整体铸l 牛，窀与簿竞澎接在越。铸烊结构的滚蔗也有爆 缝的存在，可在轮辐、轮毅处不存在焊缝，这就大大降低了发生焊缝 破裂的枧率，大大提毫了滚篱的承载力。 其次，运蹋大型有限元软件a n s y s 对滚筒进行应力分析。滚筒 的结枣句霹羲成由辘、轮( 轮辐和轮毂的台称) 和篱悫三吝5 分组成，黠 其分别进行力学计算。鳓时迸一步细分单元，使滚筒的力学模型更接 近于实际情况。用有限元方法对滚煎进圣亍静态线陛扮辑，撼述出滚簿 的应力分布曲线及变形曲线是本漾题的主黉工作之一。由于本课题所 设计的滚筒是采用双电机驱动，其滚篱两端受力对称，所以只对半个 滚筒，闱有限元软件a n s y s 6 0 谶行计算。 最厩，为了提离设计瓢绘图的效率，实现人= 5 | t 对话，本课题以 a u t o c a d 为支撵软件，利用其开放性，采用o b j e a a g x 进行二次开 发，利用它提供的以c 卜 为基础的面向对象的开发环境及应用程序接 口，运用面向对繇的程序设计语言v m m lc + + 成功的设计开发了带式 输送机大型滚筒，实现滚筒面向对象的封装，加强数据的安全断程 序的可维护性，并且能够很好的蜜现强力滚筒的总瀚的自动绘制。 本课题采用商限元软传a n s y s 对大型带式输送机的驱动滚筒进 行强度分析，提商了设计精度，清楚的描述了滚筒应力豹缅微变化， 大垄 赘式输送极驱魂滚舞豹有鞭元分辑藏c a d 太原理工大学硕士学位论文6 对设计合理的驱动滚筒有很大的帮助。对滚筒实现c a d 设计，与传统 的设计方法相比，明显地提高了设计效率，具有很高的实用性。 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太甄理工大学蠖士学位论文 第二章大穗带式输送机驱动滚筒的结构设计 2 1滚筒的结构与种类 滚筒是带式输送祝的羹耍部件。按程输送机中所超的作蠲，滚筒 丽分为驱貔滚篱藕疑动滚篱。驱动滚筒静作愆是将驱动装程鏊供静掇 矩传劐输送带。扶动滚筒包括爝于输送带在输送税端部的改向、增 鸯瞧动滚簿困镜螽酶导 麓滚篱、教紧滚筒移瘸子控紧装置静拭渤滚篱。 滚筒由滚筒轴、轴承座、轮觳、辐板、筒壳等部分组成，有的滚筒还 露轮毂秘滚篱辘的连接件、轮毂；禚辐援熬连接 牛。 带式输送税的驱动滚筒般商两种结构形式，种是焊接结构形 式，箕簿壳、轮毂瓣都是逡接奁熬鼢：禺释楚铸焊结梅形式，鼹 ( 2 1 ) 为其典鍪结构，轮教与轴霄赣套连接，轮辐和轮教为整体铸释， 它与篱壳焊接在一超。焊接络梅在小滚篱中褥到了广泛懿嶷爝，霞必 海接缩褐篱荜，螽滋劣镬，承受小载荷辩其寿命运稻强长， 鼙焊接缩 棱煞滚篱在大载蕊下使耀戆祝会辘翱对少了。因为实践表疆，蓬载下 静潭按结徽篱往往会漆予霹缝的疆裂搿失效。铸烊绉稳豹滚篱静清 凝裁不圈了，虽然宅也鸯爆缝载存在，霹在$ 燧、枣毂处不存程爆缝， 送就大大醚不了发生霹缝酸袋豹祝率，蠲来遥接轮与簿壳的辉缝使震 襄开了应办褰孛区，共羹焊缝坡强硬寸大，多呈“v ”形或“y ”形， 大大魂提赢了滚篱豹承载力，掰默铸洋结构鹣滚篱在重载下痘焉袋 梵普遮，楚大型繁戏爨送摄驱魂滚簿敷营选绒搀。 滚篱俸( 轮) 与辘瓣运接宥掰释方式，是锤爨黻，一楚静配合 逡接。羚酝合连接黻褰，璇传递豹拯矩大，大型滚楚嘘采取这秘连 羧方式。以往瓣静聚台连接是盎轮魏与辅豹_ l 霪显懿合来实现鳃，拆装 不方馒，露靠懊也不是缀裹。现在露秽极为方便、安装可靠的熬l 合连接，g 账套连接，遴避张套黪经淘轮嬲辘联菇髂。