皮带机托辊受力的有限元计算

李妙红　王英娜

摘 要：带式输送机是当今社会应用最广泛的输送设备之一，被广泛应用于水电站、煤炭等领域。而托辊又是带式输送机最主要的承载部件，其数量相当多，且承受着绝大部分的载荷。因此，托辊在带式输送机中的地位显得尤其重要。

关键词：托辊；结构改进；有限元法；优化设计

中图分类号：TM621.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）23-0063-02

因为现代科技的发展和将来对煤的需求将增大，煤矿的产量就要相应的提高，那么，带式输送机的输送量要提升。如果将带式输送机的输送量提高，而不改变带宽，那么就得提高托辊的承受力。在1 000 N或750 N或522.34 N或250 N不同情况下来对托辊受力进行有限元的计算及对托辊受力进行分析，促使对托辊受力相对应的应力或应变有更直观的认识。

1 有限元计算的模型

实际生产活动中，托辊载荷分为两种：一种为动载荷，另一种为静载荷。现今托辊载荷运算还存在着缺陷，其载荷的运行规则还不能被认知。物料或输送带的正压力是托辊静载荷的主要考量对象。带式输送机存在着平行托辊及V型托辊安装位置的两种方式。托辊方式中受力排行第一的是平行托辊，运用于物料的传送或物料的承载。在运行过程中，因为力的平衡原理，托辊的压力主要产生在皮带及承受的物料。其压力的受力方向和托辊的横截面呈直角，视觉来讲可为正压力。托辊因为长期的正压力，会让托辊及输送带进行摩擦并会有相当程度的磨损，或者正压力的作用将托辊变形，并趋于程度增大，致使动载荷及振动的产生，影响其运行的平稳性，并致使效率变小。综上所述，托辊的设计要能够承受一定的强度，同时能承受一定的刚度。

笔者采用平行托辊中间受力最大来研究试验来核算，其轴承来制约托辊的两侧，那么其能够通过物料及输送带形成F=522 N的正压力。忽略托辊圆周运动时摩擦力而形成的扭矩，因其扭矩非常微小，不会影响系统的静力分析。对于相当于522 N的静态工作载荷下的位移及应力通过有限元分析软件ANSYS来分析，对应出金属托辊及尼龙托辊在力学上表现出的不同性能。想要更快的找到其最为重要的影响因素，简化了在有限元模型，并对其进行虚拟：①拟定不管是尼龙还是铸铁的托辊在连续、均匀及向同性，没有任何的缺陷。②拟定托辊没有任何的压力来让其变形或有弹性。③拟定托辊因为两端的轴并其轴结构严密，同时有轴的支持，整个运行过程为刚性约束只存在净力分析。④忽略单元节点合力，拟定母线的布力为正压力。⑤忽略不计托辊重量。其分析运用的托辊尺寸或材料参数，见表1。

通过有限元法分析，要注重选择单元类型及划分网格。含有8个六面体单元节点来定义的是Solid45单元，各个节点含有UX、UY、UZ三个自由度。能够承受住任何复杂载荷的是501id45单元，一般用于三维实体结构的模拟，这里用于模拟托辊的承受力情形（因为托辊材料变形）。把托辊立体模型建立在系统中，托辊要通过SOlid45单元区分为18 600个不同的单元。把有限元模型的基本调剂进行虚拟并简化，托辊通过载荷运行的约束调剂。

2 工作载荷下托辊的计算结果及分析

2.1 托辊的最大应力和最大位移

尼龙托辊的最大当量应力即最大应力值是7.06 MPa，在托辊的当中位置体现出来。尼龙托辊的最大应力其分布特点主要表现在两个方面：一种是从当中位置相两侧承受力慢慢变小，另一种是距离越远离承受力的位置其应力也越来越小。在尼龙托辊的当中位置位移也是最大表现为0.489 mm，也是挠度变形最大位置。在现实中和几何尺寸做比较，应变越小有越小的变形。

金属托辊当量应力即最大应力为28.3 MPa，在托辊的当中位置体现出来。而金属托辊当中位置也是发生最大变形的部分为0.0779 mm。根据相类比，在运行载荷的工作中，其托辊的位移都小于1 mm，都非常小，表明其两种托辊在运行时，都不容易挠曲变形，其托辊刚度狗强硬。金属托辊最大受力比尼龙托辊要大21.24 MPa。通过比较得出，外直径及载荷一样的情况下，金属托辊5 mm和尼龙托辊12 mm的壁厚，明显表示出尼龙托辊承载能力更高，能够减少托辊外表的应力。

2.2 托辊的径向膨胀与收缩

在经线0 ？觷位置左右，正压力施力位置径向的缩小会发生，而在经线±900位置左右，会有涨大现象的发生，这是物料和输送带对托辊实施正压力的结果。托辊的寿命或工作效率或稳定性都与托辊正压力下所产生的径向的缩小及涨大所导致托辊圆周发生变形有直接关系。

托辊径向形状改变-0.0779～0.0433 mm径向位移的是金属托辊，而-0.489～0.272 mm径向位移的是尼龙托辊。在因物料与输送带之间正压力相同的情况下，金属托辊比尼龙托辊产生的径向位移小，那么金属托辊的刚度要大于尼龙托辊。相对来说，不论是金属托辊还是尼龙托辊其径向变形都是很小的，能够保障托辊能够有效在载荷下正常运行。

3 不同载荷下托辊的应力和位移

拟定在不同正压力的运载下来计算金属托辊或尼龙托辊的位移及应力，来能够更好的对托辊的承受力的认识。

即别的条件不发生变化，只是正压力拟定为250 N、522 N、750 N、1 000 N。国家标准测试是250 N情况下的托辊的载荷下，托辊的性能表现，现实中托辊的载荷在522 N正常的性能表现，其他将会是虚拟托辊在超载情况下其托辊的性能表现。

根据前面的的相关描述，将计算出最大位移值及最大当量应力值并根据其计算结果描绘成曲线图，如图1、图2所示。

根据曲线的走势可以看出，载荷变化以外，别的条件不发生变化，载荷和托辊的应力或位移成正比，载荷增大，其他相应增大，只是增加的量不一样。金属托辊要比尼龙托辊的最大应力小，而金属托辊比尼龙托辊的位移变化要小。根据图表分析可以看出，尼龙托辊除了径向变形量比金属托辊要变化大外，别的各性能都要比金属托辊有进步和改善。因此，金属托辊在技术上被尼龙托辊来取代是可行的。

参考文献：

[1] 张世珍.带式输送机节能优化方法的研究[D].沈阳：东北大学，2012.

[2] 杨惠子.波状挡边带式输送机设计方法的若干问题研究[D].沈阳：东北大学，2011.

[3] 龚博.圆管带式输送机受力状态的分析方法研究[D].沈阳：东北大学，2012.