帶式輸送機傳動滾筒有限元分析及結構改進

王益普，劉紅文

（1.新鄉學院機電工程學院，河南新鄉 453000；2.新鄉工程學院機電工程學院，河南新鄉 453700）

0 引言

帶式輸送機是各個行業廣泛應用于物料輸送的機械之一，在現代工業生產中有著不可替代的作用。傳動滾筒作為輸送機的關鍵組成部分，為其提供動力來源[1-3]。然而，目前滾筒設計一般采用經驗公式方法，無法全面分析滾筒各部件之間的相互作用。過度增大結構尺寸以滿足強度要求，既增加了成本也會影響滾筒質量和可靠性。因此，采用有限元分析的方法對傳動滾筒進行結構優化，減少實際工程差距，提高其運行安全性和可靠性[4-6]。同時，通過對傳動滾筒進行受力分析和強度計算，可以清晰地描述應力分布規律和形變特點，從而更好地優化傳動滾筒設計并確定合理尺寸。

1 傳動滾筒的結構特點

帶式輸送機傳動滾筒由滾筒軸、輪轂、輻板、滾筒筒殼等部件組成（圖1）：輸送帶開始工作后，驅動裝置（如電機）會將扭矩傳遞給滾筒軸；滾筒軸通過靜聯接或脹套聯接，進而將扭矩傳遞至滾筒；滾筒和輸送帶之間存在摩擦力，因此滾筒可以將扭矩再次傳遞給輸送帶，從而使整個輸送機正常工作。

圖1 帶式輸送機傳動滾筒結構

1.1 傳動滾筒的受力分析

滾筒通過與輸送帶之間的摩擦產生扭矩，以帶動傳動滾筒運轉，因此在輸送帶的作用下，傳動滾筒將受到法向正壓力、摩擦力以及主動力矩的作用[7]。傳動滾筒張力示意如圖2 所示，其中包角α 內含有靜止弧γ和滑動弧λ：在靜止弧內，滾筒只受到輸送帶對其的壓力；在滑動弧內，則同時承受輸送帶對滾筒的壓力和摩擦力；在靜止弧與滑動弧分離點處，松邊拉力F2保持不變[8-9]。但隨著輸送帶載荷的增加，γ 將會減小而λ 則會持續增大，直至整個包角。在滑動等超負荷工況下運行，將會嚴重損害滾筒的壽命。因此，本文僅分析正常工況下的滾筒受力情況。

圖2 傳動滾筒張力示意

由于帶傳動屬于撓性體摩擦傳動，因此輸送帶在整個包角（0<θ<α）上任意一點的張力都滿足歐拉公式：

式中 Fθ——在θ 位置處的張力，N

F——有效拉力，N

μ——輸送帶與滾筒間的摩擦因數，取0.38

2 傳動滾筒有限元模型的建立

2.1 建立傳動滾筒三維模型

在Solidworks 中對傳動滾筒三維模型進行簡化處理，即對其圓角/倒角等尺寸較小的結構進行簡化。然后將其另存為step.格式，并將傳動滾筒模型導入ANSYS軟件進行有限元建模。

2.2 材料屬性及單元類型網格劃分

網格劃分是將結構或物體離散化為若干小單元形成有限元網格的過程。在對傳動滾筒進行網格劃分之前，需定義單元類型以及材料的屬性，本文采用Solid186單元對傳動滾筒進行有限元分析，筒體和輻板的材料為Q235 鋼、滾筒軸的材料為40Cr，各部件的材料特性如表1 所示。

表1 材料特性

由于滾筒是由規則的面和體組成的幾何體，因此本文采用四邊形映射法對傳動滾筒進行網格劃分，網格劃分如圖3 所示。

圖3 有限元模型網格劃分

2.3 邊界條件與載荷

傳動滾筒受到輸送帶的壓力方向通常沿著滾筒的圓周方向，并且其大小會隨著時間和位置的變化而連續變化。因此載荷加載中假設其沿軸向均勻分布。本文通過對軸承與軸相連接的表面進行約束，達到整體約束的目的（圖4）。

圖4 傳動滾筒載荷分布

3 結果分析

3.1 傳動滾筒軸的靜強度分析

為提升傳動滾筒軸的強度和剛度，將滾筒軸的材料設置為40Cr，其靜力學強度分析結果如圖5 所示。

圖5 軸的靜強度分析結果

由圖5 可知，軸的大變形發生在軸的中間部位，沿這軸的兩端呈減小趨勢，且最大形變量為0.09 mm。傳動滾筒軸上的最大變形量Ymax應滿足小于[Y]的條件：

其中L 為軸承之間的距離，取值為950 mm，則可計算得到[Y]為0.34 mm。L 取950 mm，則可計算得到軸的許用形變量[Y]等于0.34 mm、大于0.09 mm，因此滿足剛度要求。

由圖5b）可以看出，軸的最大等效應力是軸與脹套連接的部位，最小等效應力是軸的中間部位；軸的最大等效應力在軸與脹套的接觸部位，最大應力為104.47 MPa。本設計中軸的屈服極限為785 MPa，取軸的安全系數為2.5，則軸的許用應力大于104.47 MPa，因此滿足強度要求。

3.2 傳動滾筒殼的靜強度分析

將滾筒筒殼的材料設置為Q235 鋼，其靜強度分析結果如圖6 所示。

圖6 筒殼的靜強度分析結果

由圖6a）可知，筒殼的最大變形在滾筒的中間部位與輸送帶接觸的位置，原因是輸送帶對滾筒的擠壓。其變形從兩端往中間逐漸增大，在滾筒的中間部位達到最大值，最大變形量為0.043 mm。根據相關行業標準，傳動滾筒工作時，筒殼的最大位移不能超過滾筒直徑與帶寬2 倍的比值。本次設計中，滾筒直徑為435 mm、帶寬為650 mm，由此可計算得其比值為0.335、大于0.043，因此滿足變形要求。

滾筒筒殼的最大應力在筒殼與輻板連接的位置，原因是產生了應力集中。滾筒的等效應力沿滾筒中截面呈對稱分布，在滾筒與輻板焊接的部位為應力最大值，其最大應力約為79.9 MPa。由上文可知Q235 的許用應力為140 MPa、大于79.9 MPa，因此滿足強度要求。

4 結構改進

目前機械設備朝著輕量化方向發展，因此本文從3 個方面對傳動滾筒機械結構進行改進。

（1）滾筒軸的結構。傳動滾筒軸主要承受皮帶壓力所產生的彎矩，力的作用點位于輻板與軸的焊接處，因此可以打斷并去掉滾筒軸的中間部分，改為兩個半軸的形式，從而顯著降低滾筒的質量。

（2）輻板結構。為增強輻板與軸之間的焊接強度，對輻板結構進行改進。通過在輻板上增加加強筋的數量和布局，來提高輻板與軸的連接強度。

（3）緩解應力集中。在輻板上開設一些小孔，這樣應力分布會集中在這些小孔上，從而緩解整體結構的應力集中現象。

5 結束語

傳動滾筒是帶式輸送機的重要部件之一，由于其在工作中需要承受周期性變載荷，并且承載的載荷較大，因此容易產生疲勞失效。采用Solidworks 和ANSYS軟件建立了傳動滾筒的三維模型和有限元分析模型，并輸出有限元分析結果，以滿足設計相關要求。基于這些結果，提出了改進滾筒軸、輻板結構以及緩解應力集中等措施，有效降低滾筒失效的可能性。同時，這些改進措施還能提高傳動滾筒的穩定性和強度，延長設備的使用壽命。