裁套连接结 大型带式输送辊嚣韵滚筒的有限嚣转折盈e a d 太原理工大学硕士学位论文 8 图2 - 1 铸焊结构的滚筒 1 轴2 辐板3 一筒壳4 - 胀套 图2 - 2 胀套的结构 1 辅助螺钉2 - 前压环3 步 环4 后压环5 _ 内环岳紧定螵钉 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太原理工大学碗士学位论文 构是国际上广泛应用于重型载荷下机械连接的一种先进部件。胀套的 结构如图( 2 2 渺两，其原理是：当旋转紧愈螺钉6 时，前压环2 和詹 压环4 甄相靠近，追使带开日的矫环3 张大，巍环5 鸳醐、，从而使辅 与轮毂形成过盈服配合，达到连接的目的。胀套的传递负荷是通过胀 套的内多阿产生的压力帮摩擦力采实现的。胀套连接方式对轴和轮孔 的精度要求不是很高，重复使用又不破坏轴和轮7 l t 可连接不可焊材 料，避免了滚筒在轴国憨攒动，掰醣大登带式输送祝驱动滚簿篱体与 轴的连接应优先选用胀套连接。 2 2 滚筒的结构设计计算 2 2 1 筒壳的厚度 篱蠢的厚度敬决于滚筒的壹强、篱俸长度、输送带张力、毒| j 动辩 的磨损等因素。必于筒壳厚度的计算十分困难，并且一般计算值偏小。 两盈考虑到耐蜜攒和易予涮造，篱壳的厚发觳都敬翁较霉。 参照有关资料，在加工前，筒壳的厚度如表2 1 所示。 在确定篱壳豹薄褒后，对篱壳的强度筵 行验算。赉予篱悫受法离 和切向载荷，并凤载荷的大小沿滚筒圆周方向是变化的，目前，关于 篱壳豹计算迸无准确熬诗算方法。有疆元毒于算可珏辩j l 鹩密较为准确 的结果，因此掰门选用大型有限元软件a n s y s 来i 拄行这步的计算。 详缅涛凝请参冤第三章。 2 2 2 滚篱躲藏径 滚筒的直径是滚筒的主要尺寸之一。影响滚筒商径的因索如下： 大型带式输送杭驱动滚筒的有戳元分析藏c a d 太琢理工夭学磺圭学位论文 ( 1 ) 瞻鸯g 驽麴应力 ( 2 ) 输送带许用强膳喇用率； ( 3 ) 输送紫承受弯熬载莓约频次岱i 输送带的嚣绕方式、缓越 激 的数目、运距和速度有必) ； ( 妨输送繁表露的鼹毙压； ( 5 ) 使用地点与条件( 地区、井下、露天、移动、固定) ； 渤覆盖胶或其上鲍茬谈敛的变形量。 对于钢绳芯胶带，设：郴内钢丝绳直径，n l l n ；o 滚筒直径 与钢丝绳直径之比，则： d c 戤 为适应锻缝芯胶带的发展，墨瓤f j 瞬建的滚筒的熹径魏1 7 0 0 r a m 、 1 8 0 0 m m 、1 9 0 0 r a m 、2 0 0 0 m m 。 2 2 3 滚筒的宽度 考虑到胶带在滚筒上可以容许跑偏，滚筒宽受大于胶带宽度。滚 筒的宽度决定予带宽。京们闻的关系，根据经验公式可以8 道，滚麓 的宽度( 卿与带宽) 的关系： b = - b l 1 5 0 - 2 0 0 ) m m 。 威用剪应力方法确定滚筒的毁小直径的公式： f = ! 尹豳 哥鞋知道：露! 娶楚婪 翘。f l a 1 其中： fr = 6 0 m p a ； 疗为筒壳内外壁之 d 为筒壳的直径； 瓯。为带强。 通过计算可以初步确定滚筒的宣径与带宽的关系，如表2 - 2 所示。 丈型带式输送执驱劫滚篱斡有蔽无分辑及c a d 太原理工大学硕士学位论文 表2 - 2 滚筒直径与带宽的关系 输送带强度q ( s r a m ) 带宽 4 5 0 05 0 0 05 5 0 06 0 0 0 b r m m ) 传动滚筒直径d f m m ) 1 2 0 01 7 0 01 7 0 01 7 0 01 8 0 0 1 4 0 01 7 0 01 7 0 01 8 0 01 9 0 0 1 6 0 01 7 0 01 7 0 01 9 0 02 0 0 0 1 8 0 01 7 0 01 8 0 02 0 0 0 2 0 0 01 9 0 01 9 0 0 2 2 0 01 9 0 02 0 0 0 2 2 4 辐板 在确定辐板轮廓时，必须考虑刚度、过渡到筒壳和轮毂部分结构 的工艺性以及铸造公差，因此对设计的辐板采用等截面辐板，其厚度 大于铸件的最小厚度，如图2 - 3 所示。 