基于ANSYS的传动滚筒的有限元分析

第２８卷第４期　２００７年８月　太原科技大学学报　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２００７　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＡＩＹＵＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　文章编号：１６７３—２０５７ｆ２００７）０４—０３０７—０４　基于ＡＮＳＹＳ的传动滚筒的有限元分析　李　峰，崔志远，韩　刚　（太原科技大学，太原０３００２４）　摘要：利用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，建立了带式输送机传动滚筒有限元模型，对传动滚筒的应力分布　规律进行了计算和分析，为进一步研究滚筒的应力状况，实现滚筒的自动化设计提供了理论依据。　关键词：带式输送机；传动滚筒；有限元；ＡＮＳＹＳ　中图分类号：ＴＨ２２２　文献标识码：Ａ　传动滚筒是带式输送机重要传动部件之一。　目前，对于小型滚筒主要采用近似公式进行设计计　算，对于重型滚筒，主要凭经验公式设计、增大安全　度，采取以下简化措施：不考虑胀套连接的接触问　题，滚筒刚性压装在轴上；将一些小的特征如导角、　圆角、键槽等进行了简化；相邻直径尺寸差异不大　的轴统一为一个尺寸；在不计算焊缝应力时，将焊　系数，这就使得设计计算具有较大的盲目性，滚筒　质量较大，但可靠性并没有明显提高，更无法直接　在滚筒的危险点及其应力状态。随着带式输送机　朝着长距离、大运量、高带速的方向发展，对滚筒的　缝联接的零部件视为连续的整体；轴承座对滚筒轴　的约束简化成简支梁形式；将胀套视为一个实心结　构，不考虑内外环之间互相挤压产生的应力，只考　虑胀套　设计也提出越来越高的要求。本文利用ＡＮＳＹＳ软　件建立模型，进行网格划分，对大型带式输送机的　传动滚筒进行有限元分析，找出应力分布规律。为　进一步分析滚筒的应力状况，改进设计方法提供了　有效的帮助。　１建立有限元模型　传动滚筒由筒壳、辐板和轮毂、滚筒轴、胀套等　结构组成，铸焊滚筒轴与轮毂之间采用胀套连接，　这种结构型式的滚筒可承受较大的载荷，且便于安　装和拆卸。在有限元分析软件ＡＮＳＹＳ环境中可以　直接创建有限元模型，也可以在ＣＡＤ系统中创建好　模型再导入到ＡＮＳＹＳ环境中。为了便于编写有限　元分析程序，本文在ＡＮＳＹＳ环境中按照自底向上的　图１　传动滚筒有限元模型　№．１　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄａｌ　ｏｆ　ｂｅｌｔ　ｃｏｎｖｅｙｏｒ￣ｐｕｌｌｅｙ　本例滚筒的几何尺寸：滚筒直径Ｄ＝１　０００　ｍｍ，　滚筒宽度￡＝１　６００　ｍｍ，筒壳厚度ｈ＝２３　ｍｍ，带宽Ｂ　＝１　４００　ｍｍ，许用合力Ｆ＝３００　ＫＮ，许用扭矩Ｔ＝６６　ＫＮ・ｍ．　建模方式，按从点到线，从线到面，从面到体的顺序　建模。创建传动滚筒模型时，为提高计算效率和精　收稿日期：２００６．１２．１２　对上述滚筒结构建立实体模型，采用ｓｏｌｉｄｉ８５　作者简介：李峰（１９５７一），男，讲师，研究方向为工程机械及起重运输机械。　维普资讯 http://www.cqvip.com

太原科技大学学报　２００７焦　单元进行网格划分，得到的有限元模型如图１所示。　时出现静止弧。如果静止弧消失，５＾与５出出现最大　２载荷的确定　传动滚筒除了受到轴端输入的扭矩外，还受其　差值，则全部围包角将进行力的传递。这种情况往　往在带式输送机起动时出现。设输送带在滚筒上围　包角为１８０度，两端输送带的张力差为（Ｓ＾一Ｓ出），这　上的输送带的作用力。根据是欧拉公式：　５≤　出　式中：５　——输送带绕入端张力，Ｎ；　５出——输送带绕出端张力，Ｎ；　——输送带与滚筒间的摩擦系数；　ｅ——自然对数的底数；　——围包角（ｒａｄ）．　由上式可知：输送带张力比值只能小于而不能　大于　，否则将出现打滑现象。　在实践中是指用　以进行力传递的所有围包弧没有被充分利用的情　况。因此要有所谓围包角为　的利用弧。我们从滚　筒的绕出点进行研究：　ＳＡ＝　≤　所需的利用角以弧度计为：　ＩｎＳ人一ｌｎＳａ　—　一　Ｓ＾　．ｓ　图２传动滚筒张力受力示意图　Ｆｉｇ．