解析传动滚筒焊接技术及有限元模型

皮带输送机是以输送带兼作牵引机构和承载机构的连续输送机械，对零部件设计的要求很高。传动滚筒是皮带输送机的主要传动部件，传动滚筒把皮带输送机主电机强大扭矩传至输送带，拖动负载，实现运输，其可靠性和使用寿命严重影响着输送机的性能。目前，传动滚筒多数采用焊接方法制造，主要结构一般分为筒体、筒毂、滚筒轴等 。在皮带输送机正常工作中，传动滚筒受到圆周方向剪切力和交变循环径向拉应力、压应力的作用，焊接位置中裂纹极易扩展，导致疲劳破坏，引发滚筒失效。因此，对传动滚筒焊接位置的设计显得尤为重要。

1、传动滚筒受力分析

传动滚筒除了受到重力和扭矩外，还受到输送带张力。出于滚筒强度校核的目的，此处假设滚筒满负荷运转，即滚筒上输送带张力不存在静止弧，滑动弧占满整个围包角。输送带对滚筒筒体的张力如图1所示，在包角α范围内，根据弹性体欧拉公式有下式成立：

Fθ=F2eμθ

式中 F2——输送带松处的张力，N；

μ——输送带与滚筒问摩擦系数；

θ——从b点算起的弧度，rad；

Fθ——θ处输送带所受张力，N。

传动滚筒在θ处单位表面所受的正压力Pθ和单位表面所受的摩擦力fθ分别为：

Pθ=2 Fθ/BD=2 F2eμθ/BD

fθ=μPθ=2 F2eμθ/BD

式中B——输送带宽度，m；

D——滚筒外径，m。

1、传动滚筒有限元模型

(1)传动滚筒几何参数

由于对传动滚筒建立三维有限元模型结构较为复杂，应采取相应的措施进行简化，如忽略小的圆角、倒角、轴颈，将轴承座对滚筒的约束视为简支梁约束等，简化后的传动滚筒结构图如图2所示。

a一胀套间距；b一筒体长度；c一轴承间距；d一轴总长度；e一轴端长度；f一筒毂宽度；g一胀套宽度；h一轴端外径；i一胀套内径；j一筒体外径；k一简体壁厚

(2)传动滚筒材料属性

传动滚筒主要由筒体、筒毂和滚筒轴组成，其中筒体材料Q345B，屈服极限345MPa；筒毂材料ZG230—450，屈服强度是230MPa，抗拉强度 是450MPa；滚筒轴材料37SiMn2MoV，屈服极限835MPa，抗拉强度是980MPa。按照弹性模量E=210000MPa，泊松比 μ=0.3，分别为筒体、筒毂和滚筒轴赋给材料属性。

(3)传动滚筒网格划分

在传动滚筒网格划分模块中，将全局种子数设置为15，并采用精度高的二次减缩积分C3D20R单元类型，有效的避免了沙漏问题。

传动滚筒复杂的应力分布情况和变形机理，是造成滚筒设计困难的最主要的原因。运用ABAQUS软件对皮带输送机传动滚筒在正常运行工况及逆止工况进行三维有限元静力分析，得出了滚筒的交变应力分布规律，并可利用有限元计算结果，找出设计中的薄弱环节。研究表明：滚筒筒毂与筒体相连焊接位置控制在总长的12%~17%比较合理，为滚筒的设计提供了依据。