2 2 5 胀套 选择胀套时要考虑可传递扭矩以及承受的径向力等因素。在双滚 筒传动时，启动扭矩的安全程度应该不小于额定扭矩的2 倍，在带宽 特别窄的情况或单滚筒传动时，尤其需要大的安全系数，咱殳取为额 定扭矩的3 , - 4 倍。 滚筒所受扭矩和轴端输入的最大扭矩的计算公式如下： m 赫b x d 2 m v , - = m m n ，f 1 0 ( 偏安全考虑) 由此可以得出滚筒的扭矩和轴端扭矩，并目所设计的滚筒是双电 机驱动的，所选的胀套如表2 - 3 所示： 大型帝式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太原理工大学硕士学位论文1 2 表2 3直径与胀套的关系 图2 - 3 辐板的结构图 真径( m m ) 1 7 0 01 8 0 01 9 0 02 0 0 0 滚筒所受最大 6 8 8 58 1 09 5 01 1 0 0 扭矩( k n + m ) 胀套z 2 3 6 0 * 4 5 5z 2 3 8 0 m 7 5 z ，4 0 0 q 9 5 z 2 4 2 0 5 1 5 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太原理工大学硕士学位论文 2 2 6 轴 根据受载情况，轴可以分为：心轴( 只承受弯矩) 、转轴( 同时承 受弯矩和扭矩) 和传动轴( 主要承受扭矩，不承受或只承受较小的弯 矩) 。 根据结构形式，轴又可分为：光轴和阶梯轴，实心轴和奎d 舶， 直轴、曲轴和软轴，圆形截面轴和非圆截面轴。 轴的结构和形状取决于很多因素，它与轴上安装的零件类型、尺 寸及其配置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、3 v , j , 及分布情况， 轴承的类型与尺寸，轴的加工和装配工艺及对轴的变形要求等有关。 通常轴的设计程序为： ( 1 )据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布置和装配 方案； ( 2 ) 选择轴的材料； ( 3 )初步确定轴的直径； ( 4 ) 进行轴的结构设计，校核轴键联接强度及轴的弯扭强度； ( 5 )对于重要的轴，应进行强度的精度校核计算； ( 6 ) 必要时校核轴的刚度和临界转速： ( 7 )根据上述计算结果修改设计； ( 8 ) 绘制轴的工作图( 零件图) ，其结构图如图2 _ 4 所示。 两辐板之间的轴径是根据已选的胀套工作要求来确定，为了保证 胀套的正常工作，胀套装配部位的最大转角要控制在一定范围内。 般地，两辐板卿激间的轴径只是在x 0 2 时要求精确计算， 其他清况可不进行计算。胀套安装部位轴的转角在不同情况下按不同 的限制条件。高负荷滚筒( 刚性较大的辐板) 8 = 3 ：正常载荷滚筒 8 = 4 7 ；轻型载荷滚筒( 软辐板，滚筒直径大于1 5 0 0 m m ) a = 6 7 。 一般两辐板支点问的最大挠度控制在f m = i 2 0 0 0 - v 3 0 0 0 就可以满足 胀套的工作要求。 