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槽形托辊带式
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南昌航空大学科技学院学士学位论文1槽形托辊带式输送机设计学生姓名：郭亮 班级：0781052指导老师：封立耀摘要：本文所设计的是槽形托辊带式输送机，其设计要求为：输送物料为原煤，输送量：500吨/小时，输送长度：30 米,提升高度2.5米；堆积密度：900公斤/米 3；物料在带面上的动堆积角为30 0，输送带速： 2米/秒，上托辊槽形布置。设计中，其整体是一个倾斜的状态，上托辊都采用槽形布置；下（回程）托辊采用平行托辊。本输送机为向上运输物料，其倾斜角为3.8 060%-100% 30%-60% 30%滚筒组别 滚筒组别 滚筒组别传动滚筒直径DA B C A B C A B C500 500 400 315 400 315 250 315 315 25063080010001250160063080010001250160050063080010001250400500630800100050063080010001250400500630800100031540050063080040050063080010004005006308001000315400500630800注：A-传动滚筒；B-改向滚筒（180 度）；C-改向滚筒（F 亦满足不打滑条件 :S2=S1+2Fr=4410+2x750=5910N （3.4-4）S3=1.02S2=6028.2N （3.4-5）经两者进行比较，输送带的最小张力为 6028.2N3.5 传动滚筒轴功率传动滚筒轴功率 PA=FU /1000 (3.5-1)对于 L80m 的带式输送机，实在无条件直接计算出 FU 时，可根据式（2.5-2）进行简易计算。PA=（k 1Ln +k2LnQ+0.00273QH）k 3k4+P (3.5-2)式中 k1Ln -输送带及托辊转动部分运转功率，kW;k2LnQ-物料水平运输功率，kW;0.00273QH-物料垂直提升功率 ，kW ；Ln-输送机水平投影长度，m；H-输送机受料点与卸料点间的高差，m；K1-空载运行功率系数，可根据 w按表 3-15 取 0.0229；K2-物料水平运行功率系数，可根据 w按表 3-16 取 8.17*10-5；南昌航空大学科技学院学士学位论文41K3-附加功率系数，根据输送机水平投影长度 Ln 和输送机倾角，按表 3-17 选取为 1.4；K4-卸料车功率系数，无卸料车时，k4=1；P-犁式卸料器及导料槽长度超过 3m 部分的附加功率，kW,查表 3-18 得 2.1kW.PA=(0.0229x24.9x1.2+8.17x10-5x24.9x450+0.00273x450x2)x1.4x1+2.2=7.88kW可根据算出来的 PA， 计算出 FU，得FU=PA*1000/ =7.88x1000/1.2=6566.7N。传动滚筒的最大扭矩（M max）按式（2.5-3）计算：Mmax=FUD/2000 (2.5.-3)式中 D-传动滚筒直径为 630mm。Mmax=6566.7x630/2000=2.069Nm根据带宽 B=1000mm、最大扭矩 Mmax=2.068Nm 和合力 FN=6566.7N，可查表 6-1 最终选择传动滚筒型号为 10063.1。3.6 电动机功率和驱动装置组合电动机功率 PM，按式（2.6-1）计算：电动工况：PM=PA/(.) (2.6-1)发电工况（下运）：PM=PA/(.) (2.6-2)= 1 2 (2.6-3)式中 -传动效率，一般在 0.850.95 之间选取； 1-联轴器效率；每个机械式联轴器: 1=0.98; 2-减速器传动效率，按每级齿轮传动效率为 0.98 计算；-电压降系数，一般取 0.900.95；-多机驱动功率不平衡系数，一般取 0.900.95，单电机驱动时 =1.PM=7.88/(0.88x0.95x1)=9.426Kw南昌航空大学科技学院学士学位论文42P=k* PM=1.3x9.426=12.25Kw式中：k- 功率备用系数 k=1.33.7 输送带选择计算3.7.1 织物芯输送带层数棉、尼龙、聚酯等织物芯输送带层数（Z）按下式计算Z=Fmaxn/B (2.7-1)式中：n- 稳定工作情况下输送带静安全系数,n=1012;- 输送带纵向扯断强度 =100，见带式运输机设计手册表 4-2；稳定工况下输送带最大张力 Fmax=Fu+S1=6566.7 +4410=10976.7NZ=10976.7x10/1000/100=1.09，取 Z=3.