改向滾筒結構優化設計

摘 要：隨著經濟的迅速發展，我國科學技術水平在近年來也有顯著提高，尤其在機械化水平上最為顯著，這給滾筒結構、加工工藝及裝配工藝帶來了巨大的變化。當今社會焊接技術在不斷發展，焊接強度變得穩定可靠，在滾筒設計過程中，越來越多的設計師們注意到焊接結構的作用，替換原有的鑄造結構。采用脹套連接方式替換掉鏈槽連接細部結構部分。在加工技術方面，原有的加強肋板也被輻板代替。就當前發展形勢來看，由剛性向柔性的設計理念已逐漸滲透到滾筒設計當中，并逐步成型且不斷發展。

關鍵詞：滾筒；結構；設計

1 滾筒結構設計中傳統結構設計方法與存在的缺點

用傳統的結構方法進行設計時，首先要根據以往的設計經驗及判斷來確定滾筒的結構形式，一般指結構布置、材料的選擇、制定尺寸及制定相應工藝；其次是全面分析其結構；最后在滾筒成品生產完成之后才可以進行校對工作，一般都是通過力學模型來檢測其強度是否符合規定條件，并對一些參數進行適當修訂。由此可以得出結論：在傳統設計理念中，缺乏合理的更新，只將結構分析視為校對及檢驗的工具。

由此可以分析傳統設計中存在的缺陷是：（1）在有限的校對過程中，單次校對時間長，難度高，工作量大等問題，直接給設計人員帶來困難；（2）材料分布情況不能得到有效合理的數據分析結果，對于提出理想的經濟適用的方案有很大難度；（3）大量的精力都投入到初始設計方案當中，因此如果原則性問題出現在初始方案中，就會給整個設計帶來不良影響，從而無法保證正確性，在年輕的設計師中，缺乏經驗，壓力又大。

2 滾筒結構設計優化現狀

利用數學思想中的函數編程求解是滾筒結構設計得到優化的一個重要方式。利用數學思想，將數學模型運用到相應的結構轉化當中，然后同樣設置參數及目標函數，并且將約束條件抽離出來，進而可以將位置數值確定下來。通過此法得到的參數值可以達到使用條件標準，對細部尺寸進行參數化，進一步通過三維軟件進行討論，理論上可以實現最終目的，即優化滾筒結構設計。

雖然當前已經經歷過很多的實驗，然而，滾筒設計仍然不能在參數上給出最優化的一系列參數，在設計的過程中，設計人員僅僅改進了單一的零部件結構，以及研究其在整體結構中起到的作用及造成的影響。截至目前為止，仍然沒有一套完整的參考設計方法可以應用到帶式輸送機整體參數的系統設計，優化所有零部件，特別是優化設計細部參數部分，裝配方式組成的滾筒結構模式，有利于展開理論分析及參數驗證整體結構，進而可以對所有參數組合進行最優的設計。考慮到整體結構的效果，設計員們都將思路集中到優化思想上，在滾筒設計研究課題中，這種思想極具突破性，值得人們關注并實踐。

3 改向滾筒的優化設計

在滾筒設計優化的過程中，是徹底的將滾筒功能加以應用，仍然利用托輥為原型，利用托輥運動原理將滾筒設計為軸承內置形式[1，2]，在進行設計的過程中，主要思考方向是對結構的設計，對受力的分析，同時進行理論驗證；在結構設計方面，主體內容是在產品的結構中應用到軸承內置理論，目的是實現突破改向滾筒的設計結構；然后利用對受力程度的分析來檢驗優化設計滾筒結構的功能是否可以在實際中應用，是否具有穩定的結構，同時能夠實現同等運力的產品結構參數，因此此項工作急需解決；接下來理論驗證就要通過全面比較軸承外置式和軸承內置式兩種滾筒得出結論：改向滾筒的設計理念具有一定的優越性，同時還要找出這種理念下存在的問題及不完美的地方。綜合所有信息對改向滾筒設計進行整體的評價[3]。

帶式輸送機在進行常規作業時，改向滾筒在整個運行過程中擔負著端部變更運輸方向的角色和增加輸送帶在傳動滾筒上的包角， 同時利用改向滾筒拉緊裝置從而達到張緊效果，實現其作用。在這三種功能作用不同的情況下，人們之所以稱其為改向滾筒，是由于改向的功能體現在不同位置上，同時滿足改向滾筒的受力分析，其承擔的壓力及摩擦力僅來自其上部的張緊力，并且不會受到來自主動力方向力的作用。出于對以上兩點的考慮，在輪轂和軸中間放置軸承，避免軸隨整個滾筒一起轉動，此方法既可以實現改向滾筒的作用，還起到固定軸的作用，有利于實現整體滾筒的定位及受力強度的平衡[4]。