２　Ｔｅｎｓｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅ　ｐｕｌｌｅｙ　以极坐标表示的输送带沿利用弧的张力图解　是按对数螺旋线分布的（见图２）。对任意角的一　般表达式为：　：　５出　式中：５——围包角内输送带上任意点的张力　围包角的剩余部分为静止弧　．静止弧表示圆　周力的一种储备，用来克服启动时所出现的阻力或　先期未估计到的阻力，或者用来防止摩擦系数降低　时所出现的输送带打滑等。一般在输送机稳定运行　个差值产生的扭矩等于滚筒轴上作用的扭矩。在利　用弧内，输送带和滚筒之间存在摩擦力，输送带张　力由日点到Ｃ点逐渐增大。　在静止弧　内输送带张力是恒定的，输送带运　行速度与滚筒的圆周速度是相符的，在该弧段内输　送带与滚筒间没有滑动。即从Ｃ点到Ａ点输送带张　力是恒定的。为了更好的校核滚筒的强度，此处假　设滚筒满负荷运转，即滚筒上输送带张力不存在静　止弧，整个围包角范围内都存在摩擦力，即Ｓ＾＝Ｓ出　。滚筒在轴向所受的力简化成均布的载荷，滚筒　的结构支座已对中，不出现负荷集中现象。由滚筒　单位表面的正压力计算公式：　Ｐ＝　式中：Ｐ——滚筒表面计算压力，Ｎ；　Ｒ——滚筒半径，ｍｍ；　日——输送带带宽，ｍｍ．　所以任一点输送带表面压力为：　Ｐ　志５＝５出ｅＵ￣／Ｒ日　滚筒单位表面所受的摩擦力为：　ｆ＝ｔｘＰ＝　５出ｅＵ￣／ＲＢ　式中：．产＿＿滚筒单位表面所受的摩擦力。　滚筒表面张力大小变化满足指数函数变化规　律。但由于加载荷时，ＡＮＳＹＳ没有提供指数函数变　化规律载荷，此时通过ＡＰＤＬ语言编写指数函数变　化载荷，通过定义数组把载荷加在有限元模型上。　加载后的效果图如图３和图４所示。　ＥＬＥＭＥ　ＮＴＳ　ｓＥＰ　■■■■■目●■自　■■　■■■■■●■■■■目目８静　６３２６３　６８９５８　７４６５３　８０３４８　８６０４２　６６１　１　１　７１８０５　７７５００　８３１９５　８８８９０　图３滚筒加载后径向图　Ｆｉｇ．３　Ｒａｄｉａｌ　ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｌｏａｄｅｄ　ｄｒｉｖｅ　ｐｕｌｌｅｙ　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第４期　李峰，等：基于ＡＮＳＹＳ的传动滚筒的有限元分析　秘　ＥＬＥＭＥＮＴＳ　ＳＥＰ　８　２００６　１０：００：１　１　Ｘ　６８９５８７４６　６¨１７１∞５７５【Ｈ『　３１　２８８８９ｏ　图４滚筒整体载荷图　Ｈｇ，．４　Ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｌｏａｄｅｄ　ｄｒｉｖｅ　ｐｕｌｌｅｙ　３约束的确定　有限元模型加载之后，必须先设置边界条件，　才能进行计算，即限制边界节点的自由度（ＤＯＦ）。　节点的自由度数量取决于单元类型，每个节点最多　有六个自由度，沿　、ｙ、ｚ方向的平动和沿　、ｙ、ｚ方　向的转动。滚筒模型约束主要是对滚筒轴与轴承连　接处的约束。此处限制　、ｙ方向的平动和转动，限制　ｚ方向的平动。　４计算结果与分析　有限元的求解实质上是求解用有限元方法建　立的方程组。本文利用ＡＮＳＹＳ中的求解器计算滚　筒的有限元方程组。ＡＮＳＹＳ得到的结果分为基本　解和派生解，基本解就是节点的自由度解，派生解　为单元的求解结果。　求解完成后，即可进入后处理阶段，本文利用　ＡＮＳＹＳ中进行结构刚度强度分析用的后处理模块　是通用后处理器（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｐｏｓｔｐｒｏｃ）。它能够列出单　元节点的位移、应力分量、主应力等，也可以用向量　或等值线的方式显示位移和应力。这些功能可以　清晰的描述应力在整个模型中的分布状况，以快速　确定模型中的“危险区域”。得到的应力变形规律　见图５。从图中我们可以看出，传动滚筒的最大位　移出现坐标为（２８１．６４，３８４．９８，１４６１．９３）的点上，　即在滚筒壳中心部位靠近驱动端的滚筒外表面，最　大值为０．０６　ｍｍ．　从传动滚滚应力分布图（图６）中可以看出，传　动滚筒的应力主要集中在轴与轴承接触的轴肩处、　胀套与轮毂连接处、轮毂与辐板连接处以及滚筒表　面。最大等效应力在点（１２８．０７，２２．３０３，７９０．７２）　上，即轴与轴承连接内侧，最大等效应力为：　…　ｉ　＝２４．８ＭＰａ．　Ｓ—ＯＬＵＴ　ＩＯ—Ｎ…　一…　一　一　。。