重型传动滚筒的有限元分析

陈万宁 汤敏超 张亮有

作为带式输送机的主要部件之一，传动滚筒的设计往往使用经验公式法，采用较高的安全系数来保证滚筒的可靠性，这种方法的缺点是造成滚筒结构尺寸过大，质量增大，成本大大增加。本文利用Ansys 软件对滚筒装配体模型进行分析，找出应力应变分布规律，对应力应变云图进行分析，方便对滚筒进行优化。

1 滚筒装配体三维建模传动滚筒由滚筒壳、辐板和轮毂、轴套、滚筒轴4部分构成，按照其承载能力分为轻型滚筒、中型滚筒、重型滚筒三类，按照滚筒表面构造又可分为光面滚筒和陶瓷滚筒等，根据功能又可分为传动滚筒、改向滚筒、增面滚筒和卸料滚筒。本文的滚筒类型为重型传动滚筒，辐板和轮毂铸焊成一体，滚筒轴和轮毂之间使用胀套连接，可以承受更大的载荷，而且拆装方便。滚筒装配体建模的方式有两种，一种是在三维软件中创建好模型然后通过Ansys 和三维软件的接口导入Ansys 软件中；另一种是在Ansys 中直接建模。本文采用后一种建模方式，在Ansys 软件中自底向上分别对滚筒轴、胀套、辐板和轮毂、滚筒壳等进行建模，见图1。为了提高计算率和精度，在建立模型时进行了以下简化处理：1）将胀套看成一个统一的实心体，不考虑内部结构；2）各零部件的倒角、圆角等一些小特征忽略不计；3）将轴承座对滚筒轴的约束简化为简支梁形式；4）略去次要部件，如轴承座、胀套预紧使用的螺钉、螺孔等。

图1 传动滚筒三维模型

传动滚筒主要参数：滚筒直径D=1 250 mm，输送带宽B =1 800 mm， 滚筒长度L =2 000mm， 筒体厚度t =25 mm，轴长为3 000 mm，胀套处轴径为400mm，轴承处轴径为360 mm，胀套类型和尺寸为ZT9300×375，围包角为210°。

2 滚筒有限元模型和定义接触对对滚筒实体模型进行网格划分，不同的零件赋予不同的单元类型和单元属性，同时对不同的零件进行不同的网格划分，本文中先使用Mesh 200 对轴的面进行智能网格划分，然后使用Solid 185 单元进行旋转，即可得到轴的网格划分。对其他部分均采用扫略网格划分，但网格划分的单元数目设置不同。由于轴是主要受力部件，所以网格的划分比较细。网格划分完后，对轴和胀套、胀套和轮毂建立接触对。轴和胀套、胀套和轮毂的分析属于非线性分析，本文将这部分考虑在内，以便得出更可靠的结果。滚筒的有限元模型见图2，滚筒轴和胀套建立的接触对见图3。胀套和轮毂的接触对有限元分析类似。

图2 传动滚筒有限元模型

图3 滚筒轴和胀套建立的接触对

3 施加约束在划分完网格后，对有限元模型施加载荷，必须先设置约束，有限元中的载荷包括边界约束、位移约束和力约束。一般将载荷分为6 类：自由度约束、力载荷、表面载荷、体积载荷、惯性力和耦合场载荷。本文在轴承处施加约束，限制轴的轴向（Z 轴）和径向（X 轴）的移动自由度，同时轴还受到联轴器的限制，要设置传动滚筒轴扭矩输入端绕轴线转动的自由度。

4 载荷的确定驱动滚筒的受力分析见图4，驱动滚筒是传递动力的主要部件，为了传递必要的牵引力，输送带和滚筒之间必须有足够的摩擦力。根据欧拉公式S 入≤S 出eμα

式中：S 入为输送带绕入端张力，S 出为输送带绕出端张力，e 为自然对数的底数，μ 为输送带与滚筒间的摩擦因数。在欧拉公式中S 入/S 出的比值要小于等于eμα。小于是指围包角没有被全部利用的情况，因此，要有围包角的利用弧α N。

图4 驱动滚筒的受力分析

利用弧表示欧拉公式

以极坐标表示的输送带沿弧的张力图解是按螺旋对数的，见如图5。对任意的φ ＜α N 一般表达式为

静止弧表示圆周力的一种储备，用来克服起动时出现的阻力和未估计到的阻力。所以也可以把它看做是一种安全系数。一般出现静止弧的情况是在输送机稳定时。如果S 入和S 出出现最大值，静止弧消失，则全部的围包角用于动力传递，此时S 入= S 出eμα。根据摩擦驱动理论，滚筒的绕入端与绕出端遵循欧拉公式，滚筒的围包角为230°，静止弧为30°，利用弧为200°。在静止弧内，输送带与滚筒之间没有滑动，而存在着静摩擦。而利用弧的情况则完全不同，在该弧段滚筒受力由绕出端向绕入端符合欧拉公式并逐渐增大，即输送带张力在滚筒表面沿周向是变化的，符合欧拉公式。同时还受与滚筒表面相切的摩擦力，这部分用表面单元来模拟。根据理论分析，在轴向滚筒表面的力不是恒定的，而是呈半正弦函数分布。为了简化计算，文中假定沿轴向滚筒受的力是恒定的, 这样做对结果影响不大。

