基于CATIA 的DSJ80/40/2 型帶式輸送機傳動滾筒模態分析

陳宇旋

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦選煤廠， 山西 古交 030203）

引言

帶式輸送機也稱皮帶機，是一種性能優異的具有撓性牽引構件的物料輸送設備，帶式輸送機主要由兩個端點滾筒以及緊套于其上的輸送帶組成，結構相對簡單，且具有運輸能力大、噪音小、能耗低、安裝與拆卸方便等優點，被廣泛應用于煤礦開采、化工、交通、運輸、倉儲等行業[1-2]。

帶式輸送機在散料輸送方面具有較大的優勢，相較于傳統輸送設備，其效率高、使用成本低且維護方便。驅動滾動一般被安裝于輸送機的卸料端，由此可以增加驅動力，有利于皮帶的拖動。帶式輸送機滾筒由于常受到物料不斷的沖擊載荷，更容易產生故障，滾筒為一種旋轉機械，存在旋轉振動問題，本文從DSJ80/40/2 型帶式輸送機傳動滾筒入手，分析滾筒的前四階固有頻率，為皮帶機結構的設計、可靠性研究提供重要參考，對提高滾筒可靠性具有重要意義[3]。

1 帶式輸送機傳動滾筒介紹

帶式輸送機主要結構由驅動裝置（通常為電機）、皮帶張緊器、滾筒、托輥、滾筒以及中間架等組成，本文研究的對象為DSJ80/40/2 型帶式輸送機滾筒，實物如圖1 所示。已知滾筒直徑為630 mm，滾筒長度1 150 mm。該滾筒為鑄焊結構滾筒，該型結構被廣泛應用于帶式輸送機中[4]。

鑄焊結構的主要特點是滾筒軸與輪轂之間依靠脹套進行連接，使得結構在輪轂與副板精密連接，避免使用焊縫。由于焊縫的過量使用可能會導致滾筒內部應力集中比較明顯，且不容易消除，因此在使用過程中可能會出現破壞[5-6]。

圖1 DSJ80/40/2 型帶式輸送機滾筒

2 滾筒有限元分析模型建立

采用CATIA 軟件建立滾筒的三圍模型，CATIA具有強大的建模能力，且在有限元軟件之間文件對接比較方便，模型參數互通。DSJ80/40/2 型帶式輸送機相關技術參數為輸送機送能力為Q=1 600 t/h；主要輸送介質為散煤，煤料的堆積密度為ρ=900 kg/m3；輸送機機長L=130m，最大提升高度H=8.0 m；包圍角θ=190°，下托輥間距2 500 mm，帶寬B=1 000 mm，帶速v=5 m/s，滾筒的摩擦系數μ=0.35，堆積角?=25°，輸送帶上單位長度煤炭質量qR=14 kg/m。

滾筒的主體結構采用Q235 材料，其中筒皮、輻軸、輪轂材料Q235，鑄造接盤為ZG230-450，表1 所示為兩種材料的材料屬性。

表1 傳動滾筒的材料參數

將創建好的三維模型導入ANSYS Workbench中，由于滾筒是裝配體，且形狀并不規整，使用四面體網格、自由網格劃分法劃分網格，設置最小網格尺寸為10 mm，鑄焊滾筒共生成315 212 個單元，生成112 314 個節點。

3 載荷工況與邊界條件

在進行滾筒載荷的計算時，對模型所有的載荷進行近似簡化處理。將皮帶對滾筒的作用力劃分為不同的區域求均值，滾筒所受徑向載荷沿軸向方向的分布可視為均布，從而將滾筒包圍角滑動弧部分劃分為10 個區域，如圖2 所示，每段區域內所受的壓力取平均值。

圖2 模型網格劃分示意圖

已知S1=30.5 kN，由公式S1=12.5e0.35θ計算得到θ≈146°，每個小弧段為14.6°。根據滾筒徑向張力計算公式，根據徑向與軸向力的關系，可以得到滾筒的徑向載荷S 與輸送帶圍包角θ 之間的函數關系，Sθ=12.5e0.35θ，由MATLAB 繪制了壓力與輸送機包角關系圖，如圖3 所示，載荷設定時，直接以函數形式表達。

圖3 滾筒不同位置壓力值

根據滾筒所受的實際邊界條件進行施加約束，在靜強度分析時，視滾筒為靜止部件，在滾筒軸設置支撐固定約束，設置自由度為0。

4 滾筒模態分析

以滾筒為分析對象計算了滾筒的四階模態，考慮到滾筒的實際轉動速率以及求解的便利性，只取前四階模態。滾筒作為一種旋轉機械，其自身的旋轉振動頻率可能會對結構的可靠性、使用壽命產生較大影響。為了探究DSJ80/40/2 型帶式輸送機傳動滾筒與轉動頻率可能存在的耦合關系，對于滾筒的模態分析是非常有必要的。

模態分析是一種動力特性研究方法，其中，模態是指機械結構的固有振動特性，用以研究結構在不同激振頻率下的響應情況，每一個模態都有特定的n 階固有頻率、阻尼比和模態振型，模態分析主要是研究結構的振動特性。

為了使分析更加準確，根據滾筒實際轉動情況施加載荷與約束，根據皮帶對滾筒的作用力十個區域劃分，施加徑向作用力。然后釋放滾筒軸向的轉動自由度，其余5 個自由度均設為0，經過約束模態分析計算，求解了滾筒的前四階模態，但由于篇幅所限，只列出第一、第四階模態，如圖4、圖5 所示。5 分析結果

圖4 滾筒第一階模態振型

圖5 滾筒第四階模態振型

最后分析得到一階模態固有頻率為144.2 Hz，幅值為47.3 mm，第二階模態固有頻率為284.1 Hz，幅值102 mm，第三、四階模態固有頻率為286.3 Hz、298.0 Hz，幅值為52.7 mm、49.8 mm，計算與分析得到了滾筒的四階固有頻率。從理論計算的結果來看，第二階固有頻率危害最大，因為第二階振型的幅值最大為102 mm。根據帶式輸送機實際的使用情況來看，單從滾筒的轉動頻率來看，不會達到自身結構的共振，但是應考慮物料對于滾筒的沖擊載荷，所以研究提高滾筒自身結構的固有頻率也是可靠性研究的一個方面。