皮帶機托輥受力的有限元計算

李妙紅　王英娜

摘 要：帶式輸送機是當今社會應用最廣泛的輸送設備之一，被廣泛應用于水電站、煤炭等領域。而托輥又是帶式輸送機最主要的承載部件，其數量相當多，且承受著絕大部分的載荷。因此，托輥在帶式輸送機中的地位顯得尤其重要。

關鍵詞：托輥；結構改進；有限元法；優化設計

中圖分類號：TM621.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）23-0063-02

因為現代科技的發展和將來對煤的需求將增大，煤礦的產量就要相應的提高，那么，帶式輸送機的輸送量要提升。如果將帶式輸送機的輸送量提高，而不改變帶寬，那么就得提高托輥的承受力。在1 000 N或750 N或522.34 N或250 N不同情況下來對托輥受力進行有限元的計算及對托輥受力進行分析，促使對托輥受力相對應的應力或應變有更直觀的認識。

1 有限元計算的模型

實際生產活動中，托輥載荷分為兩種：一種為動載荷，另一種為靜載荷。現今托輥載荷運算還存在著缺陷，其載荷的運行規則還不能被認知。物料或輸送帶的正壓力是托輥靜載荷的主要考量對象。帶式輸送機存在著平行托輥及V型托輥安裝位置的兩種方式。托輥方式中受力排行第一的是平行托輥，運用于物料的傳送或物料的承載。在運行過程中，因為力的平衡原理，托輥的壓力主要產生在皮帶及承受的物料。其壓力的受力方向和托輥的橫截面呈直角，視覺來講可為正壓力。托輥因為長期的正壓力，會讓托輥及輸送帶進行摩擦并會有相當程度的磨損，或者正壓力的作用將托輥變形，并趨于程度增大，致使動載荷及振動的產生，影響其運行的平穩性，并致使效率變小。綜上所述，托輥的設計要能夠承受一定的強度，同時能承受一定的剛度。

筆者采用平行托輥中間受力最大來研究試驗來核算，其軸承來制約托輥的兩側，那么其能夠通過物料及輸送帶形成F=522 N的正壓力。忽略托輥圓周運動時摩擦力而形成的扭矩，因其扭矩非常微小，不會影響系統的靜力分析。對于相當于522 N的靜態工作載荷下的位移及應力通過有限元分析軟件ANSYS來分析，對應出金屬托輥及尼龍托輥在力學上表現出的不同性能。想要更快的找到其最為重要的影響因素，簡化了在有限元模型，并對其進行虛擬：①擬定不管是尼龍還是鑄鐵的托輥在連續、均勻及向同性，沒有任何的缺陷。②擬定托輥沒有任何的壓力來讓其變形或有彈性。③擬定托輥因為兩端的軸并其軸結構嚴密，同時有軸的支持，整個運行過程為剛性約束只存在凈力分析。④忽略單元節點合力，擬定母線的布力為正壓力。⑤忽略不計托輥重量。其分析運用的托輥尺寸或材料參數，見表1。

通過有限元法分析，要注重選擇單元類型及劃分網格。含有8個六面體單元節點來定義的是Solid45單元，各個節點含有UX、UY、UZ三個自由度。能夠承受住任何復雜載荷的是501id45單元，一般用于三維實體結構的模擬，這里用于模擬托輥的承受力情形（因為托輥材料變形）。把托輥立體模型建立在系統中，托輥要通過SOlid45單元區分為18 600個不同的單元。把有限元模型的基本調劑進行虛擬并簡化，托輥通過載荷運行的約束調劑。

2 工作載荷下托輥的計算結果及分析

2.1 托輥的最大應力和最大位移

尼龍托輥的最大當量應力即最大應力值是7.06 MPa，在托輥的當中位置體現出來。尼龍托輥的最大應力其分布特點主要表現在兩個方面：一種是從當中位置相兩側承受力慢慢變小，另一種是距離越遠離承受力的位置其應力也越來越小。在尼龍托輥的當中位置位移也是最大表現為0.489 mm，也是撓度變形最大位置。在現實中和幾何尺寸做比較，應變越小有越小的變形。

金屬托輥當量應力即最大應力為28.3 MPa，在托輥的當中位置體現出來。而金屬托輥當中位置也是發生最大變形的部分為0.0779 mm。根據相類比，在運行載荷的工作中，其托輥的位移都小于1 mm，都非常小，表明其兩種托輥在運行時，都不容易撓曲變形，其托輥剛度狗強硬。金屬托輥最大受力比尼龍托輥要大21.24 MPa。通過比較得出，外直徑及載荷一樣的情況下，金屬托輥5 mm和尼龍托輥12 mm的壁厚，明顯表示出尼龍托輥承載能力更高，能夠減少托輥外表的應力。

2.2 托輥的徑向膨脹與收縮

在經線0 ？觷位置左右，正壓力施力位置徑向的縮小會發生，而在經線±900位置左右，會有漲大現象的發生，這是物料和輸送帶對托輥實施正壓力的結果。托輥的壽命或工作效率或穩定性都與托輥正壓力下所產生的徑向的縮小及漲大所導致托輥圓周發生變形有直接關系。

托輥徑向形狀改變-0.0779～0.0433 mm徑向位移的是金屬托輥，而-0.489～0.272 mm徑向位移的是尼龍托輥。在因物料與輸送帶之間正壓力相同的情況下，金屬托輥比尼龍托輥產生的徑向位移小，那么金屬托輥的剛度要大于尼龍托輥。相對來說，不論是金屬托輥還是尼龍托輥其徑向變形都是很小的，能夠保障托輥能夠有效在載荷下正常運行。

3 不同載荷下托輥的應力和位移

擬定在不同正壓力的運載下來計算金屬托輥或尼龍托輥的位移及應力，來能夠更好的對托輥的承受力的認識。

即別的條件不發生變化，只是正壓力擬定為250 N、522 N、750 N、1 000 N。國家標準測試是250 N情況下的托輥的載荷下，托輥的性能表現，現實中托輥的載荷在522 N正常的性能表現，其他將會是虛擬托輥在超載情況下其托輥的性能表現。

根據前面的的相關描述，將計算出最大位移值及最大當量應力值并根據其計算結果描繪成曲線圖，如圖1、圖2所示。

根據曲線的走勢可以看出，載荷變化以外，別的條件不發生變化，載荷和托輥的應力或位移成正比，載荷增大，其他相應增大，只是增加的量不一樣。金屬托輥要比尼龍托輥的最大應力小，而金屬托輥比尼龍托輥的位移變化要小。根據圖表分析可以看出，尼龍托輥除了徑向變形量比金屬托輥要變化大外，別的各性能都要比金屬托輥有進步和改善。因此，金屬托輥在技術上被尼龍托輥來取代是可行的。

參考文獻：

[1] 張世珍.帶式輸送機節能優化方法的研究[D].沈陽：東北大學，2012.

[2] 楊惠子.波狀擋邊帶式輸送機設計方法的若干問題研究[D].沈陽：東北大學，2011.

[3] 龔博.圓管帶式輸送機受力狀態的分析方法研究[D].沈陽：東北大學，2012.