基于CATIA 的DSJ80/40/2 型带式输送机传动滚筒模态分析

陈宇旋

（山西西山煤电股份有限公司镇城底矿选煤厂， 山西 古交 030203）

引言

带式输送机也称皮带机，是一种性能优异的具有挠性牵引构件的物料输送设备，带式输送机主要由两个端点滚筒以及紧套于其上的输送带组成，结构相对简单，且具有运输能力大、噪音小、能耗低、安装与拆卸方便等优点，被广泛应用于煤矿开采、化工、交通、运输、仓储等行业[1-2]。

带式输送机在散料输送方面具有较大的优势，相较于传统输送设备，其效率高、使用成本低且维护方便。驱动滚动一般被安装于输送机的卸料端，由此可以增加驱动力，有利于皮带的拖动。带式输送机滚筒由于常受到物料不断的冲击载荷，更容易产生故障，滚筒为一种旋转机械，存在旋转振动问题，本文从DSJ80/40/2 型带式输送机传动滚筒入手，分析滚筒的前四阶固有频率，为皮带机结构的设计、可靠性研究提供重要参考，对提高滚筒可靠性具有重要意义[3]。

1 带式输送机传动滚筒介绍

带式输送机主要结构由驱动装置（通常为电机）、皮带张紧器、滚筒、托辊、滚筒以及中间架等组成，本文研究的对象为DSJ80/40/2 型带式输送机滚筒，实物如图1 所示。已知滚筒直径为630 mm，滚筒长度1 150 mm。该滚筒为铸焊结构滚筒，该型结构被广泛应用于带式输送机中[4]。

铸焊结构的主要特点是滚筒轴与轮毂之间依靠胀套进行连接，使得结构在轮毂与副板精密连接，避免使用焊缝。由于焊缝的过量使用可能会导致滚筒内部应力集中比较明显，且不容易消除，因此在使用过程中可能会出现破坏[5-6]。

图1 DSJ80/40/2 型带式输送机滚筒

2 滚筒有限元分析模型建立

采用CATIA 软件建立滚筒的三围模型，CATIA具有强大的建模能力，且在有限元软件之间文件对接比较方便，模型参数互通。DSJ80/40/2 型带式输送机相关技术参数为输送机送能力为Q=1 600 t/h；主要输送介质为散煤，煤料的堆积密度为ρ=900 kg/m3；输送机机长L=130m，最大提升高度H=8.0 m；包围角θ=190°，下托辊间距2 500 mm，带宽B=1 000 mm，带速v=5 m/s，滚筒的摩擦系数μ=0.35，堆积角∂=25°，输送带上单位长度煤炭质量qR=14 kg/m。

滚筒的主体结构采用Q235 材料，其中筒皮、辐轴、轮毂材料Q235，铸造接盘为ZG230-450，表1 所示为两种材料的材料属性。

表1 传动滚筒的材料参数

将创建好的三维模型导入ANSYS Workbench中，由于滚筒是装配体，且形状并不规整，使用四面体网格、自由网格划分法划分网格，设置最小网格尺寸为10 mm，铸焊滚筒共生成315 212 个单元，生成112 314 个节点。

3 载荷工况与边界条件

在进行滚筒载荷的计算时，对模型所有的载荷进行近似简化处理。将皮带对滚筒的作用力划分为不同的区域求均值，滚筒所受径向载荷沿轴向方向的分布可视为均布，从而将滚筒包围角滑动弧部分划分为10 个区域，如图2 所示，每段区域内所受的压力取平均值。

图2 模型网格划分示意图

已知S1=30.5 kN，由公式S1=12.5e0.35θ计算得到θ≈146°，每个小弧段为14.6°。根据滚筒径向张力计算公式，根据径向与轴向力的关系，可以得到滚筒的径向载荷S 与输送带围包角θ 之间的函数关系，Sθ=12.5e0.35θ，由MATLAB 绘制了压力与输送机包角关系图，如图3 所示，载荷设定时，直接以函数形式表达。

图3 滚筒不同位置压力值

根据滚筒所受的实际边界条件进行施加约束，在静强度分析时，视滚筒为静止部件，在滚筒轴设置支撑固定约束，设置自由度为0。

4 滚筒模态分析

以滚筒为分析对象计算了滚筒的四阶模态，考虑到滚筒的实际转动速率以及求解的便利性，只取前四阶模态。滚筒作为一种旋转机械，其自身的旋转振动频率可能会对结构的可靠性、使用寿命产生较大影响。为了探究DSJ80/40/2 型带式输送机传动滚筒与转动频率可能存在的耦合关系，对于滚筒的模态分析是非常有必要的。

模态分析是一种动力特性研究方法，其中，模态是指机械结构的固有振动特性，用以研究结构在不同激振频率下的响应情况，每一个模态都有特定的n 阶固有频率、阻尼比和模态振型，模态分析主要是研究结构的振动特性。

为了使分析更加准确，根据滚筒实际转动情况施加载荷与约束，根据皮带对滚筒的作用力十个区域划分，施加径向作用力。然后释放滚筒轴向的转动自由度，其余5 个自由度均设为0，经过约束模态分析计算，求解了滚筒的前四阶模态，但由于篇幅所限，只列出第一、第四阶模态，如图4、图5 所示。5 分析结果

图4 滚筒第一阶模态振型

图5 滚筒第四阶模态振型

最后分析得到一阶模态固有频率为144.2 Hz，幅值为47.3 mm，第二阶模态固有频率为284.1 Hz，幅值102 mm，第三、四阶模态固有频率为286.3 Hz、298.0 Hz，幅值为52.7 mm、49.8 mm，计算与分析得到了滚筒的四阶固有频率。从理论计算的结果来看，第二阶固有频率危害最大，因为第二阶振型的幅值最大为102 mm。根据带式输送机实际的使用情况来看，单从滚筒的转动频率来看，不会达到自身结构的共振，但是应考虑物料对于滚筒的冲击载荷，所以研究提高滚筒自身结构的固有频率也是可靠性研究的一个方面。