带式输送机传动滚筒设计

摘要

带式输送机是用于散料输送的重要设备，适用于矿山机械。传动滚筒作为带式输送机的重要部件，其作用更是举足轻重。滚筒是带式输送机的主要传部件，它的作用有两个：一是传递动力，二是改变输送带运行方向。带式输送机滚筒的设计质量，关系到整个输送机系统的性能、安全性和可靠性。目前，国内滚筒的设计一般采用近似公式，对于中小型滚筒已经能够满足工程需求，但对于大型滚筒这种设计方法其结果与工程实际有一定的差距，它的安全性和可靠性难以保障。由于缺乏精确的计算方法，如果盲目的增大安全系数，会使结构尺寸变大，重量增加，强度得不到显著的提高同时又增加了成本。

本设计首先对带式输送机滚筒结构的设计计算方法进行了分析研究，修正了有关计算公式，完善并统一了设计计算内容，对带式输送机传动滚筒进行了严谨的数学推导，在大量的参考了国内该部分的相关教材和资料的基础上，结合了一定的实践而编写的。

由于传动滚筒的适用范围不断扩大，对其需求量也不断增加。故对滚筒设计有一定的必要性。在对滚筒设计中要充分了解主要部件的工作特性，合理进行选型设计和性能匹配。

关键字：带式输送机传动滚筒

Abstract

Belt conveyor is used for the important bulk conveying equipment, suitable for mining machinery. Transmission roller as an important part of the belt conveyor, and its function is more critical. The cylinder is a belt conveyor of the main parts, its action has two: one is to transfer power, 2 it is to change the conveyor belt running direction. Belt conveyor roller design quality, relationship to the whole conveyor system performance, safety and reliability. At present, the domestic roller design general use of the approximate formula, for small and medium-sized roller has been able to meet the engineering requirements, but for large drum the design method and the results have a big gap between the actual engineering, it is difficult to guarantee the safety and reliability. Because of the lack of accurate calculation method, if blind increase safety coefficient, can make the structure size change, increase the weight, strength not rise significantly increased again at the same time the cost.

This design first of belt conveyor roller structure, the calculating method of analysis and study of the fixed related calculation equations, perfect and unified design calculation content, to the belt conveyor roller drive the rigorous mathematical reasoning, in a large number of reference in this part of the relevant material and material, and on the basis of the practice of combining must be written.

By driving roller, the scope of application of expansion, the demand is on the increase. So the roller design had some necessity. In the design of roller to fully understand the main parts of the characteristics, the reasonable selection of design and performance match.

Key word: belt conveyor transmission roller

目录

前言 (1)

第一章绪论 (2)

1.1 滚筒在国民经济中的作用 (2)

1.2 传动滚筒的发展状况 (3)

1.3 国内外研究现状 (5)

1.4 结构与种类 (6)

1.4.1 按驱动方式分 (6)

1.4.2 按轴承内孔大小分 (6)

1.4.3 按外形分 (7)

1.4.4 特殊滚筒 (7)

1.5 传动滚筒的研究目的和意义 (8)

第二章传动滚筒的设计 (10)

2.1 传动滚筒的选择及其传动理论 (10)

2.1.1 传动滚筒直径的确定 (12)

2.1.2 滚筒的性能特点及其选用 (14)

2.2 传动滚筒的设计 (15)

2.2.1 传动滚筒筒壳内外表面的应力 (15)

2.2.2 传动滚筒接盘应力 (17)

2.2.3 传动滚筒结构参数的设计 (19)

2.3 滚筒通体外径D与厚度t之间的关系 (19)

2.4 传动滚筒的轴径d、筒壳厚度h、接盘辐板厚度t、接盘支点1l等参数关系 (21)

2.4.1 设计变量 (21)

2.4.2 弯扭矩计算 (23)

2.4.3 求最大当量弯矩 (24)

2.4.4 轴的强度校核 (24)

2.4.5 接盘内应力的计算 (24)

2.4.6 边界约束条件确定的参数关系 (24)

2.4.7 各段轴径之间的参数关系 (25)

D之间的参数关系 (25)

2.4.8 滚筒体的最大直径为D与最小直径

1

2.4.9 滚筒体总长度与滚筒体L的中部圆柱部分的长度b的关系 (25)

第三章典型传动滚筒的设计 (26)

3.1 滚筒体 (26)

3.2 轴的设计 (31)

3.2.1 轴的材料的选择 (31)

3.2.2 轴径的初步估算 (31)

3.2.3 轴的结构设计 (32)

