任曉力

(中煤科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

在帶式輸送機(jī)張緊裝置設(shè)計(jì)中,由于帶式輸送機(jī)輸送距離長,一般采用重錘拉緊,而對于短距離帶式輸送機(jī),最經(jīng)濟(jì)的方法是采用螺桿拉緊裝置。螺桿拉緊裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)簡單、造價(jià)低等特點(diǎn),通常是尾部滾筒兼做張緊滾筒,輸送帶張緊的判斷由操作者的技術(shù)來決定。

1 螺桿張緊裝置形式的確定

螺桿張緊裝置的張緊螺栓有兩種安裝形式:一種是螺桿上的螺母安裝在張緊滾筒的軸承座處,螺栓旋轉(zhuǎn)時(shí)螺桿位置不變,螺桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾筒移動(dòng)，從而張緊輸送帶;另一種螺桿移動(dòng),螺母旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié),這種形式可使螺栓和滾筒中心線在同一平面內(nèi),從而毫無偏斜的張緊輸送帶,該設(shè)計(jì)更為精確,但需要特殊類型的支架,成本增加。通過分析研究，采用第二種緊張裝置形式,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，螺桿支撐在兩個(gè)支撐板之間，張緊滾筒座隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)而前后滑動(dòng)，待輸送帶張緊后，用鎖緊螺母將螺桿鎖緊即可，輸送帶張力的方向F如圖1所示。

1-螺桿;2-支撐板;3-鎖緊螺母;4-張緊滾筒固定座;5-支撐板

圖1張緊裝置示意圖

2 螺桿的設(shè)計(jì)

滑動(dòng)螺旋的螺紋包括梯形、鋸齒形及矩形3種形式，鋸齒形螺紋主要用于受單向力，矩形螺紋雖然傳動(dòng)效率高，但加工困難且強(qiáng)度較低，故選擇應(yīng)用較廣的梯形螺紋形式。

2.1 螺桿的中徑

螺桿中徑的計(jì)算公式：

(1)

式中：d2為螺桿所需的最小直徑；F為螺桿所承受的軸向載荷,即為輸送帶張緊所需的張力;Ψ可根據(jù)螺母的形式選定,整體式螺母取1.2～2.5,部分式螺母取2.5～3.5;pp為螺桿的許用強(qiáng)度,鋼對鋼低速時(shí)取7.5～13 N/mm2。

計(jì)算出螺桿中徑后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5796.3—1996規(guī)定梯形螺紋基本尺寸,初取螺紋的基本尺寸,即可以先確定一個(gè)值，然后按螺紋的自鎖條件計(jì)算后再確定是否合適。

2.2 螺紋的自鎖條件

螺紋的升角:

(2)

式中：s為導(dǎo)程,mm，對于單線程螺紋，導(dǎo)程等于螺距；f為摩擦因數(shù),查表取f=0.15；ρ′為當(dāng)量摩擦角;α為螺紋牙型角30°。

通常取λ≤4°30′，若計(jì)算后不滿足要求，說明螺距選擇的不合適，需重新選擇后再進(jìn)行校核。

2.3 螺桿的材料

螺旋傳動(dòng)的主要零件是螺桿和螺母，要求螺桿材料有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，以及良好的加工性，一般螺桿可以不經(jīng)過淬硬處理，材料一般選擇45、50和Y40鋼等。而要求螺桿具有較高的耐磨性時(shí)，需要經(jīng)淬硬處理，材料可選用65Mn、40Cr和18CrMnTi合金鋼等。

2.4 螺桿的張緊行程

張緊行程是指張緊滾筒在整個(gè)張緊裝置內(nèi)可移動(dòng)距離的范圍，張緊行程的大小取決于以下因素：

1) 啟動(dòng)、制動(dòng)方式。直接啟動(dòng)和制動(dòng)所需的張緊行程比有控制的加速啟動(dòng)或減速制動(dòng)的張緊行程大得多。

2) 滿載輸送帶啟動(dòng)和停止的頻率。

3) 輸送帶的伸長和延長特性。一般可按下式進(jìn)行計(jì)算，即：

(3)

