多滚筒支架的埋板受力分析与结构仿真

doi：10.3969/j.issn.1672-6375.2023.11.008

摘 要：圆管带式输送机正在朝着大运量、长距离的方向发展，常采用中部驱动系统。中部驱动系统的滚筒支架至少配置3个滚筒，其受力状态较普通滚筒支架更为复杂。多滚筒支架系统既承受皮带张力作用，也承受多个减速机的扭矩，准确计算滚筒支架对埋板的作用力尤为重要，一旦受力提资错误将造成严重后果。且由于受力较大，必须对滚筒支架进行强度和刚度校核。本文首先对三滚筒支架、四滚筒支架的埋板受力进行理论计算，然后借助多刚体动力学软件进行仿真验证，最后利用有限元软件分析支架的受力状态。相关的研究成果对于多滚筒支架的埋板受力提资和结构材料选型有一定参考价值。

关键词：管带机；滚筒；支架；有限元

中图分类号：TH-39" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文献标志码：A

随着经济和技术的发展，矿山、粮食、港口输送等行业对散料和粉料等物料输送提出了更高的要求，要求管状带式输送机（简称管带机）朝着大运量、大管径和长距离等方向发展。这些要求会使得电机总功率、减速器传递的总扭矩和皮带的有效拉力大大增加，导致滚筒支架的设计更为复杂。滚筒与支架组成一个整体，既要承受皮带拉力，也要承受多个减速机传递的扭矩，计算错误将导致增加设计成本和施工成本，甚至在运行中发生支架断裂等重大事故。因此准确计算滚筒支架的受力、强度和刚度等显得极为重要。

支架的传统设计方法是依据手册^[1]中的经验表格进行选取，但对受力情况复杂、超过型谱范围的项目则没有参考意义。胡坤等^[2]基于CATIA对角形传动滚筒支架进行了有限元分析，发现立柱与中部横梁、中部横梁与斜撑、斜撑与底梁以及立柱与底梁的H型钢焊接处 Von Mises 应力较大，最大应变在支柱顶端。张万山^[3]对传动滚筒头架分别利用材料力学和有限元法进行了强度分析。闫晨晨^[4]运用ANSYS进行头架的优化，对比分析了梯形头架和三角形头架的应力应变，发现三角形头架应力应变较小。李健和武炯^[5]运用UG的有限元模块优化了双滚筒的矩形支架。廖辉^[6]利用ABAQUS的二次开发编制插件，可对多种形式的支架进行强度和刚度的校核。

上述文献都只分析了1个或2个滚筒支架的强度，较少涉及3个滚筒或4个滚筒，多数是角形和梯形支架，较少分析矩形支架，而矩形支架在3个或4个滚筒中较常见，且多滚筒的皮带张力更大，传递的功率更大，借助有限元法分析支架强度、刚度等性能参数具有更重要的意义。

本文先建立三滚筒支架的埋板力学模型并求解，运用多刚体动力学验证，在此基础上建立四滚筒支架的受力模型，计算支架埋板的受力，最后运用有限元软件分析支架的强度和刚度。

1 力学模型的退立与验证

滚筒支架埋板受力计算的准确与否，关系到整个项目的安全。多滚筒支架往往比单滚筒支架承受更大的张力和扭矩，同时滚筒数量越多，求解受力越复杂。一旦计算错误，可能导致支架被拔起等严重事故，如图1所示。因此建立多滚筒支架埋板受力计算方法具有重大意义。

1.1 三滚筒支架埋板受力的力学模型分析与验证

1.1.1 三滚筒支架埋板受力的力学模型分析

如图2所示，图中给出了头部驱动的三滚筒及支架的一半，两者中心对称。因此皮带紧边张力、松边张力和滚筒重力均取实际数值的二分之一。3个滚筒中仅有1个为改向滚筒，另外2个为驱动滚筒，驱动滚筒传递扭矩，节点1和节点2各有1块埋板。

支架、滚筒和皮带组成系统，忽略支架重力，假设滚筒支架柱脚受到的力分别为F_1y和F_2y，方向为竖直向下，在水平方向上则假设为方向水平向左。x和y方向的力平衡，力矩平衡取节点1为矩心，可得到3个独立方程：

式中：F_1x和F_2x分别是节点1、节点2处的水平分力；F_1y和F_2y分别是节点1、节点2处的竖直分力；T₁是紧边拉力；T₂是松边拉力。w₁～w₅和h₁～h₃分别是图示的距离。

假设2个节点在水平方向受力相同，由此可解出x向的受力，进而求出所有未知量。

某工程项目中具体参数如下：

h₁=2.5 m；h₂=0.5 m；h₃=0.5 m；h₄=0.2 m；w₁=2 m；w₂=w₃=0.5 m；G₁=G₂=G₃=100 kN；T₁=800 kN；T₃=500 kN。

解得F_1x=－650 kN；F_2x=－650 kN；F_1y=－2 000 kN；F_2y=1 700 kN；

埋板与节点1和节点2的力是相互作用力，得F_1x=650 kN；F_2x=650 kN； F_1y=2 000 kN，F_2y=－1 700 kN。埋板1受竖直方向的竖直下压力2 000 kN，且受到水平向左力650 kN。埋板2受到竖直向上的1 700 kN，且受到水平向左力650 kN。

