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带式输送机滚筒支架设计计算研究

2020-12-09 426 上传者：管理员

摘要：采用力法对带式输送机滚筒支架超静定结构进行静力学计算，建立正则方程、位移协调方程、力的协调方程，利用VB软件编程求解相关方程组并开发滚筒支架计算程序；最后在ANSYS环境中采用梁单元建立滚筒支架模型，进行静力学仿真计算。对2种方式所得计算结果进行对比分析，结果基本一致，可见该计算方法及开发的滚筒支架计算程序对于该类滚筒支架的设计计算具有参考价值。

关键词：
力法正则方程
带式输送机
有限元仿真
滚筒支架
滚筒支架计算程序
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带式输送机滚筒支架是用来安装传动滚筒、改向滚筒并承受输送带张力的重要部件，主要应用于传动装置、改向装置以及卸载装置中。随着大功率、长运距带式输送机的不断普及，滚筒支架的外形结构尺寸、重量也不断加大，因此减轻滚筒支架重量、降低带式输送机成本的需求更为迫切。

以往带式输送机滚筒支架设计多采用类比和经验方法，此类方法精确度较低；相关文献中有采用力法求解超静定方程的方法计算支架力和强度，但应用此方法时认为斜撑和立柱的交点位移为0，显然不符合实际情况。因此本文采用力法正则方程求解超静定问题，认为斜撑和立柱的交点位移相等（并不一定为0），建立位移协调方程以及交点处力的协调方程，最终求解出滚筒支架的力、力矩并校核强度、刚度。本文采用VB编程求解相关方程组并开发滚筒支架计算程序，从而使滚筒支架设计更精确、便捷。同时在ANSYS软件中，利用梁单元建立支架模型，对VB程序计算结果进行验证。

1、滚筒支架的斜撑、立柱受力模裂建立

本文采用结构常见及受力较大的双滚筒三角机架作为计算实例，立柱和斜撑分别焊接于基础底座（基础底座锚固或焊接于地面），传动滚筒由螺栓固定于立柱及斜撑侧，相关结构参数如图1所示。

图1滚筒支架结构参数

1.滚筒12.滚筒23.滚筒支架Ⅰ.支架立柱（AC）Ⅱ.支架底座（BC）Ⅲ.支架斜撑（AB)F1.输送带驱入点张力F2.2个滚筒间输送带张力F3.输送带奔离点张力α1、α2、β.各处输送带与水平方向夹角γ.斜撑与底座夹角H.立柱高度H1.滚筒2中心高H2.滚筒1中心高L1.滚筒1轴承座中心高L2.滚筒2轴承座中心高L4.滚筒2轴承座螺栓孔距L5.滚筒1轴承座螺栓孔距b.滚筒2中心到B点沿斜撑方向距离

斜撑和立柱（满足长径比要求）符合一端固定的梁结构，解除A点约束转化为X、Y方向力和力矩，且要求斜撑和立柱在A点满足位移协调条件及力的协调关系。滚筒重力及输送带张力F1、F2、F3对立柱、斜撑作用简化如下：滚筒重力、输送带张力沿立柱垂直方向分力之和由螺栓组处产生的摩擦力FTY承担，此分力之和对立柱产生的弯矩由上下螺栓组处一对拉压力FMX形成的力矩抵消，输送带张力沿垂直立柱方向分力qNX均匀加载于滚筒轴承座接触面；斜撑受力与立柱类似，此时受力均向沿着斜撑方向和垂直斜撑方向简化。立柱、斜撑的受力模型如图2、图3所示。

图2斜撑AB受力模型

FAX2.斜撑于A点所受X向约束分力FAY2.斜撑于A点所受Y向约束分力MA2.斜撑于A点所受约束力矩FMX2.弯矩产生的等效力FTY2.滚筒轴承座处产生的等效摩擦力qNX2.输送带张力产生的等效线性均载FBX.斜撑于B点所受X方向支反力FBY.斜撑于B点所受Y方向支反力MB.斜撑于B点所受力矩

图3立柱AC受力模型

FAX.立柱于A点所受X向约束分力FAY.斜撑于A点所受Y向约束分力MA1.立柱于A点所受约束力矩FMX.弯矩产生的等效力FTY.滚筒轴承座处产生的等效摩擦力qNX.输送带张力产生的等效线性均载FCX.立柱于C点所受X方向支反力FCY.立柱于C点所受Y方向支反力MC.立柱于C点所受力矩

(1）立柱的力法正则方程

(2）斜撑的力法正则方程

(3）建立A点变形协调方程

(4）建立A点力的协调方程

(5）求解方程

(6）强度及刚度的计算

求解出A点约束力后，立柱和斜撑即可按悬臂梁结构建立截面弯矩方程，从而得出最大弯矩、最大应力及变形，完成强度、刚度校核，因篇幅问题，此处不展开叙述。

2、滚筒支架计算程序的研发

VisualBasic（简称VB）是一种可视化、面向对象和采用事件驱动的高级程序语言，且具有功能强大、高效、开发成本低等优点，本文采用VB语言开发三角架计算软件，创建滚筒支架计算界面，编程求解以上方程组，最终计算得出最大应力变形，从而判断是否满足设计要求。

研发完成的滚筒支架设计程序以及输入相关已知参数后，最终计算的结果如图6所示。

图6滚筒支架计算程序

编程计算所得结果：斜撑与立柱交点A的水平分力134.4kN、垂直分力110.7kN;A点水平位移0.2781mm、垂直位移0.0627mm。

3、有限元仿真

本文在ANSYS软件中，采用梁单元建立滚筒支架的简易模型，立柱、斜撑在底座处节点添加全约束，滚筒安装位置处添加相关载荷，并进行静力学仿真，仿真结果如图7所示。

图7滚筒支架静力学仿真模型及结果

由图7可知，斜撑与立柱相交处节点为2，节点2水平方向位移0.24619mm、垂直方向位移0.066mm，节点2处水平方向分力为128kN、垂直方向分力112.5kN。

4、结语

本文首先建立了滚筒支架的力法正则方程、位移协调、力的协调方程，利用VB创建了以上方程的求解程序；然后利用有限元软件ANSYS对支架进行静力学仿真计算；最终得到斜撑与立柱交点处的水平分力、垂直分立、水平位移、垂直位移。对比2种方法的计算结果可知，ANSYS仿真结果与VB程序计算所得结果基本一致,从而验证了该计算方法及VB程序的正确性。

参考文献：

[1]周凯,李刚,惠忠文.基于VB的液压支架辅助设计程序开发[J].煤矿机械,2010,31(9):205-206.

李柳,段运雄.带式输送机滚筒支架计算及仿真[J].煤矿机械,2020,41(12):4-7.