对于轴的刚度和强度校核，在第三章的有限元分析中得到验证。 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太原理工大学硕士学位论文 1 4 - 人型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 团 霎 姆 g 暴 可 n 匦 土川 爿电 太原瑾工大学蠖士学位论文 2 2 7 轮毂 ( 1 ) 轮毂的内径可根据胀套的外径确定 ( 2 ) 轮毂的宽度要满足辙套豹要求，应满惹 ， b ：丛一一 0 6 0 4 式中：套的工作长度，姗： 争懒的宽度，黼； ( 3 ) 轮毅的直襁陵缮胀套的工作襞求而定。 2 3 载荷处理 2 3 。l 摩擦传动原理 京带斌输送嘏中，驱魏滚餐逶避摩擦将藤躅力传递给输送带，这 种驱动方式为簿撩g 区动。确保作糟力的话递和输送带不在驱动滚筒上 抒潺鍪矮满足以下三令条 牛： 输送带宥怒够的张力： 接皴甏膏一定数糕糙度： 怒够大豹起角。 用予诗算挠热锩摩擦传魂黪极媳重簧黪公式楚敬控公式，磐鼹 2 - 5 搿示。 s y 曼s l 8 ” 袋中： 。野绕入分支张力攥) ； 舅嘞出分支张力( n ) ； p 是然踺数指数； 掣输送静每驱动滚祷鬻豹麟擦系数； d 电楚( r a d ) 。 太鏊带式输送梳驱动滚筒的有限戴分析获c a d 太原理工大学硕士学位论文 70 。、 二i _ 一 图2 5 由上式可知： 输送带张力比值只能小于而不能大于。，否则将出现打滑情 况； 较大的摩擦系数值和较大的包角可使张力比增大； 该公式使用于理想的不可f 申长线材，而实际上输送带是一个弹性 体，在张力作用下要产生弹性伸长，而且张力越大f 申长量就越大。因 此，当滚筒转动时，输送带在相遇点的张力s 比分离点的张力s 大， 并且s 随负荷的增大而增大，并目牟i j 羞带在张力的作用下要产生弹性 伸长，而且张力越大f 申长量就越大。输送带就会从小张力区向大张力 区方向产生弹性滑动。这种弹性滑动和相对滑动是有区别的。弹性滑 动是驱动滚筒产生牵引力的必然现象，而后者是指输送带在整个接触 区相对于滚筒表面产生位移，是输送机在生产中的事故现象，不允许 发生。 研究表明，当输送带稳定运行时，并非整个包弧都传递牵引力。 此时，包弧分为两部分：滑动弧a 。和静止弧a 。在静i t 弧段内不进行 力的传递。如图2 6 所示。 当输送带刚进 滑动弧时，滑移不太明显，以皮带变形为主。随 着转角的增加，这种滑移愈来愈大，直到皮带绕出滚筒为止。 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太原理工大学硕士学位论文 图2 - 6 滑动弧与静止弧 当输送带进入滑动孤后，其张力沿滚筒旋转方向开始变小，因而 输送带有回缩的现象。在驱动滚筒上不可避免地要产生弹性滑动。图 2 6 所示的黑自相间、等距离的格子线条清晰地表示出输送带在滚筒 表面的回缩现象。刚开始这种滑动表现为胶带变形。由于输送带内表 面与滚筒之间有摩擦力作用，使输送带内表面的回缩滞后于外表面， 从而使内外表面之间产生了挪动。随着转角的增加，带内张力继续减 小，这种变形也随之增大，当变形达到极限时，输送带内表面与滚筒 之间就要产生相x 揣 动。滑动到一定程度输送带内表面与滚筒之间又 趋于稳定，不再滑移。而外表面与内表面又产生相对滑移，过程重复， 这种现象叫“s t i c k - s 1 i p ”效应。 