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输送机滚筒的优化设计浅析
作者:输送机械设备网  发布于:2014-10-31 10:45:51  浏览量:
 
 [摘要]随着输送机行业的不断发展与技术的不断创新,还应强化输送机滚筒设计方案的创新与完善,以切实提升输送机滚筒的综合使用效能。

  输送机的滚筒设计存在一定的技术瓶颈,在很大程度上制约了输送机的正常、稳定运行。因此,对输送机滚筒进行优化设计已势在必行。在此过程中,可以充分利用现有技术,对现阶段输送机滚筒设计过程中存在的问题进行认真分析,找出问题的根本原因,依据现有的科学技术与设计工艺,对滚筒进行优化设计,以充分体现出其所蕴含的巨大的应用价值。同时,随着输送机行业的不断发展与技术的不断创新,还应强化输送机滚筒设计方案的创新与完善,以切实提升输送机滚筒的综合使用效能。
  1、传动滚筒的优化设计
  传动滚筒作为一种由筒体、接盘等构件组合而成的构件体,其作用是将输送带上的张力与扭转力传递到轴上,然后通过复杂的应力转变作用于滚筒的各个构件上,使每个构件都产生不同方向与不同性质的应力。输送带张力、转角、筒体厚度等因素影响着内部应力。相关计算表明,在滚筒的围包角为60°时,筒体的内部应力最大。
  当输送带应力作用于滚筒时,滚筒的每一个构件都会发生不同程度的位移。同时,对决定滚筒发生位移的结构分析决定了对滚筒构件的强度计算。在应力的计算过程中,因筒壳的剪应力较小,因此可以用正应力σ 来代替主应力。切向应力σ β是筒壳中最大的正应力。并且,筒壳的表面应力大于内部应力,所以应对其表面应力进行检核。对于接盘而言,切向应力小于径向应力,所以在进行强度校核时,应以σ y为准。同时,为了提升滚筒的整体强度,寻找最佳的参数组合,应使用优化设计的方法对滚筒进行进一步分析。即应在确保滚筒强度、刚度等参数条件要求下,设定品质控制的目标函数,对接盘支点、筒壳厚度、轴径等参数进行综合优化设计。图1为传动滚筒的优化设计图。

传动滚筒的优化设计图
图1  传动滚筒的优化设计图

  (1)建立传动滚筒部件的力学模型
  为了提供必要的牵引力,应确保输送带与滚筒之间有足够的摩擦力。使用“逐点张力法”对胶带各区段的拉力进行计算,在进行准确的受力分析计算之后将滚筒部件处理成恰当、准确的力学模型。图2为传动滚筒的受力分析图。

传动滚筒受力分析
图2  传动滚筒受力分析

  (2)载荷的简化
  传动滚筒和一般的带轮轴结构不同,受力也不同,其受力比一般的轮轴受力要复杂得多。在此过程中,应对同类产品的结构与受载情况进行认真分析,并初步拟定各个轴断的直径尺寸。为此,应将传动滚筒所受的拉力、自重等荷载进行简化,可不采用一般的带轮传动处理方法,将荷载简化到带轮的中间平面上。这样,能有效降低轴上的最大弯矩值,提升轴的弯曲程度,从而降低危险截面上的轴径。
  2、对改向滚筒的优化设计
  (1)优化变量的选定
  设计变量的优化是通过改变设计变量的数值来实现对结果的优化的。每个设计变量都存在上下限,并定义出设计变量的变化范围。在确保滚筒使用功能的前提下,应尽量降低滚筒的质量,并对在滚筒中占有较大质量比重的构件进行优化设计。在此过程中,应对滚筒中各个部分的构件对滚筒刚度的影响进行分析。
  (2)约束条件的确定
  约束条件又叫状态变量,即“因变量”,是设计变量的函数。在设计滚筒时,为了确保其不发生皮带跑偏现象,并将筒壳的径向变形以及轴的挠度控制在一定范围内,并防止其发生疲劳损坏,将轮毂内径、辐板、轴、筒壳的最大应力控制在疲劳极限范围内。所以,在不考虑滚筒的振动特性时,以轮毂内径、辐板、轴、筒壳的最大等效应力为状态变量,确保轴的最大挠度小于轴长的三千分之一。同时,对于筒壳的最大径向变形而言,应小于筒壳总长度的三千分之一。
  (3)目标函数的确定
  在确定目标函数时,应确保滚筒的总质量最小。当滚筒各个构件材料的密度相同时,可用滚筒的总体积代替滚筒质量作为目标函数。在建立起优化设计的数学模型之后,可用经典的极值理论对简单的模型进行求解。但对于相对复杂的工程结构问题而言,甚至无法列出相应的数学表达式。随着有限元理论的不断发展与计算机技术的不断普及,应强化对于滚筒结构的优化设计,以提升滚筒的综合效能。


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