連續皮帶機設計與仿真

摘 要：本文對連續皮帶機進行結構設計，包括皮帶機中的輸送帶、托輥、支架等關鍵組件。在設計過程中，給出了三類關鍵組件的外形尺寸、配置距離，并給出許用力、許用面積、許用應力3個校核模型。在仿真試驗過程中，以許用應力校核模型為基礎，進行連續皮帶機的應力和應變分析。結果顯示，輸送帶底部中間區域、托輥和支架整體都是承受應力、產生應變較大的關鍵位置，在皮帶機的使用中要加以注意，以提升皮帶機的安全性。

關鍵詞：皮帶機；連續設計；托輥組件；支架組件

中圖分類號：U 45" " 文獻標志碼：A

在大型礦區中，物料運輸是非常重要的工作，不僅關乎礦區作業安全，而且也影響礦產挖掘和產出的效率[1]。采用專用車輛進行運輸是一種解決方案，但是車輛運載能力有限，單次運輸效率低，需要配置大量運輸車才能完成任務，不僅加大作業成本，而且也需要周邊良好的交通環境作為支撐。因此，采用皮帶機的連續傳動方式完成運輸，是一種更穩妥、更有效的解決方案[2]。皮帶機不僅工作原理簡單，而且運載量大、運輸效率高，在礦區內布置完成后可以連續工作，大大提升物料運輸的效果。當然，礦區的運輸距離一般都比較長，需要加長皮帶機的皮帶長度、提升關鍵零件的強度并完成連續化設計，這樣才能有效地承擔礦區的運輸任務。皮帶機連續設計的關鍵就在于皮帶組件、托輥組件、支架組件的強度滿足要求，能夠適應運輸過程中的各種受力和沖擊[3]。基于這種考慮，本文展開連續皮帶機的設計工作，并對其關鍵組件的受力、變形等情況進行仿真驗證。

1 連續皮帶機設計及校核

從結構上來看，皮帶機包括皮帶組件、托輥組件、支架組件，其相互配合關系的結構形態如圖1所示。

為了承載物料運輸，輸送帶必須具有一定的寬度和長度。同時，輸送帶的2個側面要進行上翹設計，這可以防止中間輸送帶邊緣處的物料在運輸過程中散落。為了提升輸送帶的運輸效率，輸送帶的下方要配置托輥，它是一種內部中空的圓柱，安裝后可以較靈活地旋轉和滾動。它既有托舉輸送帶的支撐效果，又可以通過自身的滾動助力輸送帶不斷運送。支架主要發揮支撐作用，可以給輸送帶整體一個比較合適的高度。

皮帶機的連續設計就是在輸送帶長度較長的情況下，每隔一定的距離就要設置支架和托輥，以提升輸送帶的強度，保障物料運輸過程的安全性。

在本文的設計工作中，結合輸送帶自身的強度，每隔1000mm布置1個支架，支架的最大跨度為1000mm，支架的支撐高度設定為300mm，支架的直徑設定為20mm。托輥作為一個圓柱體，內部直徑設定為50mm，外部直徑設定為100mm，內部中空，單個托輥的長度設定為200mm。輸送帶的厚度為20mm。

為了校驗連續皮帶機設計中的皮帶組件、托輥組件、支架組件是否安全，采用以下3種校核法。1）受力校核法。即檢驗皮帶機中關鍵組件的實際承受力是否小于該組件制造材質所能承受的許用力。這種方法一般是在已知組件承受應力、組件受力面積大小的情況下實現的，通過組件承受應力和組件受力面積大小相乘計算出組件實際承受力，再與組件材質的許用力進行比較。如果組件實際承受力小于材質的許用力，那么皮帶機就是安全的，可以繼續運行。如果組件實際承受力大于材質的許用力，那么皮帶機就是不安全的，需要停機檢修。2）受力面積校核法。即檢驗皮帶機中關鍵組件的受力面積是否小于該組件的許用受力面積。這種方法一般是在已知組件承受應力、組件實際受力的情況下實現的，通過組件實際受力和組件承受應力相除計算出組件實際受力面積的大小，再與組件的許用受力面積進行比較。如果組件實際受力面積小于許用受力面積，那么皮帶機就是安全的，可以繼續運行。如果組件實際受力面積大于許用受力面積，那么皮帶機就是不安全的，需要停機檢修。3）應力校核法。即檢驗皮帶機中關鍵組件的承受應力是否小于該組件的許用應力。這種方法一般是在已知組件受力面積大小、組件實際受力的情況下實現的，通過組件實際受力和組件受力面積相除計算出組件實際應力的大小，再與組件的許用應力進行比較。如果組件實際應力小于許用應力，那么皮帶機就是安全的，可以繼續運行。如果組件實際應力大于許用應力，那么皮帶機就是不安全的，需要停機檢修。