3.3 滚筒胀套连接的选择与校核 (33)

3.3.1 胀套连接的常见问题 (33)

3.3.2 胀套的选择 (34)

3.3.3 胀套的校核 (35)

3.4 接盘的设计与计算 (37)

3.5 支座的选择 (38)

3.5.1 支座的选型 (38)

3.5.2 支座的材料选择 (38)

3.5.3 支座的结构设计 (38)

3.6 轴承的选则和寿命的校核 (39)

3.6.1 轴承的选择 (39)

3.6.2 滚筒轴承寿命的校核 (40)

3.6.3 基本额定寿命 (40)

3.6.4 基本额定动载荷和轴承寿命的计算 (41)

3.6.5 计算轴承支反力1r F ，2r F (41)

3.6.6 轴承寿命的计算 (41)

3.7 键的选择与校核 (42)

3.7.1 键连接的选择 (42)

3.7.2 联接的强度计算 (42)

总 结 (45)

致 谢 (47)

参考文献 (48)

前言

带式输送机是用于散料输送的重要设备之一。其结构特别简单，运行平稳可靠，能耗低，对环境污染小，便于集中控制和实现自动化，管理和维护方便，在连续装载的条件下可实现连续运输，因此，在国民经济各部门特别是煤炭和矿山运输系统中应用十分广泛。由于其适用范围的不断扩大和对其需求量的不断增加，带式输送机的设计和制造技术也有了长足发展。传动滚筒作为带式输送机的重要部件，起作用更是举足轻重。

众所周知，零部件的工作特性，对整机性能有重要影响，加之用户和使用环境的千变万化，带式输送机中的传动滚筒的设计不仅还会涉及其初步设计和零部件的选型设计，并且还越来越多地涉及零部件的设计，充分了解主要零部件的工作特性，合理的进行造型设计和性能匹配。

第一章绪论

传动滚筒是一种驱动装置，它主要应用于固定式和移动式的带式输送机设备，也是带式输送机的重要组成部分，它的结构和工作原理对带式输送机整体特性影响很大。本章先介绍传动滚筒在国民经济中的作用，然后是滚筒的发展状况。

1.1 滚筒在国民经济中的作用

由于滚筒具有结构紧凑，传动率高，噪声低使用寿命长，运转平稳，工作可靠，密封性好。占据空间小，安装维修方便等优点，并且适合在各种恶劣环境条件下工作，包括潮湿、泥泞、粉尘多的环境，所以目前国内外已将电动滚筒广泛应用于采矿、冶炼、煤炭、交通、能源、粮食、烟草、化工、建材、邮电、航空、农林、印刷、商业等各个生产建设领域。

滚筒在国民经济中的作用随着现代化工业的发展，传动滚筒作为传动链已广泛应用于各种生产线中的辊子输送机和辊道输送机，用来输送城建物品。进入20世纪70年代以后，传动滚筒的应用场所扩展的十分迅速。例如，锥形传动滚筒，使辊道输送机转弯成为轻而易举的事。所以，飞机场、邮电局能用它来分拣行李物品、包裹等货物。两端直径达、中间直径小、类似双曲线形状的电动滚筒，可以应用于林场运送原木。经过专门设计，可以制成卷绕钢丝绳、电缆等柔性绳索的卷绕滚筒，并且可以在滚筒内部装上安全可靠的制动装置和防止逆转装置。经过特殊制造的传动滚筒，可以输送高温物料和高温钢胚。有的特殊传动滚筒可以在化纤加工过程中作为脱水轧辊使用。如果在滚筒体的圆柱面上焊接螺旋形叶片，还可以制成轻巧的螺旋输送机。此外，双速，三速或无级变速的电动滚筒已广泛应用与超级市场和技术精密型产品的生产线上。专门制造的隔爆型传动滚筒可以用在易燃、易爆的环境中。近年来，还有人试图将微型电动滚筒应用到旅游服务行业。例如，宾馆、饭店中的擦鞋机，窗帘卷帘机等等。总之，随着传动滚筒设计，制造技术的不断改进以及高新技术的引入，传动滚筒的应用范围越来越广泛，传动滚筒在国民经济各个领域中的作用也越来越重要。

随着科学技术的不断进步，其应用场所更是越来越广泛，其发展前景也相当

可观。为了提高产品质量，重视提高产品的可靠性，不断开发研制新产品，开拓国内市场，设计出有高可靠性的产品，才能使用户放心大胆的使用，才能提高企业的声誉，企业的产品在国内，外市场上才能被人们信任，才能取得良好的经济效益和社会效益。

