基于COSMOS_Works的带式输送机传动滚筒的有限元分析_李晓丽

第31卷第09期2010年09月

煤矿机械

CoalMineMachinery

Vol.31No.09Sep.2010

基于COSMOS/Works的带式输送机传动滚筒的有限元分析

李晓丽，袁

圆

(安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001)

摘要：对输送机传动滚筒受力状况做了理论分析，运用有限元分析软件COSMOS/Works对

传动滚筒进行了静力分析，得出滚筒在载荷作用下的应力和变形分布规律。分析结果表明，该传动滚筒的结构设计完全满足其强度、刚度要求。

关键词：带式输送机；传动滚筒；COSMOS/Works；有限元中图分类号：TG522.1

文献标志码：A

文章编号：1003－0794（2010）09－0095－02

FiniteElementAnalysisofDrivingDrumofBeltConveyorBasedon

COSMOS/Works

LIXiao-li，YUANYuan

（SchoolofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology，Huainan232001，China）

Abstract：Theloadingsituationofbelt-conveyor’sdrumwasanalysed.LinearstaticanalysisisconductedwiththefiniteanalysissoftwareCOSMOS/Works,andobtainedthestressanddistortiondistributionlawofdrumunderload.Theanalysisresultsshowedthatthedrivingdrumcouldfullysatisfythestrengthandstiffnessrequirement.

Keywords:beltconveyor;drivingdrum;COSMOS/Works;finiteelement0

前言

滚筒是带式输送机主要的传动部件，根据在输送机中所起作用可分为传动滚筒和改向滚筒。传动滚筒用来传递牵引力和制动力；而改向滚筒主要起改变输送带的运行方向以完成拉紧、返回等各种功能。二者在工作状态下的受力情况不同，故结构也不同。滚筒由滚筒轴、轴承座、轮毂、辐板、筒壳等部分组成。带式输送机的驱动滚筒有焊接和铸焊2种结构形式。本文以某矿用大型传动滚筒为例：滚筒直径为1800mm，传动滚筒扭矩为428kNm，合力为2

图1

Fθ

λ

c

γ

360°-αθ

F2

b

aa′

F1

滚筒上的张力变化图

596kN，筒皮材质为Q235-A。1

传动滚筒的受力分析

在带式输送机中，传动滚筒相当于带传动中的主动轮，而从动滚筒相当于从动轮。驱动滚筒正常工作时承受轴端输入扭矩作用旋转，同时还受输送带和滚筒之间摩擦力的作用，以及输送带对滚筒的压力作用，如图1所示。

假设输送带是理想的挠性体，可以任意弯曲，没有弯曲应力、质量和厚度。输送带在滚筒上的围包角为α，在围包角内存在滑动弧λ和静止弧γ，即α=λ+γ。两端输送带的张力差为F1-F2，此差值等于滚筒轴上输入的扭矩值。

输送带的张力变化可按欧拉公式计算，输送带任一点的张力

（1）Fθ＝F2eμθ

输送带在相遇点的极限张力

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

特别适合复杂的系统分析与仿真。3结语

（1）构建了刨刀驱动机构的AMEsim模型，进行了仿真分析，获得了机构运动的3D动画及滑枕运动的速度曲线。验证了刨刀驱动机构的正确性及

参考文献：

［1］魏兵，熊禾根.机械原理［M］.武汉：华中科技大学出版社，2007.［2］付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真—从入门到精通［M］.北

京：北京航空航天大学出版社，2006.

作者简介：杨树川（1971-），宁夏吴忠人，副教授，硕士，电子信箱：shuchuan_yang@http://.

