焦作大学毕业设计 第二章 带式输送机传动滚筒的结构及受力分析
图 2.8 输送带轴向张力
式中 m ——载荷系数，m =1 时，为一次正弦曲线；m =3 时，为三次正弦曲
线。 适当的调节载荷系数可以更好的模拟滚筒的受力状态。
当轴向为均布载荷时： S（Z）?S?B
考虑载荷系数的条件下，传动滚筒在工作弧段内单位表面的正压力为：
P???S?2RBsinm?(B2?Z)m?(B2?Z)???（2-20） ?sinB2RBS出eB滚筒单位表面所受的摩擦力为：
f???P???S?2RB?sinm?(B2?Z)??m?(B2?Z)?? ?sinB2RBS出eB （2-21）
在备用弧段内，单位表面的压力1 P 为恒定值：
P1??S出2RBsinm?(B2?Z) （2-22）
B在实际中很难判断利用弧和备用弧，所以在进行有限元分析时，在加载时要对滚筒的载荷进行简化。
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焦作大学毕业设计 第三章 传动滚筒的结构
第三章 传动滚筒的结构设计
传动滚筒是带式输送机系统中比较关键的部件，目前国内外对于大型传动滚筒的计算方法均不够全面，给设计造成了困难。本章收集整理了国内外带式输送机传动滚筒设计的有关资料，结合实际设计使用经验，对滚筒结构的设计计算方法进行了分析研究，修正了有关计算公式，提出一套比较完整的滚筒设计方法，为以后做进一步研究提供了设计依据。
3.1 滚筒失效形式与许用应力的确定
3.1.1 传动滚筒的失效形式
（1）裂纹 裂纹易出现在辐板与轮毂以及辐板与筒体的焊接处；铸焊结构滚筒的接盘与筒体焊接处[13]。
（2）局部变形过大 此种情况多数是筒体的中部塌陷。
（3）压裂 滚筒长期受较大比压作用下，很容易使滚筒压裂破坏，裂缝往往是从一侧辐板焊接处沿轴向无规则开裂至另一侧焊接辐板处[14]。
（4）胀套连接螺栓被剪断或弯曲变形过大[15]。
3.1.2 失效产生的原因
滚筒失效的原因有很多种，具体包括：理论计算不足；结构设计不合理，造成过渡部分刚度相差过大；使用不当，如过载以及加速过大等；原材料有缺陷，如内部裂纹等；焊接工艺不当，如焊条或焊接参数选用不当，焊接处清洗不净，焊缝处未焊透以及焊后不进行热处理或热处理不当，造成焊接残余应力过大等。
（1）裂纹产生原因
①圆周焊缝拘束应力过大 辐板与轮毂、辐板与筒体连接处焊缝均为圆周封闭焊缝，焊接过程中产生的应力，焊接结束后随温度降低，焊缝收缩，径向残余应力不断加大，超过焊缝抗拉极限，焊缝中间或焊趾热影响区附近产生沿圆周方向裂纹。
②轮毂、筒体与辐板材料不一致 传动滚筒结构中，轮毂材质常ZG230~450 或ZG20Mn5V。筒体一般为优质碳素钢或无缝钢管。辐板采用钢板或铸钢结构，Q235-A或ZG20Mn5V。铸件成份得不到保证，常出现碳含量高及其他有害元素超标的情况。辐板材料为钢板，如焊接工艺措施不到位，焊缝可能出现裂纹。
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焦作大学毕业设计 第三章 传动滚筒的结构
③焊缝有明显的应力集中 由于焊接接头形式、坡口形式、熔透情况、焊缝截面形状等原因可能使焊缝处于较大的应力集中区域，而应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因。应力集中的存在有可能导致滚筒在焊接制造中产生裂纹或在使用中裂纹扩展。
④焊接工艺参数选择不当或操作者熟练程度不够 焊接工艺参数直接影响到焊接过程的连续性、稳定性，从而对裂纹的产生起到一定的作用。在手工或半自动电弧焊接中几乎所有焊接缺陷的产生都与焊工的操作水平有关。
（2）消除措施
①优化筒体焊接结构设计
为减小应力集中，焊缝表面最好为凹面，向母材表面应圆滑过渡。接头和坡口形式根据实际情况选择；辐板上开合适的减轻孔能有效的降低焊缝处的约束应力，同时还可提高辐板的刚性。开口数量一般在3 个以上。铸焊结构能有效的解决辐板与筒体及轮毂连接焊缝的裂纹问题；
②优化滚筒焊接工艺
轮毂、辐板和筒体的材料不一致时，可在较硬的含碳量高的轮毂表面堆焊过渡层；选用抗烈性较好的碱性焊条。工艺上通常采用预热工件或对称同时施焊等措施；焊后整体加热失效处理或局部加热缓慢冷却的方法能有效去除残余应力。
③加强检验手段，射线或超声波探伤。
此外，加强操作者的技术培训，提高操作技能，也是防止滚筒裂纹的重要环节。
3.1.3 滚筒许用应力的确定
