驱动绳轮的设计及有限元分析

赵士英　董汉政　李忠祥　刘学彬

摘要：钢丝绳牵引带式输送机中的关键部件之一驱动绳轮根据摩擦传动理论进行了设计，并进行有限元分析，确保满足强度要求和等效应力理论设计原则，进而使材料得到充分利用，减少成本，为今后驱动绳轮设计提供参考。

关键词：驱动绳轮；摩擦理论；ANSYS；等效应力

钢丝绳牵引带式输送机是用两条无极的牵引钢丝绳作为牵引机构，带有特制的双面耳槽的胶带搭在两条无极钢丝绳上，作为承载物料的构件，钢丝绳和胶带由驱动轮和钢丝绳间的摩擦力来驱动运行。

1 驱动绳轮的设计

驱动绳轮按照结构形式分为摩擦式、多滚轮式、抛物线式，但多滚轮式和抛物线式运转时对钢丝绳磨损较大，所以普遍使用摩擦式驱动绳轮。

Symax=S1·eμ0·α

根据摩擦传动原理，提高钢丝绳牵引力的方法有增大驱动绳轮和钢丝绳之间的摩擦系数、增大驱动轮的围包角以及提高钢丝绳的张紧力。所以增大衬垫与钢丝绳之间摩擦系数，增高衬垫允许比压来满足强度要求，同时对钢丝绳的磨损较小。综上所述选用摩擦系数为0.3，比压为小于等于300N/mm的聚氨基甲酸酯材料，輪径D=3000mm，衬垫沿轮圈圆周拼装。

2 驱动绳轮基于ANSYS Workbench的有限元分析

设计出驱动绳轮后，使用ANSYS Workbench14.5软件对其进行有限元分析。

2.1 模型前处理

驱动绳轮为Q235钢板焊接而成的焊接件，在ANSYS Workbench14.5中设置材料特性如下，其屈服强度σs=235MPa，弹性模量E=2.06×1011Pa，抗拉强度σb=370MPa，泊松比μ=0.3。

本文先在Solidworks2015软件中建模，然后将模型导入ANSYS Workbench14.5软件中，图1为采用自动划分网格的方法划分的有限元模型。

驱动绳轮为Q235钢板焊接而成的焊接件，所以使用Bonded（绑定）接触形式，对驱动绳轮与主轴接触的面施加固定约束，对驱动绳轮与钢丝绳接触的面施加压力P=40KN，对驱动绳轮施加驱动转矩T=156KN·M。如图2，为施加约束载荷后的模型。

2.2 结果后处理

如图3所示，驱动绳轮最大变形为0.259mm，位置在驱动绳轮与钢丝绳接触的中间位置附近，驱动绳轮在钢丝绳围包的驱动力作用下，产生向直径方向上的挤压变形，圆周上的焊接槽钢也在向心的拉力作用下产生变形，变形从钢丝绳包围的边缘向中心累加，在中间位置处达到最大，在0.25mm左右。

如图4为得到的驱动绳轮等效应力云图，驱动绳轮的最大等效应力值为58.74MPa，位置在驱动绳轮与钢丝绳接触的中间位置附近。圆周上焊接的槽钢的等效应力大部分在13MPa到58.74MPa之间，材料得到了充分的利用，符合等效应力理论设计原则。

3 结论

本文主要利用摩擦传动理论和有限元分析方法对驱动绳轮进行了设计与可靠性分析，并获得了等效应力云图，确保其符合理论设计原则，使材料得以充分利用，减少设计成本，并为今后驱动绳轮的设计提供理论参考。

参考文献：

[1]马丽，刘伟.钢丝绳牵引带式输送机放到转制动动态特性研究[J].煤炭科学技术，2007.

[2]胡志超，高立廷.钢丝绳牵引带式输送机的设计与发展[J].起重运输机械，2008.

[3]闫俊霞.基于ANSYS的钢丝绳卡绳器接触动力学分析[J].矿山机械，2013.

作者简介：赵士英（1991），男，山东科技大学机械电子工程学院在读硕士研究生。