1.2 传动滚筒的发展状况

连续输送机械是物料搬运机械的重要组成部分，是其中的一大类别。带式输送机是连续输送机械中效率最高、应用范围最广泛的一种机型，是散料输送的重要设备。带式输送机是以输送带作为牵引构件和承载构件的一种连续输送设备。输送带上的物料随输送带一起运行，根据需要可以在输送机头部或中间部位卸料[1]。输送带用托辊支撑，运行阻力小。带式输送机可以沿水平或倾斜线路布置，在输送原煤时，向上最大输送倾角一般为17°~18 °，向下最大输送倾角一般为15°~16°。当采用花纹输送带并采取其它相应措施上运倾角可高达28°~32°，下运倾角可达25°~28°。当采取某些特殊措施或专用带式输送机时，可以实现更大的输送倾角甚至垂直提升。

随着国民经济的飞速发展，矿山、建材、化工、港口、粮食、电力、煤炭等部门对散状物料的输送提出了新的要求，长距离（指单机输送长度，国外最长达15000m，国内最长为沈矿为海螺集团研制的10300m 平面转弯带式输送机）、大运量（高带速和大带宽）和大倾角输送物料是其主要发展方向之一[2]，同时提出无公害环保输送散状物料的要求。无论国外还是国内的建材及矿山行业，在这两种输送方案的对比选择后，还是较多的选择以长距离、大运量的带式输送机代替汽车运输的方案。其原因是采用汽车运输不仅要修建公路、购买汽车一次性投资大，而且日常的公路和汽车维修费用也很高。带式输送机输送散状物料是连续的物料流，生产效率高。

目前，国外最大带速已达12m/s。国内的最大带速达5.8m/s，最大输送量9800t/h。当然，增加输送带的宽度也可以提高输送量（国外采用的最大带宽是3300mm），但增加带宽使整机所有相关尺寸增大，增加了设备的总投资。特别是输送带的成本要占整机成本的30~50%，而且距离越长，运量越大，所占的比例就

越大。同时，大带宽需要相应的硫化设备（包括输送带接头的硫化），因此我国目前所采用的最大带宽为2200~2800mm。近年来，通过引进国外先进国家的带式输送机整套设备及技术，以及国内广大科研人员的共同努力，可以说国内设计和制造的长距离、大运量带式输送机的水平已经可以满足国内市场的需求，但是一些关键技术尚需引起重视并加以深入研究和开发。国内投入使用的部分长距离、大运量的典型带式输送机如表1.1 所示。到目前为止，沈矿集团为天津港设计的带式输送机最大输送量达9800t/h；沈矿集团为海螺集团设计的单机最长达

10.3km。向家坝水电站31.1 公里沙石料长距离大运量带式输送系统，由2.5 公里到8.2 公里共5 条带式输送机组成的输送系统。带宽1.2m，带速4.5m/s,输送量3000t/h，带强ST4500。

国外长距离带式输送机的应用。到目前为止，西班牙的西撒哈拉带式输送机线路是世界上最长的长距离输送机线路。该线路长达100km，用来将位于石质高原地区的布·克拉露天矿的磷灰石矿石运往艾汾阿雍海港。此线路于两年半内建成，并于1972 年投入使用，整条线路由长为6.9~11.8km 的11 台输送机组成。输送机采用宽度为1000mm，强度为3150N/mm 的钢绳芯输送带，带速为4.5m/s。输送带的安全系数为6.7~10。澳大利亚恰那矿20km 地面带式输送机系统是代表现代带式输送机发展水平的一条输送线。该输送系统由一条长为10.3km 的平面转弯带式输送机和一条10.1km 的直线长距离带式输送机构成。转弯带式输送机的曲率半径为9km，弧长为4km。两条输送机除线路参数外，其它参数相同，输送能力为2200t/h，带宽1050mm，输送带抗拉强度为3000N/mm，安全系数为5，拉紧装置为重锤拉紧。津巴布韦钢铁公司的15.6km 水平转弯越野带式输送机于1996 年投入使用，是世界上单机最长的带式输送机。输送量为干矿石500t/h(湿矿石600t/h)，系统全长为15.6km，物料提升高度为90m。输送带采用桥石公司的钢绳芯输送带，抗拉强度为888N/mm，运行速度为4.25m/s，输送带的安全系数为5.8，当环境温度为0℃时，安全系数降到5.5，当输送量增加到600t/h 时，输送带安全系数降低到4.8。

