带式输送机传动滚筒的设计

带式输送机传动滚筒的设计

带式输送机是现代最主要的散状物料输送设备之一。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。

本文主要包括以下几方面内容：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。其次，滚筒采用实体单元，为了提高运算速度和精度，采用映射网格划分方式；分析并确定滚筒载荷；结果后处理对滚筒的各个部件的应力和应变进行分析。

本文关于带式输送机滚筒的设计计算方法具有一定的实用价值和指导意义，可以大大提高滚筒的设计质量，缩短设计的周期。

第一章绪论

1.1 概述

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。

1.2 传动滚筒的研究目的和意义

为了适应高产高效集约化生产的需要,带式输送机的输送能力要加大,带式

输送机大型化与高可靠性要求,对设计者和制造者提出了更高的要求，只有解决了带式输送机发展的关键技术,才能制造出高性能、高可靠性的大型带式输送机。作为带式输送机重要传动部件的滚筒，能否安全稳定的运行，在整个输送系统中处于举足轻重的地位。滚筒的失效会给人身安全和整个系统带来严重的后果，使企业遭受巨大的经济损失。特别是在复杂恶劣的工矿下，如何改进滚筒结构、提高工效、延长寿命，一直是科研人员所关注的课题。目前，在国内对于中小型滚

筒一般采用近似公式进行设计计算，对于重型滚筒近似公式已不再适用，这就使得设计计算具有较大的盲目性。这样设计出来的滚筒和工程实际有一定的差距，它的安全性和可靠性难以保证。一旦发现问题，通常是采用增大尺寸的方法来解决，但是这样做并没有解决实际性的问题。不但浪费材料增加成本，还不能达到预期的目的，随着带式输送机的大型化，合理的设计制造出大型滚筒已成为带式输送机的关键问题。目前，我国设计的滚筒尽管可以满足生产需求，但是由于缺乏研究，相同规格的滚筒与国外相比多消耗材料，使产品缺乏竞争力。

选择该课题的目的就在于对大型滚筒进行力学分析及设计，找到合理的设计计算方法，使滚筒的设计更加简洁方便。对滚筒进行有限元分析，从而为设计计算提供有力的参考。

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 [6][7]等对滚筒用半解析法进行研究；第二类是Linder、Vodstrsi、Siva [8][9]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 本文研究的主要内容

本文基于目前大型滚筒的设计研究方法比较落后的现状，对传动滚筒进行力学分析及设计。主要包括以下几个方面的内容：

（1）传动滚筒的力学分析主要分析了传动滚筒的受力状况，传动滚筒除受轴端输入的扭矩外还受到输送带的作用力，得出了传动滚筒表面载荷沿轴向和周向的分布规律。

（2）传动滚筒的结构设计根据研究的侧重点不同对传动滚筒进行分类。对比了国内外各种结构传动滚筒的设计方法，总结出了关于筒体、辐板、轮毂及滚筒轴的详细结构设计方法。

（3）传动滚筒的参数化建模和有限元分析分别绘制出了各零部件的应力和变形曲线，为进一步改善滚筒结构提供了理论依据。

第二章带式输送机传动滚筒的结构

及受力分析

滚筒是带式输送机的重要部件，按在输送机中所起的作用滚筒可分为传动滚筒和改向滚筒两大类。传动滚筒的作用是将驱动装置提供的扭矩传到输送带上。改向滚筒包括用于输送机端部改向的改向滚筒、增加传动滚筒包角的增面滚筒和用于拉紧装置的拉紧滚筒。铸焊结构滚筒由滚筒轴、轴承座、接盘（轮毂、辐板以及筒体一部分铸造在一起）、筒体等部件组成，有的滚筒还有轮毂和滚筒轴的连接件、轮毂和辐板的连接件。一般地，传动滚筒的表面覆盖有橡胶或镶有陶瓷以增大传动滚筒与输送带间的摩擦系数。

滚筒轴承一般用球面调心滚子轴承。

（a）焊接结构滚筒（b）铸焊结构滚筒

图2.1 传动滚筒典型结构图

2.1 结构与种类

带式输送机滚筒有很多种类型[10]，主要有如下几种分类:

2.1.1 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。

2.1.2 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。