帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的動(dòng)態(tài)特性分析

李 剛

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006）

引言

帶式輸送機(jī)是輸送作業(yè)中的主要工具之一，其主要結(jié)構(gòu)包括輸送帶、驅(qū)動(dòng)滾筒、上下托輥、張緊裝置和各類支撐架等，借助輸送帶與驅(qū)動(dòng)滾筒之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，將物料運(yùn)送到指定位置。其輸送作用在生產(chǎn)自動(dòng)化及連續(xù)輸送作業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用，輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行是安全高效作業(yè)的重要保障。隨著對(duì)輸送機(jī)工作量需求的增加，其帶速、長(zhǎng)度及運(yùn)載量不斷加大。然而，傳遞電機(jī)動(dòng)力和扭矩的主要部件——支撐滾筒，常在巨大的壓力下?lián)p壞，嚴(yán)重影響運(yùn)輸效率[1-4]。本文主要基于帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)理論，運(yùn)用三維軟件對(duì)帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒軸進(jìn)行實(shí)體建模，利用分析軟件對(duì)帶式輸送機(jī)的滾筒軸進(jìn)行模態(tài)分析，分析其在作業(yè)過程中的固有頻率、主振型、變形情況及相應(yīng)變形量，以求在抑制滾筒整體的振動(dòng)和滾筒軸變形方面得出有效結(jié)論，從而延長(zhǎng)帶式輸送機(jī)的使用壽命。

1 建模

建立帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒軸幾何模型。首先依據(jù)帶式輸送機(jī)現(xiàn)實(shí)中的幾何大小，利用三維軟件構(gòu)建其傳動(dòng)滾筒軸的三維幾何模型，模型為1∶1 仿制構(gòu)造，如圖1 所示。其次將構(gòu)建好的模型經(jīng)相對(duì)應(yīng)的接口導(dǎo)進(jìn)軟件中，最后得到傳動(dòng)滾筒軸的有限元模型。表1 所示為該結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和材料參數(shù)。

圖1 滾筒軸模型

2 網(wǎng)格劃分

對(duì)帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒軸模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文主要以生產(chǎn)線上常見的六輥軋機(jī)輥系作為研究對(duì)象。首先創(chuàng)建有限元模型。將第一步建立的帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒軸的仿制幾何模型導(dǎo)入分析軟件中，經(jīng)反復(fù)查閱資料，材料屬性參數(shù)參照表1 中的數(shù)值設(shè)定，此結(jié)構(gòu)參數(shù)具有代表性。完成材料屬性設(shè)定后，對(duì)輥系及機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型設(shè)置為自動(dòng)網(wǎng)格劃分，模態(tài)分析以前10 階作為研究對(duì)象。在X、Y、Z各方向上對(duì)機(jī)架施加位移為0 的約束（以地腳螺栓對(duì)機(jī)架剛性約束為前提）。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2 所示。

表1 帶式輸送機(jī)滾筒軸結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 滾筒軸的網(wǎng)格劃分

3 模態(tài)分析

對(duì)帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒軸進(jìn)行模態(tài)分析。運(yùn)用模態(tài)分析法，通過創(chuàng)建有限元模型，采用有限元分析的方式對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題進(jìn)行離散化處理，將其轉(zhuǎn)換變成求解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征值，運(yùn)用近似求解手段對(duì)特征值開始求解，從而對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況動(dòng)態(tài)探究。此研究主要求解的特征值和特征向量為結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型。

根據(jù)牛頓力學(xué)定律可得，機(jī)械動(dòng)力學(xué)方程的矩陣形式如下：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；{x¨}為加速度列陣；{x˙}為速度列陣；[K]為剛度矩陣；[C]為阻尼列陣；[S]為力矩陣。

此處主要采用計(jì)算模態(tài)分析的方法進(jìn)行研究。首先用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析。如前文所述，以前10 階作為基本研究對(duì)象，用軟件對(duì)帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，繼續(xù)用軟件對(duì)傳動(dòng)滾筒軸進(jìn)行模態(tài)求解，得出所需信息，包括固有頻率、變形情況及形變量等。數(shù)據(jù)整理見表2。

表2 傳動(dòng)滾筒軸的模態(tài)分析

從表2 模態(tài)分析中，可得出傳動(dòng)滾筒軸不同頻率下的最大變形量。其中頻率在656.25Hz、1082.40Hz、1 184.80 Hz、1 818.60 Hz 發(fā)生的變形量最大，所對(duì)應(yīng)的最大變形值分別為0.98 646 mm、1.227 90 mm、0.958 58 mm、1.056 30 mm，其對(duì)應(yīng)的振型圖如圖3所示。

通過研究結(jié)果可以看出，當(dāng)帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒軸受到外部施加的頻率與這4 個(gè)頻率相近時(shí)，易引發(fā)傳動(dòng)滾筒的共振，將有較大可能發(fā)生形變。同時(shí)從圖3 可以看出，軸面區(qū)域和軸承連接端最容易發(fā)生形變。

圖3 滾筒軸模態(tài)陣形圖

針對(duì)以上發(fā)現(xiàn)的問題，設(shè)想能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)提高滾筒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如增加傳動(dòng)滾筒軸表面質(zhì)量，采用彈性模量較大的輸送帶等方法來阻止振動(dòng)的產(chǎn)生，避免傳動(dòng)滾筒軸的共振及其他破壞形式。桑宏琪等的研究表明，帶式輸送機(jī)滿載啟動(dòng)時(shí)，若采用正弦加速控制曲線，輸送帶的波動(dòng)較小，且輸送機(jī)從啟動(dòng)到平穩(wěn)運(yùn)行所需要的時(shí)間最短，因此從動(dòng)力控制方面減少共振也可作為進(jìn)一步研究方向。

4 結(jié)語

帶式輸送機(jī)在生產(chǎn)自動(dòng)化及連續(xù)輸送作業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用，其穩(wěn)定運(yùn)行是安全高效作業(yè)的重要保障。隨著對(duì)輸送機(jī)工作量需求的增加，其帶速、長(zhǎng)度及運(yùn)載量不斷加大。支撐滾筒常在巨大的壓力下?lián)p壞，嚴(yán)重影響輸送效率。本文主要基于帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)理論，運(yùn)用三維軟件對(duì)帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒軸進(jìn)行實(shí)體建模，利用分析軟件對(duì)帶式輸送機(jī)的滾筒軸進(jìn)行模態(tài)分析，分析其在作業(yè)過程中的固有頻率及變形情況，找出對(duì)應(yīng)頻率振動(dòng)時(shí)的一些解決方法和研究方向，有效抑制傳動(dòng)滾筒整體的共振，防止傳動(dòng)滾筒軸變形，從而延長(zhǎng)帶式輸送機(jī)的使用壽命，為高效安全作業(yè)提供保障。