1.3 国内外研究现状

随着国内外机械工业水平的不断发展，滚筒的结构、加工、安装等方面发生着日新月异的变化。由于焊接技术的不断发展，焊接强度的可靠性得到保证，虽然多数大型滚筒采用铸焊结构，但焊接结构也有所增加。轮毂和主轴的联结方式也由键槽连接向胀套连接转变。原来的辐板采用加强筋，现在直接用钢板制成。

过去国内外在设计滚筒的各零部件时，常采用基于经典弹性力学理论导出的简单的经验公式。近年来，国内研究人员对于大直径滚筒的设计方法作了多方面的探索。东北工学院于升忠等人于1980 年用有限元半解析法对一合拉力为13.6 吨的双辐板结构滚筒进行了有限元分析。由于分析过程中忽略了输送带与驱动滚筒间摩擦力的作用，因此结果与实际相差较大。因为输送带与滚筒之间的摩擦力是滚筒扭曲变形的重要因素。西安冶金建筑学院的陆鸿生选择新的力学模型，根据圆柱体弯曲的有矩理论，分别推导出传动滚筒和改向滚筒在外载荷作用下壳体内的位移、内力和应力的计算公式，为精确计算提供了理论依据，在一定程度上揭示了筒体直径、两辐板间距和拉力与应力之间的关系。存在的问题是其力学模型条件苛刻，将筒体与辐板分开考虑，这对计算结构准确性有较大的影响。因为辐板的形状、厚度对筒体的应力和变形有不可忽视的影响[4]。

西安交通大学曾经运用SAP5对驱动滚筒做有限元分析，对驱动滚筒的刚度和强度进行了分析并得出:摩擦力是滚筒扭曲变形的重要团素；从应力与变形两个方面说明，辐板的加强筋，在滚筒非临界状态下，对局部变形与筒体应力分布影响不大，只是在临界状态下能提高滚筒的整体稳定性；滚筒的径向最大变形在滚筒中部。通过分析，对筒体厚度进行了优化，达到节省材料的目的。

煤炭科学研究总院上海分院曾经做过强力滚筒的有限元分析，对滚筒各点的受力、变形大小进行分析，通过实验验证了有限元计算滚筒受力的可靠性。西安科技学院刘金依等人采用大型有限元分析软件ANSYS，对英国安德森——梅沃公司顺槽可伸缩带式输送机传动滚筒的应力分布规律进行了计算，得出了应力分布图，并找到危险区域，从理论上对滚筒的常见破坏形式进行了研究，为进一步改进滚筒的受力状况，实现滚筒的标准化生产提供了必要的理论依据[5]。他们对滚

筒的理论研究和试验结果对本课题有十分重要的参考价值和指导意义。随着计算机技术的发展，有限元方法得到了长足的发展，有限元应用也扩展到机械、电子等领域。事实证明对带式输送机滚筒进行有限元分析是十分合理和有效的。

国外从20 世纪60 年代就已经开始对滚筒的设计计算方法、强度分析、合理的结构设计进行研究。关于这方面的研究从总体上分为两类：第一类是Lang、Schmolzi、Das等对滚筒用半解析法进行研究；第二类是Linder、Vodstrsi 、Siva等使用了有限元方法。但绝大多数的研究人员都把滚筒看作各个零件的组合，而不是把滚筒当作一个整体来分析。尽管也有一些有限元法已经把滚筒当成整体来考虑，但迄今为止还没有关于滚筒受到非对称载荷系统的研究。

1.4 结构与种类

带式输送机滚筒有很多种类型，主要有如下几种分类:

1.4.1 按驱动方式分

（1）外驱动式即驱动装置放在传动滚筒外面，减速器直接同传动滚筒轴相连。

（2）内驱动式即将驱动装置全部放在传动滚筒内，此种方式又称为电动滚筒。

1.4.2 按轴承内孔大小分

（1）轻型孔径在50~100mm；轻型滚筒的结构是轴与轮毂之间采用过盈配合（或配单键），辐板与筒体焊接，其中轮毂与轴采用键连接的结构用于传动滚筒。

（2）中型孔径在120~180mm；中型滚筒的结构是轴与轮毂用胀套连接，辐板与筒体焊接。

（3）重型孔径在200~220mm；重型滚筒的结构是轴与轮毂采用胀套连接，这种结构的滚筒是筒体的一部分、辐板、轮毂铸成一体的接盘与筒体的另一部分焊接而成，也就是铸焊滚筒。