带式输送机中螺杆张紧装置的设计

任晓力

(中煤科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

在带式输送机张紧装置设计中,由于带式输送机输送距离长,一般采用重锤拉紧,而对于短距离带式输送机,最经济的方法是采用螺杆拉紧装置。螺杆拉紧装置具有结构简单、维护简单、造价低等特点,通常是尾部滚筒兼做张紧滚筒,输送带张紧的判断由操作者的技术来决定。

1 螺杆张紧装置形式的确定

螺杆张紧装置的张紧螺栓有两种安装形式:一种是螺杆上的螺母安装在张紧滚筒的轴承座处,螺栓旋转时螺杆位置不变,螺杆旋转带动滚筒移动，从而张紧输送带;另一种螺杆移动,螺母旋转实现调节,这种形式可使螺栓和滚筒中心线在同一平面内,从而毫无偏斜的张紧输送带,该设计更为精确,但需要特殊类型的支架,成本增加。通过分析研究，采用第二种紧张装置形式,其结构如图1所示。

由图1可知，螺杆支撑在两个支撑板之间，张紧滚筒座随着螺杆的转动而前后滑动，待输送带张紧后，用锁紧螺母将螺杆锁紧即可，输送带张力的方向F如图1所示。

1-螺杆;2-支撑板;3-锁紧螺母;4-张紧滚筒固定座;5-支撑板

图1张紧装置示意图

2 螺杆的设计

滑动螺旋的螺纹包括梯形、锯齿形及矩形3种形式，锯齿形螺纹主要用于受单向力，矩形螺纹虽然传动效率高，但加工困难且强度较低，故选择应用较广的梯形螺纹形式。

2.1 螺杆的中径

螺杆中径的计算公式：

(1)

式中：d2为螺杆所需的最小直径；F为螺杆所承受的轴向载荷,即为输送带张紧所需的张力;Ψ可根据螺母的形式选定,整体式螺母取1.2～2.5,部分式螺母取2.5～3.5;pp为螺杆的许用强度,钢对钢低速时取7.5～13 N/mm2。

计算出螺杆中径后，根据标准GB/T 5796.3—1996规定梯形螺纹基本尺寸,初取螺纹的基本尺寸,即可以先确定一个值，然后按螺纹的自锁条件计算后再确定是否合适。

2.2 螺纹的自锁条件

螺纹的升角:

(2)

式中：s为导程,mm，对于单线程螺纹，导程等于螺距；f为摩擦因数,查表取f=0.15；ρ′为当量摩擦角;α为螺纹牙型角30°。

通常取λ≤4°30′，若计算后不满足要求，说明螺距选择的不合适，需重新选择后再进行校核。

2.3 螺杆的材料

螺旋传动的主要零件是螺杆和螺母，要求螺杆材料有足够的强度和耐磨性，以及良好的加工性，一般螺杆可以不经过淬硬处理，材料一般选择45、50和Y40钢等。而要求螺杆具有较高的耐磨性时，需要经淬硬处理，材料可选用65Mn、40Cr和18CrMnTi合金钢等。

2.4 螺杆的张紧行程

张紧行程是指张紧滚筒在整个张紧装置内可移动距离的范围，张紧行程的大小取决于以下因素：

1) 启动、制动方式。直接启动和制动所需的张紧行程比有控制的加速启动或减速制动的张紧行程大得多。

2) 满载输送带启动和停止的频率。

3) 输送带的伸长和延长特性。一般可按下式进行计算，即：

(3)

式中：ξ为输送带的伸长率；Sa为安装行程；Lz为输送带的长度。

3 螺杆受压的稳定性分析

螺杆属于受压杆件，当最大应力达到极限应力(屈服极限或强度极限)时，会发生强度失效(出现塑性变形或破裂)。故只要其最大应力小于或等于许用应力，即满足了强度条件时，杆件就能安全工作。但在实际应用时，杆件由于输送带张力的突变，可能发生突然弯曲，进而产生很大的弯曲变形，导致杆件折断，此时杆件的压应力远低于屈服极限和强度极限。显然，此时的杆件弯曲并非因强度不够而引起，而是由于杆件在一定压力下突然弯曲，不能维持原有平衡状态而引起的。受压螺杆在外力作用下保持其原有平衡状态的能力称为构件的稳定性，螺杆的失效是杆件丧失稳定性引起的，属于稳定性失效。因此可对螺杆稳定性进行校核。

4 螺杆稳定性的校核计算

1)计算螺杆的揉度：

(4)

2)λ≥λ1时，按大揉度杆用欧拉公式校核：

(5)

3)λ2≤λ≤λ1时，按中揉度杆用经验公式校核：

(6)

式中：Fc为临界载荷,N;E为螺杆材料的弹性模量,MPa,对于钢材,E=2.1×105MPa;Ss为安全系数;λ1、λ2、a、b为与材料有关的常数，对于优质碳钢,可查表得：λ1=100,λ2=60,a=461 MPa,b=2.56 MPa。

通过上式可知,校核中首先计算出临界载荷,然后与轴向载荷乘以相应的安全系数进行比较。

5 螺杆的ANSYS仿真模型及分析

5.1 螺杆的仿真建模

螺杆的模型如图2所示,两端铰支固定约束,长度为600 mm,横截面积为20 mm2,在螺杆的一端施加压缩载荷。

图2 螺杆建模模型图

螺杆的材料属性如下：弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比σ=0.3，环境温度10 ℃。定义完材料的属性后，利用DesignModeler进行几何建模。由于是细长杆的稳定性，利用概念建模。建模完成后进行网格划分，利用系统默认的设置定义Automatic网格划分。

由于载荷垂直于面或边，会引起附加刚度分布，称为“压力载荷刚度”，这个附加效果在屈曲分析中使用静力分析时零时刻的压力值分析计算，由于该静力用于后续屈曲分析，故此处以阶跃载荷方式施加压力载荷。因屈曲载荷为屈曲载荷因子和单位载荷的乘积，故在增加载荷时仅施加单位载荷即可，只需一端施加1 N的力。模型的约束为两端铰接固定，具体实施时，添加两端在坐标X、Y、Z轴方向上的固定位移约束，即Fixed Supposed，同时限制整个模型发生旋转的约束Fixed Rotation。

5.2 仿真分析

定义完约束后，可对模型进行ANSYS求解，结果见图3。将计算出的屈曲载荷因子乘以单位载荷，得到临界载荷值，即可算出螺杆模型达到失稳的轴向载荷值，将其与计算得到的值进行对比，可以为螺杆的设计提供更多依据。

图3仿真结果图

6 结论

本文系统地介绍了带式输送机中螺杆张紧装置的设计方法，并对螺杆稳定性进行了深入的分析，在对螺杆稳定性进行分析的同时，借助ANSYS仿真屈曲分析，确定螺杆失稳的临界载荷值，为螺杆的设计计算提供了更多理论的依据和校核方法。