2 連續皮帶機的應力仿真分析

在接下來的工作中，將借助有限元分析軟件對設計的連續皮帶機進行應力仿真分析。在分析過程中，對皮帶組件、托輥組件、支架組件的參數進行設定，見表1。

在表1配置的各項參數下，對圖1中給出的連續皮帶機結構的一部分應力分布進行仿真分析，結果如圖2所示。

由圖2可知，深色代表的區域應力較大，淺色代表的區域應力較小。當物料均勻排布于輸送帶表面時，輸送帶組件上的應力主要集中在底部的中間區域，而兩側斜坡的輸送帶上，也有較為集中的應力分布。

與輸送帶相比，托輥組件、支架組件都呈現整體為深色的效果，這也表明托輥組件、支架組件在輸送過程中都承受了較大、較集中的應力。當然，這些應力的分布都沒有超出許用應力的范圍，皮帶機處在安全的工作范圍內。

考慮支架和輸送帶接觸的位置，兩類組件的應力都比較大且集中，這是連續皮帶機能否安全工作的關鍵位置。在這一位置設置剖面，觀察剖面內的應力曲線變化。這時的應力變化情況又分為2組，一組是剖面內的支架組件的應力變化。通過觀察發現，剖面內支架組件的應力分布以中心位置為分界線，呈現大致對稱的分布形態。越靠近中心位置的區域，應力越大，越遠離中心位置的區域，應力越小。并且，這一組應力變化曲線在托輥組件支撐的臨界位存在突變。因此，導致應力曲線的整體變化并不具有完全連續的、一致的趨勢。剖面內支架組件應力變化曲線如圖3所示。另一組是剖面內的輸送帶組件的應力變化。通過觀察發現，剖面內輸送帶組件的應力分布也是以中心位置為分界線，呈現大致對稱的分布形態。靠近中心位置的區域應力較小，這與此位置受力主要被托輥組件、支架組件分擔有關。在托輥組件配合的空隙位置，托輥組件、支架組件與輸送帶脫離接觸無法承擔更大的受力，從而使輸送帶的應力增大。但因為輸送帶本身具有較強的彈性模量，所以應力曲線的變化還是非常光滑的，呈現類似正弦曲線的形態。剖面內輸送帶組件應力變化曲線如圖4所示。

3 連續皮帶機的應變仿真分析

在表1配置的各項參數下，對圖1中給出的連續皮帶機結構的一部分應變分布進行仿真分析，結果如圖5所示。

由圖5可知，深色代表的區域應變較大，淺色代表的區域應變較小。當物料均勻排布于輸送帶表面時，輸送帶組件上的應力主要集中在底部的中間區域，而兩側斜坡的輸送帶上也有較為集中的應力分布。但與圖2中的應力分布相比，輸送帶底部集中的區域縮小了，并且有向邊緣延伸的跡象。

與輸送帶相比，托輥組件、支架組件都呈現整體深色的效果，這也表明托輥組件、支架組件在輸送過程中產生了較大的應變，并且與它們所受的應力大小是一致的。

仍然采用應力分析時設置的剖面，即支架和輸送帶接觸的位置，觀察剖面內支架組件的應變分布情況。通過觀察發現，剖面內支架組件的應變分布以中心位置為分界線，呈現大致對稱的分布形態。遠離中心位置的區域應變較小，接近0，接近中心位置的區域應變較大，但應變最大的區域出現在托輥組件配合的空隙位置。剖面內支架組件應變變化曲線如圖6所示。

觀察剖面內的輸送帶組件的應變變化發現，剖面內輸送帶組件的應變分布也以中心位置為分界線，呈現大致對稱的分布形態。靠近中心位置的區域應變較小，這與此位置受力主要被托輥組件、支架組件分擔有關。在托輥組件配合的空隙位置，因為托輥組件、支架組件與輸送帶脫離接觸無法承擔更大的受力，所以輸送帶的應變增大。但因為輸送帶本身具有較強的彈性模量，所以應變曲線的變化還是非常光滑的，呈現類似正弦曲線的形態。剖面內輸送帶組件應變變化曲線如圖7所示。

對比圖4和圖7可知，剖面內輸送帶組件的應力和應變變化曲線的形態是比較接近的。

4 結語

礦區的運輸距離一般都比較長，需要加長皮帶機的皮帶長度、提升關鍵零件的強度、完成連續化設計才能有效地承擔礦區的運輸任務。皮帶機連續設計的關鍵就在于皮帶組件、托輥組件、支架組件的強度滿足要求，能夠適應運輸過程中的各種受力和沖擊。本文分別對連續皮帶機的關鍵組件進行設計，并采用許用應力的校核方法，在有限元仿真平臺下對連續皮帶機結構的應力、應變進行仿真分析，相關結果可以為礦區皮帶機的應用設計提供相應參考。

參考文獻

[1]李敏，高文亭，張貝貝.皮帶機關鍵部件壽命可靠性分析及提升對策研究[J].產品可靠性報告，2023，35（8）：130-131.

[2]王景艷.礦用皮帶機變頻電控系統在煤礦中的運用探討[J].中國設備工程，2023，53（14）：82-84.

[3]劉濤，竇懷武，王天龍.火電廠輸煤皮帶機噴淋抑塵裝置控制系統的設計[J].電力系統裝備，2023，24（3）：67-69.