图5 施加载荷

5 求解及后处理分析传动滚筒的受力状况做完前面一系列工作后，在Ansys 的求解和后处理模块对滚筒进行求解和后处理，得出筒壳的应力分布图和筒壳的变形图见图6、图7，理论上传动滚筒在受到输送带的作用力后，主要受力部分是轴和轴承、胀套和轮毂以及辐板与滚筒内壁的接触部分。Ansys 的求解，可以列出单元节点的应力分量、主应力、位移等，也可以用其他方式来显示位移和应力，这些能从整体上描述传动滚筒模型的分布状况，并确定哪个部分受力最大，哪个部分最危险。

图6 应力云图

图7 应变云图

本文对重型传动滚筒的分析考虑了滚筒轴和胀套建立的非线性分析以及轮毂和胀套的非线性分析，通过对应力变形云图的分析，可以看出最大的位移坐标为（300.86，412.89，1 688.91），它出现在传动滚筒壳中间部位。最大值为0.342 3，从传动滚筒的应力分布图可以看出，滚筒的实际受力和理论分析的受力相差无几，即都出现在轴和轴承接触处，坐标为（136.08, 25.430，880.72），最大应力为43.23 MPa。根据强度理论，轴采用45 号钢，调质处理后许用强度可达到65 MPa。传动滚筒符合强度要求，轴的许用强度远远大于轴的实际应力，故还有很大优化空间。

6 结论1）利用Ansys 软件更好地判断传动滚筒的受力状况，从变形图和应力图中查看结果，更好地为优化提供依据。2）分析了滚筒的变形图和应力分布图，得出滚筒的实际受力和变形情况，滚筒变形小，强度远小于轴的实际承受强度，可知还可以对滚筒的尺寸和质量进行优化。3）本文在建模时进行了简化处理，实际的滚筒受力情况可能更加复杂，由于条件有限，未能对实际的滚筒进行建模分析。

你造吗？皮带输送机的这些故障竟然都是滚筒“惹的祸”

在皮带输送机中，滚筒是传递动力的主要部件。带式输送机的工作原理为靠电机驱动滚筒通过皮带之间的摩擦力带动输送带运行，滚筒按其作用一般划分为传动滚筒和改向滚筒两大类。

滚筒设计、加工制造缺陷造成带式输送机整机不能正常运转的形式主要有：皮带跑偏、带面打滑、振动、噪音这几种。

皮带跑偏原因及危害

带式输送机运行时皮带跑偏是常见故障，理论上滚筒及托辊的回转中心必须与输送带的纵向中心成直角接触，而且滚筒及托辊必须具有以皮带中心线为对称的直径。但实际加工中就会出现各种误差，由于中心不重合或皮带本身在接带过程中产生偏差，运行时皮带与滚筒及托辊的接触条件就发生了变化，皮带跑偏不仅会影响生产，损坏皮带，还会增加整机运行阻力，主要涉及滚筒的原因有以下几点：

关于输送带跑偏的文章请点击：皮带输送机经常跑偏影响生产？15种调整方法全在这儿了

皮带打滑的原因及危害

皮带运行依靠的是驱动电机带动传动滚筒，传动滚筒依靠其与输送带之间的摩擦力带动皮带运行，皮带是否顺利运行对带式输送机的机械性、效力及寿命有极大的影响，皮带打滑，可能造成带式输送机无法正常工作，主要涉及滚筒的原因有以下几点：

带式输送机振动的原因及危害

带式输送机运行时其上的滚筒以及托辊组等大量转动体，运转时会产生振动，会导致结构的疲劳破坏，设备松动、失效，产生噪音，对整机的平稳运行、运行阻力及安全性产生巨大的影响，主要涉及滚筒的原因有以下几点：

带式输送机噪音的原因及危害

带式输送机运行时其驱动装置、滚筒及托辊组在不正常工作时会发出较大噪音，噪音对人体健康产生危害，严重影响工作质量降低工作效率，甚至造成工伤事故，主要涉及滚筒的原因有以下几点：