在静止弧内，皮带的张力恒定，驱动滚筒不产生牵引力，皮带运 行速度与滚筒圆周速度相同，皮带与滚筒之间无任何形式的滑动，不 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太原理工大学硕士学位论文 进行力豹传递。静止孤嘏爵表示举弓| 力豹稀储备，露来宽骚启动辩 所出现的动张力，或是用来防止肇擦系数下降时所出现的输送带打滑。 输送带莛挠性俸牵葶 构俘。踟于带式输送撬靠驱动滚筒与输送带 之间的摩擦力来传递牵弓l 力，因此弄清以上原理，对于确定输送带匈 滚篱之闯摩擦力的分布麓很重要豹。 滑动弧以弧度计为： a 。：( l n s r - l n s l ) 髓a 。= 蔓髓 卢 游渤孤内，带蠢蘩力按对数瓣漩线靛律交纯，g # 有： 翌：。一“ s 。 并在滑动弧内进行圆周力的传递。 般在鞴蓑梗稳定运转对宥静l 舔存在。在窟动过程中，往谨静 止弧消失，也就是说，疗产a ，s y 与出现最大麓值，s r = s ，。， 摩擦力达到裰瑟篷，翔全部盈毯强霹l 转变旁淫动弧送行力豹绩递。 这时，最大绕入点的张力为： s r m = s l g ” 越过这一极限情况，而继续增大负荷时，驱动滚筒与输送带之间 将封游。这耱清况是应该避免翡，毽踅，本漱设诗滚麓豹对候， 应用最大张力来进行摩擦力的计算。 2 ，3 2 输送带带肉张力酶诗算 由s 。= s 。p 4 “= g 。x b 砌可以求出s m 瓤、和滚筒所爱 静经籍，( 在投蕤情嚣下) ，鲡表2 掰示。在髭，= 0 。3 ，掰= 2 2 0 4 。 2 3 3 输送带对滚筒壁压力计算 2 3 。3 + 1 辍惫疆力分帮； 滚筒轴向聪力分布与输送带横向特性有关。由于输送带制造上的 缺陪苏及输送撬繇转竣瓣凌$ 睾鬻楚于竣邀带懿中帮，西j 避，严格遮滋 输送带对筒壁的压力具有不均匀性。不少人对于这个问题作过研究， 大型带筑输送机鹱袖滚蓠的肖隈元分析及c a d 太妪理工大学硕士学位论文一1 9 - 表2 4 s r m “s 直径钿1 1 )带强( n r a m ) 带宽0 ) ( 斟)( k n ) ( k n m ) 1 2 鞘o1 7 0 6 63 1 3 9 4 1 4 0 06 3 01 9 9 1 03 6 6 2 7 4 5 1 6 。o7 2 02 2 7 。5 44 l & 弱 1 8 0 08 1 02 5 5 9 84 7 0 9 1 1 7 1 2 6 0 01 8 9 _ 6 23 4 8 2 5 0 0 0 1 4 0 07 ( d2 2 1 2 24 0 6 j 6 0 08 。o2 5 2 8 24 6 5 i1 0 5 5 0 01 2 0 0 6 6 02 0 8 8 03 8 3 7 1 5 。o o1 8 0 。o2 8 4 4 35 5 4 0 2 1 8 0 05 5 0 01 4 0 0 7 7 02 4 3 ，3 44 7 3 9 9 6 0 。i 2 。豫02 2 t5 44 4 3 2 1 2 0 0 09 0 02 8 4 4 35 8 4 7 9 4 5 0 0 2 2 0 09 9 03 1 2 8 7鹋3 2 7 1 9 0 05 0 ( ) 02 0 0 01 0 0 03 1 6 ，0 36 4 垒7 7 5 5 0 01 6 0 。8 8 02 7 8 1 i5 7 1 8 0 6 0 ( ) 01 4 0 08 4 02 6 5 4 75 4 5 8 l 5 0 2 2 0 0l l o 。3 4 7 6 37 1 4 。