查表 3-20，Z=35, 符合要求。3.7.2 输送带厚度棉、尼龙和聚酯等织物芯带厚度 dB 由式（2.7-2）计算 dB=ZdB1+dB2+dB3 (2.7-2)式中 dB1-织物芯带每层厚度，mm,由表 4-2 查得 1.25；dB2、d B3-织物芯带上下覆盖层厚度，mm；由表 4-2 查得dB2=4.5mm，d B3=1.5mm。dB=3.75+4.5+1.5=9.75mm。型号为 NN-300，Z=3 层，上胶层厚=4.5mm，下胶层厚=1.5mm 每层厚度为1.25mm，带强 300N/m。可查询表 4-2。3.8 输送带总长度、总平方米数和总质量3.8.1 输送带几何长度输送带几何长度 =51.98m式中 d-改向滚筒 d630mm ，（见带式运输机设计手册 表 2-5）；D-驱动滚筒 D=630mm，（见带式运输机设计手册表 2-6）；-输送段距离 =25m。3.8.2 输送带订货总长度南昌航空大学科技学院学士学位论文43织物芯带 LD=LZ+LAN (2.8-1)式中 LA-接头长度，LA=（Z-1 ）b+B ctg60）/1000 （2.8-2）式中：b-阶梯宽度 b=450 mm，查表 3-22.LA=（3-1）x450+1000x1.732）/1000=2.632mmLD=51.98+2.632x2=57.244mm.3.8.3 输送带订货平方米数织物芯输送带订货平方米数 MD 按式（2.8-3）计算：MD=BZ+(dB1+dB2)/1.5LD (2.8-3)MD=1000x3+(4.5+1.5)/1.5x57.244=0.4m23.8.4 输送带总质量输送带总质量 QB按式（2.8-4）计算：QB=LDqB (2.8-4)QB=57.244x12=0.687kg3.9 托辊的选用计算带式输送机承载分支，回程分支托辊的选用取决于带宽、带速、托辊间距及辊子的静载荷、动载荷等各种参数，计算后按辊子承载能力进行校核。辊径与带宽、带速有关，辊径与带速的关系见运输机械设计选用手册表 2-26。托辊寿命取决于轴承的失效寿命。因此，托辊的承载能力与轴承寿命有关，选用时应按带速、输送机的生产能力确定载荷，然后按辊子的承载能力表（见运输机械设计选用手册表 2-74)，选择轴承。辊子载荷计算如一下。1.静载计算承载分支托辊：式中 - 承载分支托辊静载荷，N；南昌航空大学科技学院学士学位论文44- 承载分支托辊间距，m ；e- 辊子载荷系数，见带式输送机设计手册表 4-13，e=0.8；- 带速，m/s；- 每米长输送带质量，kg/m；- 输送能力，kg/s。回程分支托辊： 可得 Po=0.8*2 （138.89/2+12）*9.8=1092.896NPu=0.8*3*12*9.8=282.24N 2.运载计算承载分支托辊：回程分支托辊：式中 - 承载分支托辊动载荷，N；- 回程分支托辊动载荷，N；- 运行系数，见带式输送机设计手册表 4-14， =1.0；- 冲击系数，见带式输送机设计手册表 4-15， =1.04；- 工况系数，见带式输送机设计手册表 4-16， =1.10。可得 =1092.896*1.0*1.04*1.1N=1250.27N=282.24*1.0*1.10N=310.464N计算后取静载荷、动载荷两者之中较大值来选择辊子，使其承载能力大于或等于计算值，这样就可保证辊子轴承寿命高于 30000h，转角小于 10。南昌航空大学科技学院学士学位论文45查表 4-17 可知，可选用托辊直径 108mm，长度 380mm 的辊子。对应的轴承是 6205/C4.3.10 输送带的强度校核输送带的抗拉强度取决于带宽和芯层层数。由下面的公式可计算出输送带可承受的最大张力：F = （5.5.1）F 输送带工作时所承受的最大张力 (N)； B 输送带带宽 100cm(1000mm)；m 安全系数 12； 输送带芯层经向扯断力，即极限强度 3000（N/cm.层）所以F = 100x3x3000/12=75000N=12500N由此可知，F = 10976N F = 75000N （5.5.2）满足设计的强度要求。