帶式輸送機中螺桿張緊裝置的設計

任曉力

(中煤科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

在帶式輸送機張緊裝置設計中,由于帶式輸送機輸送距離長,一般采用重錘拉緊,而對于短距離帶式輸送機,最經濟的方法是采用螺桿拉緊裝置。螺桿拉緊裝置具有結構簡單、維護簡單、造價低等特點,通常是尾部滾筒兼做張緊滾筒,輸送帶張緊的判斷由操作者的技術來決定。

1 螺桿張緊裝置形式的確定

螺桿張緊裝置的張緊螺栓有兩種安裝形式:一種是螺桿上的螺母安裝在張緊滾筒的軸承座處,螺栓旋轉時螺桿位置不變,螺桿旋轉帶動滾筒移動，從而張緊輸送帶;另一種螺桿移動,螺母旋轉實現調節,這種形式可使螺栓和滾筒中心線在同一平面內,從而毫無偏斜的張緊輸送帶,該設計更為精確,但需要特殊類型的支架,成本增加。通過分析研究，采用第二種緊張裝置形式,其結構如圖1所示。

由圖1可知，螺桿支撐在兩個支撐板之間，張緊滾筒座隨著螺桿的轉動而前后滑動，待輸送帶張緊后，用鎖緊螺母將螺桿鎖緊即可，輸送帶張力的方向F如圖1所示。

1-螺桿;2-支撐板;3-鎖緊螺母;4-張緊滾筒固定座;5-支撐板

圖1張緊裝置示意圖

2 螺桿的設計

滑動螺旋的螺紋包括梯形、鋸齒形及矩形3種形式，鋸齒形螺紋主要用于受單向力，矩形螺紋雖然傳動效率高，但加工困難且強度較低，故選擇應用較廣的梯形螺紋形式。

2.1 螺桿的中徑

螺桿中徑的計算公式：

(1)

式中：d2為螺桿所需的最小直徑；F為螺桿所承受的軸向載荷,即為輸送帶張緊所需的張力;Ψ可根據螺母的形式選定,整體式螺母取1.2～2.5,部分式螺母取2.5～3.5;pp為螺桿的許用強度,鋼對鋼低速時取7.5～13 N/mm2。

計算出螺桿中徑后，根據標準GB/T 5796.3—1996規定梯形螺紋基本尺寸,初取螺紋的基本尺寸,即可以先確定一個值，然后按螺紋的自鎖條件計算后再確定是否合適。

2.2 螺紋的自鎖條件

螺紋的升角:

(2)

式中：s為導程,mm，對于單線程螺紋，導程等于螺距；f為摩擦因數,查表取f=0.15；ρ′為當量摩擦角;α為螺紋牙型角30°。

通常取λ≤4°30′，若計算后不滿足要求，說明螺距選擇的不合適，需重新選擇后再進行校核。

2.3 螺桿的材料

螺旋傳動的主要零件是螺桿和螺母，要求螺桿材料有足夠的強度和耐磨性，以及良好的加工性，一般螺桿可以不經過淬硬處理，材料一般選擇45、50和Y40鋼等。而要求螺桿具有較高的耐磨性時，需要經淬硬處理，材料可選用65Mn、40Cr和18CrMnTi合金鋼等。

2.4 螺桿的張緊行程

張緊行程是指張緊滾筒在整個張緊裝置內可移動距離的范圍，張緊行程的大小取決于以下因素：

1) 啟動、制動方式。直接啟動和制動所需的張緊行程比有控制的加速啟動或減速制動的張緊行程大得多。

2) 滿載輸送帶啟動和停止的頻率。

3) 輸送帶的伸長和延長特性。一般可按下式進行計算，即：

(3)

式中：ξ為輸送帶的伸長率；Sa為安裝行程；Lz為輸送帶的長度。

3 螺桿受壓的穩定性分析

螺桿屬于受壓桿件，當最大應力達到極限應力(屈服極限或強度極限)時，會發生強度失效(出現塑性變形或破裂)。故只要其最大應力小于或等于許用應力，即滿足了強度條件時，桿件就能安全工作。但在實際應用時，桿件由于輸送帶張力的突變，可能發生突然彎曲，進而產生很大的彎曲變形，導致桿件折斷，此時桿件的壓應力遠低于屈服極限和強度極限。顯然，此時的桿件彎曲并非因強度不夠而引起，而是由于桿件在一定壓力下突然彎曲，不能維持原有平衡狀態而引起的。受壓螺桿在外力作用下保持其原有平衡狀態的能力稱為構件的穩定性，螺桿的失效是桿件喪失穩定性引起的，屬于穩定性失效。因此可對螺桿穩定性進行校核。

4 螺桿穩定性的校核計算

1)計算螺桿的揉度：

(4)

2)λ≥λ1時，按大揉度桿用歐拉公式校核：

(5)

3)λ2≤λ≤λ1時，按中揉度桿用經驗公式校核：

(6)

式中：Fc為臨界載荷,N;E為螺桿材料的彈性模量,MPa,對于鋼材,E=2.1×105MPa;Ss為安全系數;λ1、λ2、a、b為與材料有關的常數，對于優質碳鋼,可查表得：λ1=100,λ2=60,a=461 MPa,b=2.56 MPa。

通過上式可知,校核中首先計算出臨界載荷,然后與軸向載荷乘以相應的安全系數進行比較。

5 螺桿的ANSYS仿真模型及分析

5.1 螺桿的仿真建模

螺桿的模型如圖2所示,兩端鉸支固定約束,長度為600 mm,橫截面積為20 mm2,在螺桿的一端施加壓縮載荷。

圖2 螺桿建模模型圖

螺桿的材料屬性如下：彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比σ=0.3，環境溫度10 ℃。定義完材料的屬性后，利用DesignModeler進行幾何建模。由于是細長桿的穩定性，利用概念建模。建模完成后進行網格劃分，利用系統默認的設置定義Automatic網格劃分。

由于載荷垂直于面或邊，會引起附加剛度分布，稱為“壓力載荷剛度”，這個附加效果在屈曲分析中使用靜力分析時零時刻的壓力值分析計算，由于該靜力用于后續屈曲分析，故此處以階躍載荷方式施加壓力載荷。因屈曲載荷為屈曲載荷因子和單位載荷的乘積，故在增加載荷時僅施加單位載荷即可，只需一端施加1 N的力。模型的約束為兩端鉸接固定，具體實施時，添加兩端在坐標X、Y、Z軸方向上的固定位移約束，即Fixed Supposed，同時限制整個模型發生旋轉的約束Fixed Rotation。

5.2 仿真分析

定義完約束后，可對模型進行ANSYS求解，結果見圖3。將計算出的屈曲載荷因子乘以單位載荷，得到臨界載荷值，即可算出螺桿模型達到失穩的軸向載荷值，將其與計算得到的值進行對比，可以為螺桿的設計提供更多依據。

圖3仿真結果圖

6 結論

本文系統地介紹了帶式輸送機中螺桿張緊裝置的設計方法，并對螺桿穩定性進行了深入的分析，在對螺桿穩定性進行分析的同時，借助ANSYS仿真屈曲分析，確定螺桿失穩的臨界載荷值，為螺桿的設計計算提供了更多理論的依據和校核方法。