筒体的材料通常是Q235-A 钢，铸造接盘多用ZG20Mn5V, Q235-A 钢的厚度在20mm~40mm 时，
?s?230MPa，?b =400MPa。从理论上分析可知筒体和
接盘所受的应力是变化的，且实践证明多数滚筒的失效都是在没有明显变形的情况下造成裂纹。设计计算时，都是按照静强度的方法来计算，或按照与疲劳强度等效的静强度计算。
安全系数是一个比较复杂的问题。它主要取决于下列几种因素：
（1）原材料的稳定情况，包括材料性质，原材料尺寸变化，制造工艺的稳定性等。
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（2）计算的精确度，包括外载荷，以及应力计算的精确程度。 （3）零件的重要程度。
根据滚筒的具体情况，其原材料和制造工艺都比较稳定，计算精度为中等，又是属于比较重要的零部件，根据经验可把安全系数取为1.5~1.8。目前，我国各厂家常取Q235-A 的许用应力[σ]=140MPa，安全系数都在1.5~1.8 之间。亦可以取材料的脉动疲劳极限为(0.52~0.56) [σ] ，安全系数为1.5。这样计算出的许用应力与上述相近。但考虑到滚筒在成形或安装时，会有局部凹陷的现象，故有人建议按上述方法计算出滚筒厚度后再加上2mm~3mm。滚筒的焊缝的许用应力至今无统一认识，设计中可以参照滚筒母材的许用应力或参照结构设计规范选取。在滚筒上焊缝截面的变化处均有应力集中，焊接处如不经退火也会有残余应力存在。未经处理的焊缝中心的残余应力，其值可达到屈服极限，当它与工作应力叠加时，造成平均应力增加。这样就大大降低许用疲劳强度。消除的办法是用退火、振动和锤击，以及火焰烘烤等，另外也可以采用预热法。为了减少滚筒接盘与筒体焊接处的应力，在保证轮毂有足够强度的情况下，可以适当减小轮 毂直径和提高轴的直径，为此宜采用较紧的胀套连接将轮毂压装在轴上。
3.2 传动滚筒结构设计
3.2.1 传动滚筒最小直径的确定
在带式输送机的设计中，选择滚筒的主要指标的是滚筒直径。选用大直径的滚筒对输送带使用有利。但是，当滚筒直径增大后，传动滚筒的质量、驱动装置减速器的减速比、减速器的质量和尺寸都需要相应增大。选择滚筒直径主要考虑以下因素：
（1）输送带绕过滚筒时输送带的弯曲应力；
（2）输送带发生弯曲的频次（与导绕方式、绕过滚筒的数目、运距和速度有关）；
（3）输送带与滚筒面间的最大或平均比压；
（4）输送带许用强度利用率（简称为RMBT，它是输送带最大张力与输送带许用张力之比的百分数）；
（5）输送机的安装地点和使用条件（例如：地面、井下、露天、移动、固定等）；
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（6）包胶和包胶的变形量。 输送带许用比压的滚筒直径：
D?360(S入?S出)[p]?????B （3-1）
式中： [P] — — 输送带许用比压， 钢绳芯带[P] =0.6MPa ， 尼龙和聚酯带
[P] =0.4MPa，帆布胶带[P] =0.2MPa
α ——输送带围包角，rad；
S入 ——输送带绕入端张力，N；
S出 ——输送带绕出端张力，N。
在钢丝绳下的比压较大，在钢丝绳下输送带区域相应允许较大的比压，在钢丝绳下比压所限制的最小滚筒直径
D?360(S入?S出)[P]?????B'?pd (3-2）
S式中 p ——钢丝绳间距，mm；
dS ——钢丝绳直径，mm；
[ p′] ——钢丝绳下输送带许用比压，[ p′] =1.2MPa。
3.2.2 筒体的厚度
筒体的厚度取决于滚筒的直径、筒体长度、输送带张力、制动时的磨损等因素。关于筒体厚度的计算十分困难，并且一般计算值偏小。但考虑到耐磨损等因素，筒体的厚度一般都取得较厚。一般大型带式输送机筒体厚度见表3.1。在确定筒体的厚度后，要对筒体的强度进行验算。由于筒体受法向和切向载荷，并且载荷的大小沿滚筒圆周方向是变化的，目前，关于筒体的计算尚无准确的计算方法。有限元计算虽然可以相对给出较为准确的计算结果，但是由于没有带式输送机滚筒计算程序，只能对个别的滚筒进行有限元分析[10]。筒体上所受的轴向应力和周向应力的方向如图3.1 所示。筒体在软辐板时最大应力产生在筒体的中部、筒体厚度的外部，一般情况下应力可用下式近似计算；
筒体的轴向应力：?x?0.65S?RL?t入mx （3-3）
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