7 5 2 0 0 05 5 0 01 8 0 09 9 03 1 2 8 76 7 7 + 1 3 1 6 0 09 6 03 0 3 3 96 5 6 6 1 夫墼带式输送辊驱葫滚篱抟胄凝元分析获c a d 太耀理工大学硕士学位论文* 2 0 - 僵结繁并不缀令入满意。 瑙德有 、掇出一种假设，即不考虑输送带成槽的影响，按l a r l g e 方法设辘商压力为歪弦半波。溅定结果搿疆，这种 黻会搜筒壳毫液 力高1 0 - 1 5 。 鏊苘鬻用豹方法是l 黻压力浍籀商均匀分布，零课题穗采愆这一 方法。因为其它方法无法证明是最佳方法，并且反而会使载荷处理变 得+ 分溺难。 2 3 3 2 圆周方向压力分布： 黧阕2 - 7 掰示，若忽略磁蠢强力鹫豢d s , 有 委：s s i n ( 为 s i n 肖m 警 。三。s 丝：s 。d t j 一 爹誉b ； 。、l ，7 。、j 乒7 l j 莎蔷 j 强争7 压力诗算拳爨强 大型带式辘送辊驱动滚篱鲍有壤元分析及c a d 太原理工大学硕士学位论文2 l - 即丁= t s x d l 又p ：三 b 讲 p ： 占r 即 易= 击喝= 击嘎e 矽 式中：s 带内张力( n ) ； b 带宽( c m ) ； 厅滚筒半径( e r a ) ； p 滚筒壁所受压力( n c m 2 ) 。 由计算得出滚筒壁单位表面所受的正压力如表2 - 5 所示。 2 3 3 3 摩擦力的计算 由以上就可以得出滚筒单位表面所受的滑动摩擦力为： 铲附弘= 彘s l 由计算得出滚筒壁单位表面所受的滑动摩擦力如表2 - 5 所示。 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太原理工大学硕士学位论文2 2 - 表2 - 5 滚筒壁单位表面所受的正压力和滑动摩擦力 直径带宽p _ 。k厶n 带强( n m )( k n m 2 ) ( r a m )( 册)( k n m 2 )( k n m 5( m 2 ) 1 2 0 0 1 4 0 0 4 5 0 02 6 4 7 0 5 98 3 6 5 5 17 9 4 儿82 5 0 9 6 5 1 6 0 0 1 8 0 0 1 7 0 0 1 2 0 0 5 0 0 01 4 0 02 9 4 】1 7 79 2 鼽5 0 1嬲2 3 5 32 7 8 8 5 0 1 6 0 0 5 5 0 01 2 0 03 2 3 5 2 9 41 0 2 2 4 5 19 7 0 5 8 83 0 6 7 3 5 5 0 0 01 8 0 02 7 7 7 7 7 88 7 7 8 6 28 3 3 3 3 32 6 3 3 5 9 1 8 0 05 5 0 01 4 0 03 0 5 5 5 5 69 6 5 6 4 89 1 6 6 6 72 8 9 e 9 4 6 0 0 01 2 0 03 3 3 3 3 3 31 0 5 3 4 3 41 0 0 03 1 6 0 3 0 2 0 0 0 4 5 0 02 3 6 8 4 2 17 4 8 4 9 37 1 0 5 2 62 2 4 5 4 8 2 2 0 0 1 9 0 05 0 0 02 0 0 02 6 3 1 5 7 98 3 1 6 5 97 8 9 4 7 42 4 9 4 9 8 5 5 0 01 6 0 02 8 9 4 7 3 79 1 4 8 2 48 鹋4 2 l2 7 4 4 4 7 6 0 0 01 4 0 03 1 5 7 8 9 59 9 7 9 9 09 4 7 3 6 92 9 9 3 9 7 5 0 0 02 2 0 02 5 0 07 9 0 0 鹇 7 5 02 3 7 0 2 0 2 0 0 0 5 5 0 0 1 8 0 02 7 5 08 6 9 0 8 38 2 52 6 0 7 2 5 6 0 0 01 6 0 03 0 0 09 4 8 0 9 l 9 0 02 8 4 4 2 7 大型带式输送机驱动滚筒的有限元分析及c a d 太原理工大学硕士学位论烹 第三章大型驱动滚筒的有限元分析 有限元方法首先是从航空结构的杆系计算e 发展起来的、并引入 矩阵方法作为数学工其。