結合以往常用軸承外置式滾筒結構，以及基于創新的想法，現在所設計的軸承內置式改向滾筒新結構由軸座、軸、筒皮、接盤、軸承、透蓋、密封圈Ⅰ和密封圈Ⅱ構成，結構示意圖如圖1：

圖1 新型改向滾筒結構示意圖

設計軸承座時，借鑒聯軸器的連接方式，在兩端軸座與軸之間采用鍵連接，接盤由輻板和輪轂兩部分結構通過焊接技術使之成為一體結構，接盤與筒皮的連接方式則采用現如今比較可靠的埋弧焊接方式焊接而成，新設計結構中接盤與透蓋通過螺栓連接，接盤與軸承采用過盈配合，軸承與軸也是采用過盈配合，配合尺寸滿足接盤的內徑比軸的外徑大，透蓋的內徑比軸的外徑大，而軸承則設計于接盤的內部，透蓋的主要任務是用來保證內部軸承的干凈不被污染，為了防止雜質等進入軸承，保障軸承的壽命，密封的作用則尤為重要，所以結構設計時設置了兩個密封圈，（如圖2）密封圈Ⅰ設在接盤與軸之間，密封圈Ⅱ設在透蓋與軸之間。

圖2 新型改向滾筒局部示意圖

由上述本實用新型的技術方案可以看出，文章所述的新型改向滾筒，在結構上突破了傳統軸承外置式改向滾筒的結構，使得結構設計簡易合理，同時在生產以及現場應用上更為簡便，對提高產量以及現場安裝應用測試等操作提供了極大地空間和便利。新型改向滾筒的受力分析[5]：改向滾筒受力為：輸送帶所受的張緊力引起的對改向滾筒的壓力P和兩者之間的摩擦力Ff。兩種滾筒受力相比，新型改向滾筒比傳統滾筒少受到一個主動力矩的作用。

在傳統滾筒進行受力分析的過程中可以得知，筒皮中點被視為筒皮的危險處，同時在輪轂輻板附近位置有較大的應力，無論從現場使用情況還是從經驗方面，能夠滿足輻板附近位置的筒皮強度即可，根據現場真實狀態來選擇型號，并且仔細確認參數，接下來即可利用有限元分析軟件展開模擬滾筒的現場操作。

在進行滾筒設計的過程中，設計員們就全面注意滾筒性能方面的穩定可靠，滾筒運行過程中保證筒體運轉，同時保證軸不轉，在任何情況下，都要保證筒體、軸、軸承及軸承座可以在同一圓心下運行。載負力始終由兩個軸承均勻受載。相較于傳統通用的改向滾筒兩邊的軸承和軸承座，都設置在滾筒體兩側外面的軸端處，筒體通過軸和軸承以及軸承座與輸送機的鋼架相連接有更大的優越性。傳統的軸承外置式改向滾筒，在運轉時筒體和軸一起轉動，對軸承座的安裝定位，正確性要求很高，稍不注意，就容易出現偏心，使得軸和軸承，軸承座三者不在同一個圓心上，軸承上受力就容易偏離軸承的中心線，增加了軸承的旋轉阻力，容易造成軸承的局部磨損加速導致軸承的損壞。另一個細節就是為了糾正皮帶跑偏現象不得不改變改向滾筒原有的定位點，容易使得軸承受力點偏移，造成軸承損壞。經過改進后的滾筒結構，不論在何種工況下，軸，軸承，軸承座都在同一個圓心上運轉，減少了旋轉阻力，降低了材料消耗和制造成本，降低運轉時的能量消耗，延長了軸承的運轉壽命，保持了良好的運轉性能，安全可靠性高。

參考文獻

[1]張亮有，董萌.帶式輸送機驅動滾筒非標準化設計[J].山西科技，2007（3）：123-124.

[2]李克信，平建明，劉曙輝，等.帶式輸送機換向滾筒結構分析與改進[J].中州煤炭，1999（5）：31-32.

[3]Callaghan.Advances in the design of mechanical conveyors[J].Bulk Solids Handling，1994（2）：255-281.

[4]陳志杰.可調式內軸承改向滾筒[P].中國專利：92215888.6，1993.

[5]楊好志，馬魁文.帶式輸送機全焊改向滾筒強度分析[J].起重運輸機械，2007（7）：65-67.