滚筒加工质量的注意事项

以上四类危害的产生都和滚筒加工质量的好坏息息相关，每一个工序步骤都有相应的注意事项，如果忽视必将对滚筒的质量产生影响。以典型的带式输送机中的传动滚筒为例，其主要部件有筒皮、铸造接盘、轴、胀套、轴承、轴承座、压盖和密封等。其中，筒皮、铸造接盘、轴承座和轴、压盖是机械加工件，轴、轴承、胀套和密封件则是外购的标准件。

滚筒加工主要涉及到的是筒体的加工，轴、轴承座、螺栓等都是外购件。筒体加工步骤有：卷制、焊接、车外圆、镗内孔、装配。

卷制筒皮的注意事项

卷制时必须确保辊杠与钢板的侧边垂直，防止产生错边现象。卷制过程中以筒体内圆为基准，将加工余量留在筒体外圆，可以防止车削后筒体壁厚不符合要求。卷制时使用圆弧样板检查精度，不能出现大于1mm的间隙，整体直径偏差不大于±2mm，超差时需要进行校圆，并考虑防止直缝焊接时的凹陷现象。

接盘的加工注意事项

滚筒接盘是铸钢件，在铸造的过程中内部组织的疏松，气孔、砂眼的存在，都会影响到滚筒的平衡。铸钢件要达到以下标准：

(1)重要部位不允许有影响强度的砂眼和气孔。次要部位上砂眼、气孔的总面积不允许超过缺陷所在面积的5%，每个铸件上的缺陷不得超过3处。

(2)不允许存在长度大于3倍宽度的线状缺陷。

(3)单个点状缺陷不得大于Φ6mm。

(4)两个相邻点状缺陷的间距大于其中较大缺陷尺寸时，按单个缺陷分开计算，间距小于其中较大缺陷尺寸时，两个缺陷合并计算，其缺陷当量总和不得大于Φ6mm。

筒体和接盘对接、焊接注意事项

为保证筒体和接盘对接后焊接的精度，在加工焊接坡口时增加一个筒体内定位止口加工步骤，首先在立车上以筒体外圆作为粗基准找正后加工筒皮两侧内定位止口和焊接坡口，工艺要求内定位止口加工余量为2mm，如果校圆没有达到要求，加工定位止口时就会发现有的部位没有车到，这样就既可以校验筒体卷制的质量，也可以保证筒体和接盘的同轴度。有了前面定位止口就可以保证筒体与接盘的同轴度，减少了加工难度。

焊接首先打底焊，打底焊应该先清理打磨工件，打底焊采用单面焊双面成形的方式，打底焊采用手工实芯焊丝CO2气体保护焊，焊接时手要左右连续摆动，使母材与焊剂充分熔合。打底焊后，检查焊缝表面质量，确定无气孔、夹渣等焊接缺陷后，进行埋弧焊。焊接时要覆盖三分之一的上一道焊缝，使母材与焊敷充分熔合，焊接后要对其焊缝进行超声波探伤检测，确保焊接质量。

筒体车外圆注意事项

因为筒体与接盘在焊接过程中存在一定的焊接变形，故将普遍使用的镗内孔再车外圆的工序前增加一个粗车外圆的步骤，通过互为基准原则来提高滚筒外圆和内孔的加工质量。粗加工时，为保证外圆和内孔的精度，同时考虑接盘为粗加工件，已经有一定的精度，故筒体外圆加工首先以筒体内孔作为找正基准，同时为了保证加工质量，使用双顶尖顶住内孔对筒体进行粗加工，避免反转筒体二次加工。当筒体完成粗加工后，配合V型铁定位筒体，在镗杆上装卡百分表以筒体外圆为基准进行找正，及时修正内孔中心，确保内孔圆心和筒体外圆同心。一端加工完，直接旋转工作台，不进行掉头，以此确保两端内孔同轴。

最后再以加工过的内孔为基准，使用双顶尖顶住内孔对筒体进行外圆精加工，这样通过两次互为基准的加工和找正，确保了筒体各尺寸的加工精度。

滚筒的装配注意事项

滚筒装配时，必须清理个配件内的杂质，保证无污染杂物。 轴与筒体之间采用胀套联接，把胀套穿到轴上，用铜锤轻敲胀套到位，使接触面与胀套位贴合，将螺栓均匀地轻度旋入，用扭矩扳手对称拧紧螺栓，保证轴和简体之间足够的张紧力。轴承与轴、轴承座与轴承的安装采用过盈配合，为保证安装质量，使用热装工艺，使用铜棒辅助安装到位。轴承和轴承座腔中填充空隙的2/3锂基润滑脂，保证轴承运转时得到良好的润滑。然后将密封圈使用工装压至压盖上，不能用手锤等工具砸，以防止变形失效。

滚筒是带式输送机的主要传动和受力部件，滚筒的质量直接影响输送机的运输能力与使用寿命。只有做好质量过程管控，才能制造出高质量的滚筒，保证带式输送机的安全平稳运行。

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