随着电子计算枫的发展，这一方法进而推广 到连续介质中去。其基本思想是把一个结构离散成有限个元素的组仑 体，彼诧只在节患联系起来，辩轩系，这是穰自然的，每一裰秆就 是一个自然元素，而对遣续体，则是人为地划分成有限个元素，如建 筑物褪为砖石之集合一样，且班为元素间仅在节点簸相连。举j 用数举 和力学方法导出每个元索节点处的力和变形的关系，然后利用节点处 的平衡条 牛或畿麓原理将元素组含起来，便导出个反映熬个结梅豹 大型线方程组，解此线方程组就能得到问题的解答。 3 1a n s y s 的简介 有限元法是2 0 世纪5 0 年代在连续体力学领域飞机结构的静 力帮动力 寺往分褥中痤鬻的一静鸯效鹃数缀分耩方法。两时，有限元 法的程序作为有限元研究的一个羹要组成部分，是随着电子计算机的 发襞嚣邈速发震起来懿一耪现健诗舞方法。在饕毯纪7 0 年代裙麓， 大型通用的有限元程序出现了，这然通用的大型有限元程序功能强大， 诗算可靠，工 筝效奉高，溺恧逐多盛秀结擒分辑孛豹强有力翡工具。 它作为采用计算机的数值分析方法，在各个铜啦e 得到了广泛的应用。 迓2 0 多年来，各豳疆继开发了谗多逶焉煞大鍪l 有限元程穿，鲡矗璐瓣、 a n s y s 、a b a c u s 、m a r e 和n a s t r a n 等，应用领域从结构领域扩展至4 备 摹孛耱瑾场兹分攒，旗线毯分锵。袋要# 谶毪分毒蓐，觚擎一场的分辑扩 展到若干个场的分析。襁目前应用广泛的通用有限元程序中，美国 矗醛￥s 公司蓐暴l 评发夔大囊逶蔫寄凝元程孝? u s y s 怒一个适瓣子皴戳 平台的大型有限鼢析系统，功能强大，邋用领域广泛。 丈型带式输送枫驱动滚筒的有黻元分析及c a d 太繇理工大学硪士学位论宠 a 淤￥s 软 譬建盔2 0 毽纪7 0 年代壶誉n s y s 公瑟瑟发夔工程分摄软 件，具有强大的前处理、求解和聪处理功能。开发初期是为了应用于 窀力王犍，纹$ 毽供了热分撬窝线瞧缝橡分援功能，褥显只怒一令擞 理程序，只能在大型机k 运行。现在a n s y s 程序中加入了许多新的技 术激及羯户震求魏表嚣，惫耀有嚣线瞧、予结构以及燹多豹攀元类鹜， 使程序具有更强的通用性，已纩泛应用于航空、航天、汽率、船舶、 笔爨、交逶、奄予、敷燃豁叁、逸蒺矿产、本利东逛、本工程等舞 种领域，能够满足各行业有限元分析( f e a ) 的需要。随着计算朝和矢 量终端豹发展，舆n s y s 逐步戎为诗算援，壤驹工程中广泛应遐豹有隈元 程序。a n s y s 作为广泛应用的优秀的有限元软件，把有限元数值分析 技本程c a d 、c a e 、c & m 笛图象处壤枣掇撼缝合在超。矗! n s y s 除了发 展多种与c a d 崴按转换的接口以外，同时使自己的输出文件格式通用 佬季爨拣# 魄。在2 0 世纪7 0 年 弋麓期，& n s y s 奏a 入t 交互式搽终方式， 这成为a n s y s 的一个显著特点，它大大地简化了模魁的生成和对计算 结果的浮侩( 翦处理和惑受理) 。建n s y s 叁黪绽狴瀑言a p d l 可供爝 户以a n