沈阳农业大学学报，２０１０－０４，４１（２）：２３８－２４０ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ２０１０—０４４ｌ（２）：２３８—２４０●＿＿●＿＿＿＿＿。＿＿＿＿＿＿－●＿＿————————————————＿＿。—。－。———一●●。。。。。‘１。＿＿＿＿＿＿－。＿＿。－。－＿－●。－●‘‘－。。。。。‘●。。。。。●＿＿。＿＿－●＿－●＿－。。。。。。＿－－＿＿●－。。＿＿＿●。。－＿●＿＿＿＿＿＿＿－●●＿＿＿●－。。。。－－。●＿＿－－。。。＿＿－＿●＿＿＿●＿－一１２带式输送机传动滚筒的参数化计算研究张伟１，李成华２（１．沈阳农业大学工程学院，沈阳１１０８６６；２．沈阳理工大学机械工程学院，沈阳１１０１６８）摘要：传动滚筒作为带式输送机的核心部件，其模型简化与计算长期困扰着技术人员。采用ＡＰＤＬ语言对有限元软件进行二次开发，实现对承受大扭矩、大张力的重型滚筒进行分析。开发出设计滚筒的专用程序。实现对滚筒结构尺寸的合理性进行分析，协调各部件间的尺寸关系，设计出最合理的滚筒产品，结果表明本程序分析结果准确。关键词：带式输送机；滚筒；有限元中图分类号：ＴＤ５７文献标识码：Ａ文章编号：１０００—１７００（２０１０）０２－０２３８－－０３ＰａｒａｍｅｔｅｒＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＤｒｉｖｅＰｕｌｌｅｙｏｆＢｅｌｔＣｏｎｖｅｙｏｒＺＨＡＮＧＷｅｉｌ，ＬＩＣｈｅｎｇ－ｈｕａ２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＡｓｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８６６，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１６８。Ｃｈｉｎ且）ｋｅｙｉｓｓｕｅｆｏｒｔｈｅｆｉｎｉｔｅＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｆｉｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔａｎｄｏｆｂｅｌｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｖｅｙｏｒ，ｄｒｉｖｅｐｕｌｌｅｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｓｍｏｍｅｎｔｗａｓａｄｅｓｉｇｎ．ＴｈｅｈｅａｖｙｐｕｌｌｅｙｗｈｉｃｈｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｍｏｒｅｕｓｉｎｇＡＰＤＬｉｎｔｈｅｂｅａｒｓｌａ唱ｅｔｅｎｓｉｏｎａｌｈｇｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌａｎｇｕａｇｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｐｒａｃｔｉｃｅ．ｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅｐｕｌｌｅｙ＇ｓｄｉｍｅｎｓｉｏｎｃｏｕｌｄｂｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．ＰｕｌｌｅｙｗｏｕｌｄｂｅｓｕｉｔａｂｌｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｅｌｔｃｏｎｖｅｙｏｒ；ｐｕｌｌｅｙ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ传动滚筒作为带式输送机的核心工作部件，其能否安全稳定的运行是整个带式输送机的关键。在滚筒研究上。ＶＯＤＳＴＲＣＩＵｌｌ第一次提出把复杂的构件分成无限小的，数学上易于表述的单元构件的想法。ＬＩＮＤＥＲｔ２１利用有限元法，计算了胀套联接滚筒的安装预应力，以及预应力与工作载荷共同作用时的驱动滚筒的应力分布规律。