3.11 传动滚筒轴的强度计算和校核对传动滚筒轴进行受力分析，如下图：南昌航空大学科技学院学士学位论文46图 2-2 传动滚筒轴进行受力分析3.11.1 传动滚筒的载荷集度由材料了力学的知识可知道：载荷集度 q = F / L （5.6.1）= 10976 / 0.6 = 21952N/m 式中：L-均布载荷分布的长度 600mm。L 与滚筒的长度 630mm 相比，不是一个很小的范围，所以不能简化成一个集中力来计算。否则，计算的结果将出现较大的误差。3.11.2 传动滚筒扭矩 M （Nm） M = =9480 (5.6.2)=118741/2（0.479 2-0.072）=1333.1 N.m滚筒规格：10063.1，许用扭矩为 6kNm，满足要求，见带式运输机设计手册表 6-1；3.11.3 抗弯截面系数 W截面是直径 d 的抗弯截面系数W= (5.6.3)=3.140.633 /32= 0.0245 m3式中：d-滚筒直径 0.63m；3.11.4 滚筒轴的弯曲强度对轴的强度校核，主要要求出最大的弯矩正应力，弯曲的强度条件为：南昌航空大学科技学院学士学位论文47（5.6.4）所以=20690.0245 =84.48 所以满足弯曲的强度条件。3.12 传动滚筒轴承的寿命计算为了对轴承的定期维修，所以对轴承的寿命计算是很必要的。轴承的寿命与所受载荷的大小有关，工作载荷越大，引起的接触应力也就越大，因而在发生点蚀破坏前所能经受的应力变化次数也就越少，亦即寿命也就越短。所谓轴承的基本额定动载荷，就是使轴承的基本额定寿命恰好为 转时，轴承所能承受的载荷值。下图 2-3 是载荷 P 与基本额定寿命 之间的关系。图 2-3 载荷 P 与基本额定寿命 之间的关系南昌航空大学科技学院学士学位论文48图 2-4 轴承受力分析由于设计所用的轴承不受到轴向力的作用，如图 2-4，所以Fr1= Fr2 =Fre/2 （5.7.1）=1/25937=2968.5N载荷系数 f 的选用，查机械设计课本表 13-6 可选 f 为 1.5。所以，轴承的当量动载荷P= f Fr1=1.52968.5=4452.75N （5.7.2）传动滚筒的转速 n = = =1.27 r/s （5.7.3 ）综合上述的计算，可以计算出轴承的寿命（5.7.4）=3.51107 h式中：C 取 61800有了轴承的寿命，维修人员就可以参照来安排对输送机的维修。并且要注意轴承的润滑。输送机代号 ：10063.1 电机型号: Y132M-4 电机功率:15kw驱动装置组合号：41减速机：DCY160-16南昌航空大学科技学院学士学位论文493 用 solidworks 对连接轴进行有限元分析有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元，有限元分析是将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵；在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变形、应力和温度场等力学特性的计算，最后对计算结果进行分析，显示变形后物体的形状及应力分布图。Solidworks 该软件采用了有限元素方法 (FEM)。FEM 是一种用于分析工程设计的数字方法。FEM 由于其通用性和适合使用计算机来实现，因此已被公认为标准的分析方法。FEM 将模型划分为许多称作单元的简单小块形状，从而有效地用许多需要同时解决的小问题来替代一个复杂问题。零件的 CAD 模型 划分为小块(单元)的模型单元共享被称为节的共同点，将模型划分为小块的过程称为网格化。对于所有可能的支持情形和载荷情形，每个单元的行为都是非常清楚的，有限元素方法使用具有不同形状的单元。单元中任意一点的响应都是从单元节处的响应插入的，每个节均由许多参数完整描述，具体取决于所用的分析类型和单元。例如，节的温度完整描述了节在热分析中的响应。对于结构分析，节的响应通常由三个平移和三个旋转操作完整描述，这些就称作自由度 (DOF)，使用 FEM 进行分析就称作有限元素分析 (FEA)。南昌航空大学科技学院学士学位论文50四面单元。红点代表节。单元的边线可以是曲线，也可以是直线该软件会生成控制每个单元的行为的方程式，其中考虑了每个单元与其它单元之间的联系，这些方程式将响应与已知的材料属性、约束和载荷相关联，接下来，该程序将这些方程式组织成一大组需同时求解的代数方程式，然后求解未知量。