AMEsim模型的正确性；

（2）AMEsim软件基于物理模型建模，不需推导系统的数学模型，具有建模方便，分析透彻等特点，

责任编辑：于秀文收稿日期：2010－05－27

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F1max

Vol.31No.09基于COSMOS/Works的带式输送机传动滚筒的有限元分析———李晓丽，等第31卷第09期

F1max＝F2eμα

式中

——输送带单元所在圆周角，0＜θ＜α；θ—

——摩擦系数。μ—

按式（2）给出的输送带在滚筒上的张力线如图

（2）

（2）有限元计算结果及分析

本文对传动滚筒进行静力分析，不考虑实际工作中输送机的运转状态。在COSMOS/Works中选用

FFE求解方法，其分析结果为：滚筒最大的VonMis-es应力为22.93MPa；由滚筒的应力分布云图（见图4）知，应力主要分布在输送带与筒体的接触区域及

滚筒的辐板与轮毂及辐板与筒体的周边区域；由传动滚筒位移分布云图（见图5）知，滚筒最大位移为

1所示的acb线。在实际运行中，相遇点张力F1＜F1max，此时输送带张力将沿a′cb线变化，即在滑动弧λ内输送带张力按欧拉公式变化；在静止弧γ内输

送带没有摩擦力，张力不变。由此可求出作用在传动滚筒单位面积上的载荷，在滑动弧λ内，滚筒单位表面的正压力

0.022mm，位于筒体垂直于轴线的中平面处。

pθ=2Fθ/（BD）＝2F2eμθ/（BD）

单位表面的摩擦力

fθ=μpθ＝2μF2eμθ/（BD）

静止弧γ内滚筒不受摩擦力，单位面积的正压力

p=2F1/（BD）

式中

——滚筒筒壳直径；D—

——输送带宽度。B—

可以看出，静止弧具有备用的特性在滚筒正常工作中是必要的，作为牵引力的一种储备可以克服启动时出现的动张力以及防止带的相对滑动现象。

图4传动滚筒的应力分布图图5传动滚筒的位移分布图

（3）传动滚筒强度、刚度校核

由图4知滚筒的最大米塞斯等效应力σVonMises=

22.93MPa，σVonMises≤[σ]（许用应力[σ]=65MPa），符合

强度要求。

由图5知滚筒的最大位移|y|max=0.022mm，

2传动滚筒的有限元分析（1）有限元模型的建立

使用SolidWorks三维CAD造型软件通过拉伸、

|y|max≤［Y］=2D/2800＝1.28mm，符合刚度要求。3

结语

本文运用COSMOS/Works软件对滚筒进行了静力分析，基本掌握了滚筒的应力及变形情况，为进一步改进滚筒结构提供理论依据。通过有限元计算结果，找出滚筒设计中的薄弱环节从而改进设计水平和质量。分析还表明，传动滚筒的制造要符合严格的加工技术要求，加工过程中采用轮毂与辐板

旋转等功能创建滚筒模型见图2。

图2传动滚筒三维模型

整体铸造后再与筒体焊接的方法，可以提高滚筒的机械性能。

参考文献：

［1］起重机械研究所.DTⅡ型固定式带式输送机设计选用手册［K］.

北京:冶金工业出版社,1994.

［2］乔李宁.基于ANSYS的带式输送机滚筒优化设计［J］.煤矿机电，

为简化计算，本文将筒体焊缝连接部分视为连续的实体。滚筒体采用Q235-A，弹性模量为2.06e5MPa,泊松比为0.30，许用应力为65MPa。由于本文主要分析滚筒的受力，故不考虑轴套和轴的受力问题，将约束加在轴承孔的内表面上只保留绕滚筒体轴线转动的自由度。传动滚筒分析时主要考虑张力和重力2种载荷，载荷沿径向加在传动滚筒外圆柱面上由围包角限定区域。利用SolidWorks中有限元插件COSMOS/Works进行网格的优化计算，整个模型共生成1629个单元见图3。

2009(4):87-89.

［3］程居山.矿山机械［K］.徐州：中国矿业大学出版社，1997.［4］王二刚.矿用带式输送机驱动滚筒的有限元分析［J］.煤炭工程，

2008(6)：82-84.

［5］江洪，陈燎，王智.SolidWorks有限元分析实例解析［M］.北京:机

械工业出社,2007.

作者简介：李晓丽(1985-)，女，江苏徐州人，安徽理工大学硕士研究生，从事机械设计及理论的研究，电子信箱：

xiao0308xiao@http://.

图3传动滚筒有限元网格划分责任编辑：于秀文收稿日期：2010－04－

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