1.1.2 运用多刚体静力学验证模型

运用商用多体系统动力学软件ADAMS求解节点处的受力，求解结果详见图3。边界条件如下：

施加载荷，进行仿真，得到埋板节点受力，详见图4（a）、（b）。结果与理论计算相吻合，验证了理论计算的正确性。

1.2 四滚筒支架埋板受力的力学模型分析

4个滚筒的驱动形式在长距离带式输送机中部驱动上更为常见，其包含2个驱动滚筒和2个改向滚筒。松边拉力和紧边拉力均较大。

如图5所示，4个滚筒中有2个为改向滚筒，另外2个为驱动滚筒，驱动滚筒传递扭矩，滚筒转动方向相同，忽略支架重力，节点1和节点2各有1块埋板，求解埋板受力情况。滚筒、皮带和支架组成1个系统，图中仅是全部的一半，松边拉力、紧边拉力和滚筒重力均为对应整体的二分之一。根据x和y方向的力平衡，和节点1处的力矩平衡，可得到3个独立方程，方程如下：

假设节点1和节点2处水平力相同，可求解方程中所有未知量。

某工程项目中具体参数如下：

h₁=1.5 m；h₂=1 m；w₁=2 m；w₂=w₃=0.5 m；D=1 m；w₄=w₁－0.5D=1.5 m；w₅=0.5 D=0.5 m；G₁=G₂=G₃=G₄=100 kN；T₁=800 kN；T₃=500 kN。

解得F_1y=450 kN；F_2y=450 kN。

埋板受力与节点1和节点2的力是相互作用力，得F_1y=－450 kN，F_2y=－450 kN，埋板1受竖直向上方向的力450 kN，埋板2受到竖直向上的力450 kN。

2 强度与刚度分析

滚筒支架必须满足强度和刚度方面的要求，才可能保证管带机的安全稳定运行。在求解出节点1和节点2受力的基础上，再校核支架的强度和刚度。

2.1 强度校核

支架受力情况比较复杂，不同构件受力差异大，即使是同一构件，在不同的区域也有不同的受力情况，适用的强度准则也有所差异。要求支架在管带机中有足够的强度，且变形较小。因此可以通过Von Mises 应力判断支架是否发生塑性变形及支架安全性。Von Mises 应力的计算公式如下：

式中：σ₁、σ₂和σ₃是主应力；σ_xx、σ_yy和σ_zz是正向应力；τ_xy、τ_xz、τ_yz是3个独立的切应力。

图6（a）、（b）是新疆国信项目滚筒支架及皮带张力示意图。支架的横梁和柱脚均是使用同一种H型钢，规格为H390×300×10×16。图7是滚筒支架主体的Mises应力云图，最大Mises应力约为72 MPa，在支架左侧柱脚型钢的翼缘上。安全系数约为2，满足支架的结构强度要求。焊接处的应力均较低，小于70 MPa，也能满足焊缝的强度要求。

2.2 刚度校核

刚度体现为构件整体变形或局部变形的变形量，滚筒支架必须保证足够刚度以满足输出驱动力的需求。图8是支架的位移云图，最大位移约0.875 mm，位移从上往下逐渐减少，符合实际情况。支撑架的刚度要求为位移小于支撑架高的1/1000，即位移要求小于2.5 mm，说明本结构刚度余量较大。

3 结论

发展大运量、长距离的大管径的高规格管带机是行业必然趋势。多滚筒支架的受力状况更加复杂，设计人员必须掌握科学的设计理论和先进方法才能满足未来发展需要。本文总结了多滚筒支架埋板的受力理论计算方法，并采用多刚体力学分析验证了该理论的准确性。借助大型有限元软件，对新疆国信带式输送机项目的多滚筒支架进行静力分析，确认了该支架的强度和刚度均满足钢构件安全使用要求，有效提高了设计准确性，保证了运行使用效果。

参考文献：

[1]" 北京起重运输机械设计研究院，武汉丰凡科技开发有限责任公司. DTⅡ（A）型带式输送机设计手册[M]. 2版.北京：冶金工业出版社，2013.

[2]" 胡坤，郭永存，王鹏. 基于CATIA的角形传动滚筒头架有限元分析[J]．机械设计与制造，2011（8）：25-26.

[3]" 张万山. 带式输送机传动滚筒头架有限元分析[J]. 露天采矿技术，2013（9）：72-73+75.

[4]" 闫晨晨. 带式输送机机头支架的优化研究[J]. 机械管理开发，2019，34（11）：67-68.

[5]" 李健，武炯. 基于UG的带式输送机传动滚筒架有限元分析[J]. 煤矿机械，2017，38（10）：178-179.

[6]" 廖辉. ABAQUS二次开发在圆管带式输送机滚筒支架分析中的应用[J]. 煤炭技术，2018，37（2）：285-287.

收稿日期：2023-08-16

作者简介：蓝武生（1990-），男，大学本科，工程师，主要从事散料输送的管带机、皮带机及相关附属设备的研究。