帶式輸送機(jī)滾筒有限元分析.pdf

1、帶式輸送機(jī)是現(xiàn)代最重要的散裝物料的運(yùn)輸設(shè)備，滾筒是帶式輸送機(jī)的主要傳動(dòng)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(jiǎn)單，只有法向的均布載荷，傳動(dòng)滾筒情況相對(duì)復(fù)雜，它同時(shí)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(duì)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(jì)算方法時(shí)，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(qiáng)度卻沒(méi)有顯著

2、的提高。有限元技術(shù)能夠解決解析法無(wú)法解決的問(wèn)題，在近幾十年，因其高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，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(jì)算分析中，對(duì)提高滾筒的整體設(shè)計(jì)水平有重要的意義。 本文首先對(duì)現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)滾筒的計(jì)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(jì)算分析的必要性；然后對(duì)滾筒的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了概括性的介紹；接著簡(jiǎn)單介紹了接觸問(wèn)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(jī)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(duì)改向滾筒和傳動(dòng)滾筒進(jìn)行了有限元計(jì)算，總結(jié)了兩種滾筒的強(qiáng)度和剛度的計(jì)算結(jié)論，并對(duì)脹套安裝預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)測(cè)；最后開(kāi)發(fā)了帶式輸送機(jī)的參數(shù)化有限元分析軟件，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化建模。 有限元模型的建立是進(jìn)行計(jì)算分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，模型的優(yōu)劣直接關(guān)系到計(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化，略去次要構(gòu)件，將軸視為等直徑軸，對(duì)軸承座簡(jiǎn)化為

4、約束，認(rèn)為焊接處焊縫強(qiáng)度足夠，將焊縫連接的兩個(gè)實(shí)體視為連續(xù)的實(shí)體。在選擇單元時(shí)，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(jiǎn)單的單元，使得模型簡(jiǎn)單，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。本文的滾筒有限元模型全部采用3D實(shí)體單元Solid45，改向滾筒的軸、輪轂，驅(qū)動(dòng)滾筒的軸、脹套、輪轂都采用了接觸單元來(lái)模擬實(shí)際的配合情況，因滾筒結(jié)構(gòu)規(guī)則，采用Shell63作為過(guò)渡單元，通過(guò)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(duì)傳動(dòng)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(dòng)。在分析過(guò)盈連接的改向滾筒時(shí)，首先介紹了過(guò)盈連接配合壓力值的理論計(jì)算方法，以此計(jì)算了改向滾筒的理論壓力值。然后進(jìn)行了有限元計(jì)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(jì)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(jì)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(guò)盈連接的正確性；輻板上的應(yīng)

6、力主要是過(guò)盈裝配應(yīng)力引起的，工作載荷對(duì)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(jì)，可采用變截面輻板。 傳動(dòng)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(jì)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(dòng)傳動(dòng)滾筒時(shí)，首先介紹了脹套的相關(guān)知識(shí)，然后對(duì)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(jì)算。計(jì)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(duì)研究筒殼的疲勞破壞有參考價(jià)值。工作載荷(沒(méi)有預(yù)緊力作用時(shí))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(guò)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(guò)盈連接和脹套連接都涉及到了接觸問(wèn)題，為驗(yàn)證

8、有限元接觸非線性計(jì)算正確性，本文實(shí)測(cè)了一個(gè)脹套連接滾筒的預(yù)應(yīng)力，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較吻合，因此，本文滾筒剛度、強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)論可以為滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。 基于過(guò)盈連接改向滾筒和脹套連接傳動(dòng)滾筒的有限元建模、分析方法，應(yīng)用界面編程語(yǔ)言Visual Basic和ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL共同開(kāi)發(fā)了帶式輸送機(jī)參數(shù)化有限元分析軟件，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)。利用該軟件可對(duì)5個(gè)類別的滾筒進(jìn)行剛度和強(qiáng)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(jì)算了，最后根據(jù)用戶需要提取計(jì)算結(jié)果。APDL編寫的命令流代碼完全公開(kāi)，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(duì)兩種形式的滾筒進(jìn)行了計(jì)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(duì)滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。開(kāi)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(jì)提供了仿真平臺(tái)，減