传动滚筒焊接技术及有限元模型分析

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     皮带输送机是以输送带兼作牵引机构和承载机构的连续输送机械，对零部件设计的要求很高。传动滚筒是皮带输送机的主要传动部件，传动滚筒把皮带输送机主电机强大扭矩传至输送带，拖动负载，实现运输，其可靠性和使用寿命严重影响着输送机的性能。目前，传动滚筒多数采用焊接方法制造，主要结构一般分为筒体、筒毂、滚筒轴等。在皮带输送机正常工作中，传动滚筒受到圆周方向剪切力和交变循环径向拉应力、压应力的作用，焊接位置中裂纹极易扩展，导致疲劳破坏，引发滚筒失效。因此，对传动滚筒焊接位置的设计显得尤为重要。
      1、传动滚筒受力分析

图1  传动滚筒张力示意图

      传动滚筒除了受到重力和扭矩外，还受到输送带张力。出于滚筒强度校核的目的，此处假设滚筒满负荷运转，即滚筒上输送带张力不存在静止弧，滑动弧占满整个围包角。输送带对滚筒筒体的张力如图1所示，在包角α范围内，根据弹性体欧拉公式有下式成立：
      Fθ=F2eμθ
      式中 F2——输送带松处的张力，N；
      μ——输送带与滚筒问摩擦系数；
      θ——从b点算起的弧度，rad；
      Fθ——θ处输送带所受张力，N。
      传动滚筒在θ处单位表面所受的正压力Pθ和单位表面所受的摩擦力fθ分别为：
      Pθ=2 Fθ/BD=2 F2eμθ/BD
      fθ=μPθ=2 F2eμθ/BD
      式中B——输送带宽度，m；
      D——滚筒外径，m。
      2、传动滚筒有限元模型
      (1)几何参数
      由于对传动滚筒建立三维有限元模型结构较为复杂，应采取相应的措施进行简化，如忽略小的圆角、倒角、轴颈，将轴承座对滚筒的约束视为简支梁约束等，简化后的传动滚筒结构图如图2所示。

图2  传动滚筒结构图
a一胀套间距；b一筒体长度；c一轴承间距；d一轴总长度；e一轴端长度；f一筒毂宽度；g一胀套宽度；h一轴端外径；i一胀套内径；j一筒体外径；k一简体壁厚

      (2)材料属性
      传动滚筒主要由筒体、筒毂和滚筒轴组成，其中筒体材料Q345B，屈服极限345MPa；筒毂材料ZG230—450，屈服强度是230MPa，抗拉强度是450MPa；滚筒轴材料37SiMn2MoV，屈服极限835MPa，抗拉强度是980MPa。按照弹性模量E=210000MPa，泊松比μ=0.3，分别为筒体、筒毂和滚筒轴赋给材料属性。
      (3)网格划分
      在网格划分模块中，将全局种子数设置为15，并采用精度高的二次减缩积分C3D20R单元类型，有效的避免了沙漏问题。
      传动滚筒复杂的应力分布情况和变形机理，是造成滚筒设计困难的最主要的原因。运用ABAQUS软件对皮带输送机http://www.yuyin.sh.cn传动滚筒在正常运行工况及逆止工况进行三维有限元静力分析，得出了滚筒的交变应力分布规律，并可利用有限元计算结果，找出设计中的薄弱环节。研究表明：滚筒筒毂与筒体相连焊接位置控制在总长的12%~17%比较合理，为滚筒的设计提供了依据。