在国内，谢家保、李峰、李佳、杨相柏等［３－０３采用有限元方法从不同角度对滚筒进行了研究。本研究旨在寻求滚筒的有效计算方法，使滚筒的设计更加简洁方便，并且开发出滚筒设计的专用设计程序．能够分析滚筒的应力、应变、变形等，实现对滚筒的轴、轮毂、腹板、筒皮结构尺寸的优化，协调各部件间的尺寸关系，设计出合理的滚筒产品。１传动滚筒的力学模型传动滚筒的力学模型为简支梁结构，轴的一端为铰支座（调心辊子轴承固定端），轴的另一端为滑动铰支座（调心辊子轴承滑动端），轴两端受键沿周向约束（图１）。假设输送带是一种理想的挠性体，可以任意挠曲，不受弯曲应力；忽略输送带质量所产生的重力和惯性力。输送带与滚筒接触点的张力一和分离点的张力Ｒ，依照欧拉公式有如下关系：Ｅ＝乃∥，传动滚筒所传动的圆周传动力凡为：Ｅ＝Ｅ—Ｆ２＝联ｅ照一１）式中：ｐ为输送带与滚筒间的摩擦系数；卢为滚筒与输送带有相对弹性滑动弧段所对应的圆心角。２参数化计算程序的开发２．１确定滚筒模型输入参数根据传动滚筒的结构特点和受力情况．在保证计算精度的前提下，确定计算程序的输入变量如图２，主要设计参数有滚筒各部件结构参数、松边张力，围包角、摩擦系数等。收稿Ｅｌ期：２００９—１２—０１作者简介：张ｇ（１９８０－）。男，北方重工集团工程师，沈阳农业大学博士研究生，从事大型矿山输送机械的研究。。通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ：李成华（１９５８－），男，沈阳理工大学教授。博士，从事农业机械设计研究。万方数据第２期张伟等：带式输送机传动滚筒的参数化计算研究・２３９・ｂ一．紧边张力；，２．松边张力；凡．圆周传动力母．滑动角徊．静止角；１．由键连接引起的转动约束；２．调心辊子轴承圈定端；３．调心辊子轴承滑动端，Ｉ．Ｔｅｎｓｉｏｎｏｆｔｉｇｈｔｓｉｄｅ；Ｆ２．Ｔｅｎｓｉｏｎｏｆｌｏｏｓｅｓｉｄｅ；Ｆ。．Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｆｏｒｃｅｏｎｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｃｅｓ８．ＳＩｉｄｉｎｇａｎｇｌｅ；Ｏ．Ｓｔａｔｉｃ柚ｇｌｅ；ｌ。Ｒｏｔａｔａｂｌｅｅｏｎｓｔｒａｉｎｔ０．Ｆｉｘｅｎｄｏｆｂｅａｒｉｎｇ；３．Ｓ｜ｉｄｅｅｎｄ０ｆｂｅａｒｉｎｇ图１传动滚筒力学模型Ｆｉｇｕｒｅ１Ｍｅｃｈａｎｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒｏｌｌｅｒ２．２有限元模型的建立利用有限元软件前处理功能直接建模。选择单元为ＳＯＬＩＤ４５，轴材料为４５号钢，筒皮为Ｑ２３５Ｂ，接盘材料为ＺＧ２３０．４５０．材料的弹性模量Ｅ＝２０７ＧＰＡ，泊松比ｇ－－－０．２７。建模过程为：（１）用ＡＮＳＹＳ中ＡＰＤＬ语言写程序流。用生成点、线、面的相关命令绘出滚筒截面。（２）将截面设置为ＰＬＡＮＥ４２（中间单元），并划分单元格。（３）用ＶＲＯＴＡＴ命令将划分的面单元旋转成体单元。２．３边界条件以欧拉公式为理论模型，根据滚筒的受力特点和实际工作情况确定滚筒的边界条件。为真实的反映图１ｂ中的滚筒力学模型。采用的处理约束条件为：（１）在滚筒轴上与轴承配合的中间轴心处建立局部球坐标系，用ＮＲＯＴＡＴ将轴两侧轴承内圈宽度内的所有轴上的节点置于局部球坐标系下。并对该区内所有节点的位移自由度进行约束。（２）传动滚筒轴径处的键约束。选取有效键长ｘ有效键高区域内的所有节点。并在该筒轴向的旋转自由度，对其他５个自由度不做约束。２．４荷载的施加传动滚筒受力模型如图１。通过程序计算实现在筒皮圆周上，按欧拉公式的受力形式进行加载，以便真实的反映滚筒实际工作受力情况。根据界面中输入的工作参数、松边张力、围包角、摩擦系数、静止弧角、带宽和滚筒网格划分情况（图３），将滚筒圆周上的围包角范围内的所有节点按欧拉公式要求加载，由于胶带对简皮的正压力和圆周力在运动弧角内是连续变化的，在静止弧角内只有正压力，为真实的反映这一情况，通过程序计算每个节点沿周向和径向的受力值。并将这些力施加到相应的节点上。２．