王 新 韋晶磊

（北方重工集團(tuán)有限公司輸送設(shè)備分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

1 建立有限元模型

外形基本尺寸：滾筒直徑D=1000mm，筒體寬度L=1600mm，與脹套結(jié)合處軸直徑為320mm。本文采用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks，分別對(duì)滾筒、接盤、脹套和軸建立基本模型，通過特有的裝配關(guān)系把他們裝配到一個(gè)新的裝配體中，通過這種方法，得到所需要的力學(xué)模型。在建模過程中，我們適當(dāng)?shù)牟扇『?jiǎn)化措施。本文在建立滾筒模型時(shí)對(duì)其簡(jiǎn)化方法如下：

（1）略去了滾筒軸的所有倒角。（2）不考慮滾筒包膠與傳動(dòng)滾筒之間的相互作用，直接將滾筒質(zhì)量等效到筒殼上。（3）略去次要構(gòu)件，將軸承座簡(jiǎn)化為對(duì)軸的約束。（4）由于滾筒為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取1/2滾筒建立有限元模型，這樣可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和費(fèi)用。做了上述簡(jiǎn)化之后導(dǎo)入ANSYS中，建立幾何模型。

2 材料的屬性

在進(jìn)行有限元分析前，必須輸入滾筒材料的相關(guān)屬性，如表（1）所示。

表1 傳動(dòng)滾筒各零件的材料特性

3 正確劃分模型網(wǎng)格

本文采用自由網(wǎng)格劃分單元，由于焊縫處和滾筒的過渡面處受力分析很重要，因此要多劃分單元，其余大部分采用粗劃單元。

4 邊界條件的界定

由于分析的是雙驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)滾筒，是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以我們只分析滾筒模型的一半即可，對(duì)模型的約束應(yīng)該在對(duì)稱面和軸支撐處。本文滾筒選擇調(diào)心軸承，由于滾筒軸可以在垂直軸心線的方向上實(shí)現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)角，因此對(duì)軸承的約束通常選用柱坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)邊界條件的限定。

5 載荷的施加

模擬載荷在有限元分析中非常關(guān)鍵。經(jīng)過分析滾筒表面的載荷有兩種，正載荷和切向載荷，正載荷在維包角方向通常符合歐拉公式的變化規(guī)律，因此本文對(duì)滾筒表面施加載荷的方法是采用函數(shù)加載。而切向載荷使用同樣的加載方法。除了表面所受載荷以外，傳動(dòng)滾筒還受來自電機(jī)端的扭矩作用。本文把扭矩轉(zhuǎn)化為集中力的載荷。

6 求解

載荷施加完以后，即可進(jìn)行有限元求解。本文使用直接求解法求解。

7 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)傳動(dòng)滾筒的有限元模型求解完成后，就可以對(duì)傳動(dòng)滾筒的各零件進(jìn)行分析見，圖1、圖2。

圖1為傳動(dòng)滾筒應(yīng)變?cè)茍D，從圖中可以看出滾筒的最大變形量為0.159mm，滾筒筒殼的中部是最大的變形位置。由于分析結(jié)果中給出的是瞬時(shí)的變化情況，在理想情況下，滾筒在軸向的受力是不發(fā)生變化的，而是沿滾筒圓周方向的受力發(fā)生交替變化，滾筒旋轉(zhuǎn)一次就受力就變化一次，所以滾筒在筒殼中圓周處的變形最大。

對(duì)傳動(dòng)滾筒的剛度分析通常是分析軸的剛度Ymax=0.058mm，而[Y]=1/2500A=0.84mm 式中A——兩軸承的間距，A=2100mm。顯然Ymax<[Y]，滿足剛度要求。

對(duì)比滾筒變形前后情況，在外載荷作用下的滾筒，受力處圓弧向里凹，而不受力的圓弧部分向外凸出。傳動(dòng)滾筒工作的時(shí)候這種情況在滾筒旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)交替發(fā)生，由于筒殼的彎曲變形，使得膠帶受力不均勻，同時(shí)焊縫的應(yīng)力也增加。因此如果打算減少筒殼的變形，需要再筒皮內(nèi)部焊接筋板，用來增加筒殼的剛度。

圖2是應(yīng)力分析云圖，從圖中結(jié)果顯示傳動(dòng)滾筒的應(yīng)力主要集中分布在軸承與接盤之間的軸段、脹套外端面、以及接盤幅板處和筒內(nèi)壁，最大等效應(yīng)力分布在軸與軸承接觸內(nèi)側(cè)凸肩處，其值為σvommises=36.9Mpa，根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度理論，σvommises<[σ]= σ0.2/FOS

式中σvommises：最大米賽斯等效應(yīng)力；FOS：安全系數(shù)；σ0.2：材料屈服強(qiáng)度，[σ]：材料的許用應(yīng)力；經(jīng)查詢滾筒軸的σ0.2為650MPa，傳動(dòng)滾筒的安全系數(shù)通常為3～4，則FOS =650/36.9 >4。所以，本文分析的滾筒強(qiáng)度能夠滿足要求。

通過以上分析，我們得到以下結(jié)果：

1 ）對(duì)滾筒進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最好對(duì)外裝軸承式滾筒的兩軸承間距取小值，對(duì)兩幅板的間距通常取較大的值。

2 ）對(duì)接盤的幅板可以設(shè)計(jì)成變截面形式，即“軟幅板”，這樣就可以控制幅板的剛性，進(jìn)而減少對(duì)軸、脹套和輪轂的沖擊，對(duì)滾筒起到一定的緩沖作用。

3 ）焊縫位置：對(duì)于接盤與筒皮的設(shè)計(jì)最好選擇在應(yīng)力最小處。

結(jié)語

本文利用Solidworks軟件對(duì)傳動(dòng)滾筒建立了精確的模型，同時(shí)采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)滾筒零件的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，并繪制了相應(yīng)的應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力云圖。從分析結(jié)果中得出傳動(dòng)滾筒的變形最大值和應(yīng)力最大值，進(jìn)而判斷所設(shè)計(jì)的滾筒是否滿足強(qiáng)度和剛度要求，對(duì)今后在傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)方面具有一定意義。

[1]王友海，顏慧軍，胡長(zhǎng)勝.大型有限元分析軟件ANSYS的特點(diǎn)[J]，建筑機(jī)械，2000.

[2]江洪，魏崢，王洪威.Solidworks二次開發(fā)實(shí)例解析[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：15-19.