帶式輸送機滾筒有限元分析.pdf

1、帶式輸送機是現(xiàn)代最重要的散裝物料的運輸設(shè)備，滾筒是帶式輸送機的主要傳動部件。滾筒主要由滾筒軸、輻板、輪轂和筒殼(脹套連接還包括脹套)組成。改向滾筒受到的外載荷比較簡單，只有法向的均布載荷，傳動滾筒情況相對復(fù)雜，它同時受到了法向載荷和切向載荷，并且這些載荷在圓周上是變化的。對于滾筒這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，若再考慮裝配應(yīng)力的作用效果，用解析法是難以解決的，在缺乏合適的滾筒計算方法時，常引入較大的安全系數(shù)，使得結(jié)構(gòu)尺寸變大，重量增加，但強度卻沒有顯著

2、的提高。有限元技術(shù)能夠解決解析法無法解決的問題，在近幾十年，因其高效、準(zhǔn)確的特點，在工程界得到了普遍的認(rèn)可和廣泛的應(yīng)用。將有限元技術(shù)應(yīng)用于滾筒的計算分析中，對提高滾筒的整體設(shè)計水平有重要的意義。 本文首先對現(xiàn)有的帶式輸送機滾筒的計算方法進(jìn)行了全面的考察，指出將有限元技術(shù)應(yīng)用于滾筒計算分析的必要性；然后對滾筒的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了概括性的介紹；接著簡單介紹了接觸問題有限單元法和ANSYS接觸非線性的相關(guān)內(nèi)容，系統(tǒng)的總結(jié)了帶式輸送機滾筒有

3、限元模型相關(guān)的建模原則及建立方法：然后針對改向滾筒和傳動滾筒進(jìn)行了有限元計算，總結(jié)了兩種滾筒的強度和剛度的計算結(jié)論，并對脹套安裝預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了實測；最后開發(fā)了帶式輸送機的參數(shù)化有限元分析軟件，實現(xiàn)了參數(shù)化建模。 有限元模型的建立是進(jìn)行計算分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，模型的優(yōu)劣直接關(guān)系到計算結(jié)果的精度甚至正確與否。滾筒的各構(gòu)件裝配在一起，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在不影響分析目的的前提下，本文對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下簡化，略去次要構(gòu)件，將軸視為等直徑軸，對軸承座簡化為

4、約束，認(rèn)為焊接處焊縫強度足夠，將焊縫連接的兩個實體視為連續(xù)的實體。在選擇單元時，以反映材料力學(xué)特性為前提，在滿足精度條件下，盡可能的選取簡單的單元，使得模型簡單，節(jié)省計算時間。本文的滾筒有限元模型全部采用3D實體單元Solid45，改向滾筒的軸、輪轂，驅(qū)動滾筒的軸、脹套、輪轂都采用了接觸單元來模擬實際的配合情況，因滾筒結(jié)構(gòu)規(guī)則，采用Shell63作為過渡單元，通過拉伸和旋轉(zhuǎn)的方法建立了有限元模型。 工作載荷以均布載荷的形式施加在

5、滾筒表面，在約束剛體位移方面，用球坐標(biāo)的形式模擬軸承座的約束，對傳動滾筒，在扭矩作用端采用了耦合自由度的方式限制了軸的轉(zhuǎn)動。在分析過盈連接的改向滾筒時，首先介紹了過盈連接配合壓力值的理論計算方法，以此計算了改向滾筒的理論壓力值。然后進(jìn)行了有限元計算，得出該滾筒的配合壓力、應(yīng)力分布及變形規(guī)律。有限元計算表明，在配合區(qū)域邊緣有壓力集中現(xiàn)象，不考慮壓力集中，有限元計算壓力解與理論壓力解較吻合，證明了以接觸非線性處理過盈連接的正確性；輻板上的應(yīng)

6、力主要是過盈裝配應(yīng)力引起的，工作載荷對輻板最大等效應(yīng)力影響很小，但卻使得等效應(yīng)力沿圓周變化兩次，由輻板沿徑向的應(yīng)力分布規(guī)律可知，等截面輻板并不是最佳設(shè)計，可采用變截面輻板。 傳動滾筒與改向滾筒相比，其受力更復(fù)雜，數(shù)值也較大，因此計算結(jié)果與改向滾筒有所差別。在分析脹套連接的雙端驅(qū)動傳動滾筒時，首先介紹了脹套的相關(guān)知識，然后對僅考慮工作載荷作用和預(yù)緊力、工作載荷共同作用的兩種情況進(jìn)行了有限元計算。計算結(jié)果表明，在遠(yuǎn)離預(yù)緊力作用的筒殼

7、中部，其應(yīng)力和變形基本不受預(yù)緊力的影響，并且周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力占優(yōu)，沿圓周為交變應(yīng)力；在筒殼的不同橫截面上，周向應(yīng)力沿圓周的變化次數(shù)不同，變化規(guī)律對研究筒殼的疲勞破壞有參考價值。工作載荷(沒有預(yù)緊力作用時)使得輻板上的等效應(yīng)力沿圓周變化4次，預(yù)緊力和工作載荷共同作用使得等效應(yīng)力沿圓周變化由4次變?yōu)?次，通過分析可知，輻板上的等效應(yīng)力沿圓周的變化規(guī)律和預(yù)緊力以及工作載荷的大小緊密相關(guān)。 過盈連接和脹套連接都涉及到了接觸問題，為驗證

8、有限元接觸非線性計算正確性，本文實測了一個脹套連接滾筒的預(yù)應(yīng)力，測試結(jié)果與計算結(jié)果較吻合，因此，本文滾筒剛度、強度有限元計算結(jié)論可以為滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。 基于過盈連接改向滾筒和脹套連接傳動滾筒的有限元建模、分析方法，應(yīng)用界面編程語言Visual Basic和ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL共同開發(fā)了帶式輸送機參數(shù)化有限元分析軟件，實現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計。利用該軟件可對5個類別的滾筒進(jìn)行剛度和強度的分析，用戶只需選擇要分析的滾筒類

9、型，依照用戶界面提示，輸入滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、材料參數(shù)和網(wǎng)格參數(shù)，就可以進(jìn)行有限元計算了，最后根據(jù)用戶需要提取計算結(jié)果。APDL編寫的命令流代碼完全公開，可以根據(jù)需要重新編寫，以滿足用戶的特殊需要。本文借助有限元分析軟件ANSYS對兩種形式的滾筒進(jìn)行了計算，滾筒構(gòu)件的應(yīng)力、變形規(guī)律的分析結(jié)論，能夠在一定范圍內(nèi)解釋滾筒的破壞原因，對滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。開發(fā)出的滾筒參數(shù)化有限元分析軟件，它為滾筒的合理設(shè)計提供了仿真平臺，減