５求解及结果分析图４的分析结果是由图２输入的结构参数而得，该滚筒应用于上海某高炉皮带，带宽１６００ｒａｍ，带速２ｍ・ｓ－１，长度５０２ｍ，提升高度３２ｒｎ，驱动滚筒合张力２２０ｔ，扭矩２０ｔｍ。根据图４的分析结果可以看出，滚筒的最大应力出现在轴与轮毂交界处，即涨套连接位置，这与铸焊滚筒实际破坏形式相吻合，最大应力点应力为图２参数输入界面Ｆｉｇｕｒｅ２Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｎｐｕｔｉｎｔｅｒｆａｃｅ区域中心轴上建立局部圆柱坐标系。用ＮＲＯＴＡＴ将该区域节点置于局部圆柱坐标系下。约束该区域节点沿滚万方数据沈阳农业大学学报第４ｌ卷图３滚筒模型的有限元网格划分及荷载施加Ｆｉｇｕｒｅ３ＦｉｌｌｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｓｈｄｉｖｉｄｅｄａｎｄｌｏａｄｆｏｒｒｏＨｅｒｍｏｄｅｌ１０５．２９９ＭＰａ。轮毂上的最大应力出现在轮毂中部最薄处，应力为４７～５８Ｐａ，这与设计初衷一轮毂中部设计为近似铰接，以减小筒皮应力吻合。最大变形位于筒皮中部，变形量为２．２３４ｍｍ。从图４ｂ可以看出，驱动滚筒的轮毂及轴由于承受扭转作用，出现明现的圆周方向的扭转变形，筒皮由于受水平方向的皮带合张力作用，筒皮变形成轴对称分布。筒皮最大应力出现在扭转与水平合张力影响叠加处，即４ｂ图右上角区域。图４滚筒的应力应变分析结果Ｆｉｇｕｒｅ４Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｈ咖ａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｒｏｌｌｅｒ３结论由分析结果得出采用圆柱坐标与球坐标对滚筒约束进行简化是合理的，计算准确，解决了长期困扰滚筒设计的约束不准的问题。程序化加载方式可以有效地解决滚筒表面加载的问题，从本质上解决了滚筒受弯扭模拟难题。为其他形式滚筒计算和参数化提供了宝贵的经验和模版。滚筒参数化计算的建模准确，加载合理。计算结果精度高，计算效率大幅提高。本程序在胶带机生产厂家２年多的设计生产实践，经某钢厂铁前项目工程和上海某钢厂项目工程的检验，证明本程序分析结果准确。参考文献：【ｌ】ＶＯＤＳＴＲＣＩＬＦｉｎｉｔｅＲ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａＢｅｌｔＣｏｎｖｅｙｏｒＰｕｌｌｅｙＵｓｉｎｇＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄｓ【Ｃ］／／ＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｉｎＡｕｓｔｒａｌｉａＯｉｌＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄｓ，Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ，Ａｕｓｔｒａｌｉａ，１９７５：１０２—１０５．ａ［２１ＬＩＮＤＮＥＲＬＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｅｏｎｖｅｙｏｒｂｅｌｔｐｕｌｌｅｙｗｉｔｈｔｈｅａｉｄｏｆｔｈｅＴＰＳ－－１０ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｐｒｏｇｒａｍ［Ｊ］．Ｂｍｕｎｋｏｈｌｅ，１９８２（３１８１－０７．【３】谢家保，郭永存，胡坤．带式输送机大扭矩传动滚筒的有限元分析及优化设计们．起重运输机械。２００９（１）：２５—２７．【４】李峰，崔志远，韩刚．基于ＡＮＳＹＳ的传动滚筒的有限元分析咖．太原科技大学学报，２００７，２８（４）：３５—３７．【５】李佳，郑晓东，王雷，等．基于动态非线性模型的带式输送机滚筒有限元分析方法叨．煤矿机械，２００８，２９（１１）：１５—１９．【６】杨相柏，王勇，张化乾，等．钢绳芯带式输送机头部传动、改向滚筒的受力情况分析忉．煤矿机械，２００８，２９（５）：３２—３４．【责任编辑亓国】万方数据