式中：ξ為輸送帶的伸長率；Sa為安裝行程；Lz為輸送帶的長度。

3 螺桿受壓的穩(wěn)定性分析

螺桿屬于受壓桿件，當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力(屈服極限或強(qiáng)度極限)時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)度失效(出現(xiàn)塑性變形或破裂)。故只要其最大應(yīng)力小于或等于許用應(yīng)力，即滿足了強(qiáng)度條件時(shí)，桿件就能安全工作。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，桿件由于輸送帶張力的突變，可能發(fā)生突然彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生很大的彎曲變形，導(dǎo)致桿件折斷，此時(shí)桿件的壓應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服極限和強(qiáng)度極限。顯然，此時(shí)的桿件彎曲并非因強(qiáng)度不夠而引起，而是由于桿件在一定壓力下突然彎曲，不能維持原有平衡狀態(tài)而引起的。受壓螺桿在外力作用下保持其原有平衡狀態(tài)的能力稱為構(gòu)件的穩(wěn)定性，螺桿的失效是桿件喪失穩(wěn)定性引起的，屬于穩(wěn)定性失效。因此可對螺桿穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

4 螺桿穩(wěn)定性的校核計(jì)算

1)計(jì)算螺桿的揉度：

(4)

2)λ≥λ1時(shí)，按大揉度桿用歐拉公式校核：

(5)

3)λ2≤λ≤λ1時(shí)，按中揉度桿用經(jīng)驗(yàn)公式校核：

(6)

式中：Fc為臨界載荷,N;E為螺桿材料的彈性模量,MPa,對于鋼材,E=2.1×105MPa;Ss為安全系數(shù);λ1、λ2、a、b為與材料有關(guān)的常數(shù)，對于優(yōu)質(zhì)碳鋼,可查表得：λ1=100,λ2=60,a=461 MPa,b=2.56 MPa。

通過上式可知,校核中首先計(jì)算出臨界載荷,然后與軸向載荷乘以相應(yīng)的安全系數(shù)進(jìn)行比較。

5 螺桿的ANSYS仿真模型及分析

5.1 螺桿的仿真建模

螺桿的模型如圖2所示,兩端鉸支固定約束,長度為600 mm,橫截面積為20 mm2,在螺桿的一端施加壓縮載荷。

圖2 螺桿建模模型圖

螺桿的材料屬性如下：彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比σ=0.3，環(huán)境溫度10 ℃。定義完材料的屬性后，利用DesignModeler進(jìn)行幾何建模。由于是細(xì)長桿的穩(wěn)定性，利用概念建模。建模完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用系統(tǒng)默認(rèn)的設(shè)置定義Automatic網(wǎng)格劃分。

由于載荷垂直于面或邊，會(huì)引起附加剛度分布，稱為“壓力載荷剛度”，這個(gè)附加效果在屈曲分析中使用靜力分析時(shí)零時(shí)刻的壓力值分析計(jì)算，由于該靜力用于后續(xù)屈曲分析，故此處以階躍載荷方式施加壓力載荷。因屈曲載荷為屈曲載荷因子和單位載荷的乘積，故在增加載荷時(shí)僅施加單位載荷即可，只需一端施加1 N的力。模型的約束為兩端鉸接固定，具體實(shí)施時(shí)，添加兩端在坐標(biāo)X、Y、Z軸方向上的固定位移約束，即Fixed Supposed，同時(shí)限制整個(gè)模型發(fā)生旋轉(zhuǎn)的約束Fixed Rotation。

5.2 仿真分析

定義完約束后，可對模型進(jìn)行ANSYS求解，結(jié)果見圖3。將計(jì)算出的屈曲載荷因子乘以單位載荷，得到臨界載荷值，即可算出螺桿模型達(dá)到失穩(wěn)的軸向載荷值，將其與計(jì)算得到的值進(jìn)行對比，可以為螺桿的設(shè)計(jì)提供更多依據(jù)。

圖3仿真結(jié)果圖

6 結(jié)論

本文系統(tǒng)地介紹了帶式輸送機(jī)中螺桿張緊裝置的設(shè)計(jì)方法，并對螺桿穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的分析，在對螺桿穩(wěn)定性進(jìn)行分析的同時(shí)，借助ANSYS仿真屈曲分析，確定螺桿失穩(wěn)的臨界載荷值，為螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了更多理論的依據(jù)和校核方法。