帶式輸送機傳動滾筒的動態特性分析

李 剛

（山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006）

引言

帶式輸送機是輸送作業中的主要工具之一，其主要結構包括輸送帶、驅動滾筒、上下托輥、張緊裝置和各類支撐架等，借助輸送帶與驅動滾筒之間的摩擦力實現帶動運轉，將物料運送到指定位置。其輸送作用在生產自動化及連續輸送作業中發揮著不可替代的作用，輸送機的穩定運行是安全高效作業的重要保障。隨著對輸送機工作量需求的增加，其帶速、長度及運載量不斷加大。然而，傳遞電機動力和扭矩的主要部件——支撐滾筒，常在巨大的壓力下損壞，嚴重影響運輸效率[1-4]。本文主要基于帶式輸送機的傳動理論，運用三維軟件對帶式輸送機傳動滾筒軸進行實體建模，利用分析軟件對帶式輸送機的滾筒軸進行模態分析，分析其在作業過程中的固有頻率、主振型、變形情況及相應變形量，以求在抑制滾筒整體的振動和滾筒軸變形方面得出有效結論，從而延長帶式輸送機的使用壽命。

1 建模

建立帶式輸送機傳動滾筒軸幾何模型。首先依據帶式輸送機現實中的幾何大小，利用三維軟件構建其傳動滾筒軸的三維幾何模型，模型為1∶1 仿制構造，如圖1 所示。其次將構建好的模型經相對應的接口導進軟件中，最后得到傳動滾筒軸的有限元模型。表1 所示為該結構的幾何參數和材料參數。

圖1 滾筒軸模型

2 網格劃分

對帶式輸送機傳動滾筒軸模型進行網格劃分。本文主要以生產線上常見的六輥軋機輥系作為研究對象。首先創建有限元模型。將第一步建立的帶式輸送機傳動滾筒軸的仿制幾何模型導入分析軟件中，經反復查閱資料，材料屬性參數參照表1 中的數值設定，此結構參數具有代表性。完成材料屬性設定后，對輥系及機架進行網格劃分。模型設置為自動網格劃分，模態分析以前10 階作為研究對象。在X、Y、Z各方向上對機架施加位移為0 的約束（以地腳螺栓對機架剛性約束為前提）。網格劃分結果如圖2 所示。

表1 帶式輸送機滾筒軸結構參數

圖2 滾筒軸的網格劃分

3 模態分析

對帶式輸送機傳動滾筒軸進行模態分析。運用模態分析法，通過創建有限元模型，采用有限元分析的方式對系統結構的振動問題進行離散化處理，將其轉換變成求解系統結構特征值，運用近似求解手段對特征值開始求解，從而對結構振動情況動態探究。此研究主要求解的特征值和特征向量為結構的固有頻率和主振型。

根據牛頓力學定律可得，機械動力學方程的矩陣形式如下：

式中：[M]為質量矩陣；{x¨}為加速度列陣；{x˙}為速度列陣；[K]為剛度矩陣；[C]為阻尼列陣；[S]為力矩陣。

此處主要采用計算模態分析的方法進行研究。首先用有限元軟件進行模態分析。如前文所述，以前10 階作為基本研究對象，用軟件對帶式輸送機傳動滾筒軸進行結構模態分析，繼續用軟件對傳動滾筒軸進行模態求解，得出所需信息，包括固有頻率、變形情況及形變量等。數據整理見表2。

表2 傳動滾筒軸的模態分析

從表2 模態分析中，可得出傳動滾筒軸不同頻率下的最大變形量。其中頻率在656.25Hz、1082.40Hz、1 184.80 Hz、1 818.60 Hz 發生的變形量最大，所對應的最大變形值分別為0.98 646 mm、1.227 90 mm、0.958 58 mm、1.056 30 mm，其對應的振型圖如圖3所示。

通過研究結果可以看出，當帶式輸送機傳動滾筒軸受到外部施加的頻率與這4 個頻率相近時，易引發傳動滾筒的共振，將有較大可能發生形變。同時從圖3 可以看出，軸面區域和軸承連接端最容易發生形變。

圖3 滾筒軸模態陣形圖

針對以上發現的問題，設想能夠優化設計提高滾筒結構的穩定性，如增加傳動滾筒軸表面質量，采用彈性模量較大的輸送帶等方法來阻止振動的產生，避免傳動滾筒軸的共振及其他破壞形式。桑宏琪等的研究表明，帶式輸送機滿載啟動時，若采用正弦加速控制曲線，輸送帶的波動較小，且輸送機從啟動到平穩運行所需要的時間最短，因此從動力控制方面減少共振也可作為進一步研究方向。

4 結語

帶式輸送機在生產自動化及連續輸送作業中發揮著不可替代的作用，其穩定運行是安全高效作業的重要保障。隨著對輸送機工作量需求的增加，其帶速、長度及運載量不斷加大。支撐滾筒常在巨大的壓力下損壞，嚴重影響輸送效率。本文主要基于帶式輸送機的傳動理論，運用三維軟件對帶式輸送機傳動滾筒軸進行實體建模，利用分析軟件對帶式輸送機的滾筒軸進行模態分析，分析其在作業過程中的固有頻率及變形情況，找出對應頻率振動時的一些解決方法和研究方向，有效抑制傳動滾筒整體的共振，防止傳動滾筒軸變形，從而延長帶式輸送機的使用壽命，為高效安全作業提供保障。