例如，在应力分析中，解算器找到每个节上的位移，然后该程序计算应变，并最终计算出应力。COSMOSWorks 是一个与 SolidWorks 完全集成的设计分析系统，它提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。COSMOSWorks 凭借着快速解算器的强有力支持，使得您能够使用个人计算机快速解决大型问题。COSMOSWorks 提供了多种捆绑包，可满足您的分析需要，它节省了搜索最佳设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上市时间。进行分析所需的步骤取决于算例类型。可以执行以下步骤来完成算例：1、生成算例并定义其分析类型和选项。网格定义了可供使用的单元类型。2、如果需要，请为算例定义参数。参数可以是模型尺寸、材料属性、力值或任何其它输入。3、定义材料属性。如果在 CAD 系统中定义了材料属性，则不需要执行这一步,疲劳算例和优化算例使用参考的算例来获得材料定义。4、指定约束和载荷。您可以使用参数而非数值。疲劳算例和优化算例使用参考的算例来获得约束和载荷。掉落测试算例不允许定义在设定过程之外指定的约束和载荷。 5、对于使用曲面的外壳网格，请使用外壳。6、对于横梁网格（结构构件）算例，请定义横梁。7、对于混合的网格算例，请定义外壳和实体。8、定义全局、零部件和局部接触设定。您也可以使用查找相触面组功能查找接触面。9、网格化模型，以便将模型划分为许多称作单元的小块。疲劳算例和优化算例使用参考算例中的网格。10、如果需要，可以定义多达 100 个设计情形。11、运行算例或设计情形。12、查看结果。南昌航空大学科技学院学士学位论文51下面以头轴为例来描述在螺旋输送机的设计过程中的有限元分析（静态）过程：1、定义算例类型为静态2、定义材料属性为普通碳钢3、定义约束类型为固定，部位如轴承对它的约束4、划分网格5、定义输入扭矩和反作用扭矩为 1333.1Nm6、单击运行按钮让其进行分析分析结果如下：图 3-1 有限元静态分析结果应力分布图 1南昌航空大学科技学院学士学位论文52图 3-2 有限元静态分析结果应力分布图 2图 3-3 有限元静态分析结果位移分布图 1南昌航空大学科技学院学士学位论文53图 3-4 有限元静态分析结果位移分布图 2从上图可以看出，在轴上各点处的应力基本一样，而在靠近轴肩处应力变得较大，这是应力集中的结果。通过应力图 3-1 可知，从轴的有键槽端到有螺栓孔端的应力基本是呈直线增大趋势，有键槽端最小，轴肩处最大。通过应变图 3-3 可知，从左轴端位移最大，其次是两轴承之间。5 带式输送机皮带跑偏问题带式输送机是输送系统的主要设备，它的安全稳定运行直接影响到原料供应。而胶带的跑偏是带式输送机的最常见故障，对其及时准确的处理是其安全稳定运行的保障。跑偏的现象和原因很多，要根据不同的跑偏现象和原因采取不同的调整方法，才能有效地解决问题。本文是根据多年现场实践，从使用者角度出发，利用力学原理分析与说明此类故障的原因及处理方法。 (1)承载托辊组安装位置与输送机中心线的垂直度误差较大,导致胶带在承载段向一则跑偏。如下图 4.1 所示，胶带向前运行时给托辊一个向前的牵引力 Fq，这个牵引力分解为使托辊转动的分力 Fz 和一个横向分力 Fc，这个横向分力使托辊轴向窜动，由于托辊支架的固定托辊是无法轴向窜动的，它必然就会对胶带产生一个反作用力 Fy，它使胶带向另一侧移动，从而导致了跑偏。南昌航空大学科技学院学士学位论文54图 5-1 承载托辊组安装时受力分析搞清楚了承载托辊组安装偏斜时的受力情况，就不难理解胶带跑偏的原因了，调整的方法也就明了了，第一种方法就是在制造时托辊组的两侧安装孔都加工成长孔，以便进行调整。具体调整方法见图 5-2，具体方法是皮带偏向哪一侧，托辊组的哪一侧朝皮带前进方向前移，或另外一侧后移。如图 5-2 所示皮带向上方向跑偏则托辊组的下位处应当向左移动，托辊组的上位处向右移动。图 5-2 承载托辊组的调整方法第二种方法是安装调心托辊组，调心托辊组有多种类型如中间转轴式、四连杆式、立辊式等，其原理是采用阻挡或托辊在水平面内 方向转动阻挡或产生横向推力使皮带自动向心达到调整皮带跑偏的目的，其受力情况和承载托辊组偏斜受力情况相同。一般在带式输送机总长度较短时或带式输送机双向运行时采用此方法比较合理，原因是较短带式输送机更容易跑偏并且不容易调整。