驅動繩輪的設計及有限元分析

趙士英　董漢政　李忠祥　劉學彬

摘要：鋼絲繩牽引帶式輸送機中的關鍵部件之一驅動繩輪根據摩擦傳動理論進行了設計，并進行有限元分析，確保滿足強度要求和等效應力理論設計原則，進而使材料得到充分利用，減少成本，為今后驅動繩輪設計提供參考。

關鍵詞：驅動繩輪；摩擦理論；ANSYS；等效應力

鋼絲繩牽引帶式輸送機是用兩條無極的牽引鋼絲繩作為牽引機構，帶有特制的雙面耳槽的膠帶搭在兩條無極鋼絲繩上，作為承載物料的構件，鋼絲繩和膠帶由驅動輪和鋼絲繩間的摩擦力來驅動運行。

1 驅動繩輪的設計

驅動繩輪按照結構形式分為摩擦式、多滾輪式、拋物線式，但多滾輪式和拋物線式運轉時對鋼絲繩磨損較大，所以普遍使用摩擦式驅動繩輪。

Symax=S1·eμ0·α

根據摩擦傳動原理，提高鋼絲繩牽引力的方法有增大驅動繩輪和鋼絲繩之間的摩擦系數、增大驅動輪的圍包角以及提高鋼絲繩的張緊力。所以增大襯墊與鋼絲繩之間摩擦系數，增高襯墊允許比壓來滿足強度要求，同時對鋼絲繩的磨損較小。綜上所述選用摩擦系數為0.3，比壓為小于等于300N/mm的聚氨基甲酸酯材料，輪徑D=3000mm，襯墊沿輪圈圓周拼裝。

2 驅動繩輪基于ANSYS Workbench的有限元分析

設計出驅動繩輪后，使用ANSYS Workbench14.5軟件對其進行有限元分析。

2.1 模型前處理

驅動繩輪為Q235鋼板焊接而成的焊接件，在ANSYS Workbench14.5中設置材料特性如下，其屈服強度σs=235MPa，彈性模量E=2.06×1011Pa，抗拉強度σb=370MPa，泊松比μ=0.3。

本文先在Solidworks2015軟件中建模，然后將模型導入ANSYS Workbench14.5軟件中，圖1為采用自動劃分網格的方法劃分的有限元模型。

驅動繩輪為Q235鋼板焊接而成的焊接件，所以使用Bonded（綁定）接觸形式，對驅動繩輪與主軸接觸的面施加固定約束，對驅動繩輪與鋼絲繩接觸的面施加壓力P=40KN，對驅動繩輪施加驅動轉矩T=156KN·M。如圖2，為施加約束載荷后的模型。

2.2 結果后處理

如圖3所示，驅動繩輪最大變形為0.259mm，位置在驅動繩輪與鋼絲繩接觸的中間位置附近，驅動繩輪在鋼絲繩圍包的驅動力作用下，產生向直徑方向上的擠壓變形，圓周上的焊接槽鋼也在向心的拉力作用下產生變形，變形從鋼絲繩包圍的邊緣向中心累加，在中間位置處達到最大，在0.25mm左右。

如圖4為得到的驅動繩輪等效應力云圖，驅動繩輪的最大等效應力值為58.74MPa，位置在驅動繩輪與鋼絲繩接觸的中間位置附近。圓周上焊接的槽鋼的等效應力大部分在13MPa到58.74MPa之間，材料得到了充分的利用，符合等效應力理論設計原則。

3 結論

本文主要利用摩擦傳動理論和有限元分析方法對驅動繩輪進行了設計與可靠性分析，并獲得了等效應力云圖，確保其符合理論設計原則，使材料得以充分利用，減少設計成本，并為今后驅動繩輪的設計提供理論參考。

參考文獻：

[1]馬麗，劉偉.鋼絲繩牽引帶式輸送機放到轉制動動態特性研究[J].煤炭科學技術，2007.

[2]胡志超，高立廷.鋼絲繩牽引帶式輸送機的設計與發展[J].起重運輸機械，2008.

[3]閆俊霞.基于ANSYS的鋼絲繩卡繩器接觸動力學分析[J].礦山機械，2013.

作者簡介：趙士英（1991），男，山東科技大學機械電子工程學院在讀碩士研究生。