＾　ｓＴＥＩ　ｓＥＰ８２（】（）６　ＳＵＢ　＝Ｉ１２１８：０７ＴＪＭＥ＝Ｉ　ＳＥＯＶｆＡＶＧ１　ＰＳＹＳ＝０　ＤＭＸ＝１２４６４８　ＳＭＮ￣．０６４５Ｉ７　ＳＭＸ＝．６６０Ｅ—０３　－０６４５１７．－１）５∞３４　一ｎ３５５５　一＂．０２１０６６　—０３６５８２　－Ｄ５７２７５－．０４２７９２－￣）２８３０８—Ｏ１３８２４　６６（ＪＥ＿０３　图５滚筒变形效果图　Ｈｇ．５　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅ　ｐｕｌｌｅｙ　石Ｘ　ｊ　面丽　一　…　一……　…。。　。’。。　。ｌ　镭　ＳＴＥＰ＝Ｉ　ＳＥＰ　８　２００６　ＳＵＢ＝Ｉ　ｌ２：１＆０７　ＴＩＭＥ　Ｉ　图６滚筒的等效应力分布图　Ｈｇ．６　Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅ　ｐｕｌｌｅｙ　根据强度理论：　Ⅵｍ　ｉｓｅ　≤［　］　式中：　…ｉ　——最大米塞斯等效应力；　［　］——材料许用应力，传动滚筒轴（采用４５　号钢调质处理）的［　］＝６０ＭＰａ．．　显然，传动滚筒轴符合强度要求，整个传动滚　筒也能够满足强度要求。但是，强度裕度较大，而且　变形量很小，由此可见，凭借近似公式或经验公式　进行传动滚筒设计时，安全系数取的较大，应当进　行优化修改，以达到既满足强度要求又节省材料的　目的　５　结论　（１）通过对传动滚筒的有限元分析，可以清楚　的得出应力分布规律，为进一步优化滚筒结构提供　了理论依据。　（２）虽然最大应力没有出现在滚筒外壳上，但　由于该区域存在焊缝，而焊缝的质量直接影响滚筒　的使用寿命，所以传动滚筒的制造要符合较为严格　维普资讯 http://www.cqvip.com

３ｌ０　太原科技大学学报　２００７年　的加工技术条件，严格控制焊缝的质量。　筋的方式保证滚筒强度和减小滚筒变形。　（３）从滚筒的变形图上可以看出，滚筒的变形　（４）由于计算条件的限制，本文只考虑了先行　量很小，滚筒的轴和滚筒壳以及辐板等处的强度大　分析和静力分析，对于轴与胀套以及胀套与轮毂间　大超过要求，从而可以考虑对滚筒结构尺寸进行优　可以进行非线性分析，此外还应该考虑动力学分　化，以适当减轻滚筒的质量，也可以通过增加加强　析，以达到更加精确的计算结果。　参考文献：　［１］洪致育，林良明．连续运输机［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８２．　［２］龚曙光．ＡＮＳＹＳ操作命令与参数化编程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３．　［３］　白金田．基于ＡＮＳＹＳ的带式输送机滚筒设计方法的研究［Ｄ］．沈阳：东北大学，２００３．　［４］　王亮．带式输送机滚筒有限元分析与滚筒参数化绘图系统的研究与开发［Ｄ］．安徽：安徽理工大学，２００３　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　Ｂｅｌｔ　Ｃｏｎｖｅｙｏｒ￣Ｐｕｌｌｅｙ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｎｓｙｓ　ＬＩ　Ｆｅｎｇ，ＣＵＩ　Ｚｈｉ－ｙｕａｎ，ＨＡＮ　Ｇａｎｇ　（Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＮＳＹＳ，ａ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄａｌ　ｏｆ　ｂｅｌｔ　ｃｏｎｖｅｙｏｒ￣ｐｕｌｌｅｙ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｕｌｌｅｙ　ｉｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｗｏｒｋ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ａｕｔｏ—　ｍａｒｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｐｕｌｌｅｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｅｈ　ｃｏｎｖｅｙｏｒ，ｐｕｌｌｅｙ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ＡＮＳＹＳ