而长带式输送机最好不采用此方法，因为调心托辊组的使用会对胶带的使用寿命产生一定的影响。 (2)头部驱动滚筒或尾部改向滚筒的轴线与输送机中心线不垂直，造成胶带在头部滚筒或尾部改向滚筒处跑偏。如下图 5-3 所示，滚筒偏斜时，胶带在滚筒两侧的松紧度不一致，沿宽度方向上所受的牵引力 Fq 也就不一致，成递增或递减趋势，这样就会使胶带附加一个向递减方向的移动力 Fy，南昌航空大学科技学院学士学位论文55导致胶带向松侧跑偏，即所谓的“跑松不跑紧” 。图 5-3 滚筒处跑偏的受力与调整方法其调整方法为：对于头部滚筒如胶带向滚筒的右侧跑偏，则右侧的轴承座应当向前移动，胶带向滚筒的左侧跑偏，则左侧的轴承座应当向前移动，相对应的也可将左侧轴承座后移或右侧轴承座后移。尾部滚筒的调整方法与头部滚筒刚好相反。经过反复调整直到胶带调到较理想的位置。在调整驱动或改向滚筒前最好准确安装其位置。(3)滚筒外表面加工误差、粘料或磨损不均造成直径大小不一，胶带会向直径较大的一侧跑偏。即所谓的“跑大不跑小” 。其受力情况如图 5-4 所示：胶带的牵引力 Fq 产生一个向直径大侧的移动分力 Fy，在分力 Fy 的作用下，胶带产生偏移。图 5-4 滚筒直径大小不一的受力情况对于这种情况，解决的方法就是清理干净滚筒表面粘料，加工误差和磨损不均的就要更换下来重新加工包胶处理。(4)转载点处落料位置不正对造成胶带跑偏，转载点处物料的落料位置对胶带的跑偏有非常大的影响，尤其在上条输送机与本条输送机在水平面的投影成垂直时影响更大。通常应当考虑转载点处南昌航空大学科技学院学士学位论文56上下两条皮带机的相对高度。相对高度越低，物料的水平速度分量越大，对下层皮带的侧向冲击力 Fc 也越大，同时物料也很难居中。使在胶带横断面上的物料偏斜，冲击力 Fc 的水平分力 Fy 最终导致皮带跑偏。如果物料偏到右侧，则皮带向左侧跑偏，反之亦然。图 5-5 落料点不正时受力情况对于这种情况下的跑偏，在设计过程中应尽可能地加大两条输送机的相对高度。在受空间限制的带式输送机的上下漏斗、导料槽等件的形式与尺寸更应认真考虑。一般导料槽的的宽度应为皮带宽度的五分之三左右比较合适。为减少或避免皮带跑偏可增加挡料板阻挡物料，改变物料的下落方向和位置。 (5)胶带本身的的问题，如胶带使用时间长，产生老化变形、边缘磨损，或者胶带损坏后重新制作的接头中心不正，这些都会使胶带两侧边所受拉力不一致而导致跑偏。这种情况胶带全长上会向一侧跑偏，最大跑偏在不正的接头处，处理的方法只有对中心不正的胶接头重新制作，胶带老化变形的给予更换处理。(6)输送机的张紧装置使胶带的张紧力不够，胶带无载时或少量载荷时不跑偏，当载荷稍大时就会出现跑偏现象。张紧装置是保证胶带始终保持足够的张紧力的有效装置，张紧力不够，胶带的稳定性就很差，受外力干扰的影响就越大，严重时还会产生打滑现象。对于使用重锤张紧装置的带式运输机可添加配重来解决，但不应添加过多，以免使皮带承受不必要的过大张力而降低皮带的使用寿命。 对于使用螺旋张紧或液压张紧的带式运输机可调整张紧行程来增大张紧力。但是，有时张紧行程已不够，皮带出现了永久性变形，这时可将皮带截去一段重新进行胶接。 (7)对于设计有凹段的带式输送机，如凹段的曲率半径过小，在启动时如果皮带上没有物料，在凹段区间处皮带就会弹起，遇到大风天气时还会将皮带吹偏，因此，最好在皮带运输机的凹段处增设压带轮来避免皮带的弹起或被风吹偏。斗轮堆取料机的下层穿过式胶带在尾车堆料状态时就会产生一个很大的凹段，此处最容易发生跑偏。如下层输送机有机架下沉，更会加剧南昌航空大学科技学院学士学位论文57胶带的腾空范围，极易跑偏。因此，在设计阶段应尽可能地采用较大的凹段曲率半径来避免此类情况的发生。(8)双向运行皮带运输机跑偏的调整，双向运行的皮带运输机皮带跑偏的调整比单向皮带运输机跑偏的调整相对要困难许多，在具体调整时应先调整某一个方向，然后调整另外一个方向。调整时要仔细观察皮带运动方向与跑偏趋势的关系，逐个进行调整。重点应放在驱动滚筒和改向滚筒的调整上，其次是托辊的调整与物料的落料点的调整。 同时应注意皮带在硫化接头时应使皮带断面长度方向上的受力均匀,两侧的受力尽可能地相等。小结此次的毕业设计，是我们在大学里最后的一次综合机械设计。这次毕业设计对是本人在大学所学专业知识一次很好的检验，因为设计要求对知识的融会贯通并且能
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