改向滚筒结构优化设计

摘 要：随着经济的迅速发展，我国科学技术水平在近年来也有显著提高，尤其在机械化水平上最为显著，这给滚筒结构、加工工艺及装配工艺带来了巨大的变化。当今社会焊接技术在不断发展，焊接强度变得稳定可靠，在滚筒设计过程中，越来越多的设计师们注意到焊接结构的作用，替换原有的铸造结构。采用胀套连接方式替换掉链槽连接细部结构部分。在加工技术方面，原有的加强肋板也被辐板代替。就当前发展形势来看，由刚性向柔性的设计理念已逐渐渗透到滚筒设计当中，并逐步成型且不断发展。

关键词：滚筒；结构；设计

1 滚筒结构设计中传统结构设计方法与存在的缺点

用传统的结构方法进行设计时，首先要根据以往的设计经验及判断来确定滚筒的结构形式，一般指结构布置、材料的选择、制定尺寸及制定相应工艺；其次是全面分析其结构；最后在滚筒成品生产完成之后才可以进行校对工作，一般都是通过力学模型来检测其强度是否符合规定条件，并对一些参数进行适当修订。由此可以得出结论：在传统设计理念中，缺乏合理的更新，只将结构分析视为校对及检验的工具。

由此可以分析传统设计中存在的缺陷是：（1）在有限的校对过程中，单次校对时间长，难度高，工作量大等问题，直接给设计人员带来困难；（2）材料分布情况不能得到有效合理的数据分析结果，对于提出理想的经济适用的方案有很大难度；（3）大量的精力都投入到初始设计方案当中，因此如果原则性问题出现在初始方案中，就会给整个设计带来不良影响，从而无法保证正确性，在年轻的设计师中，缺乏经验，压力又大。

2 滚筒结构设计优化现状

利用数学思想中的函数编程求解是滚筒结构设计得到优化的一个重要方式。利用数学思想，将数学模型运用到相应的结构转化当中，然后同样设置参数及目标函数，并且将约束条件抽离出来，进而可以将位置数值确定下来。通过此法得到的参数值可以达到使用条件标准，对细部尺寸进行参数化，进一步通过三维软件进行讨论，理论上可以实现最终目的，即优化滚筒结构设计。

虽然当前已经经历过很多的实验，然而，滚筒设计仍然不能在参数上给出最优化的一系列参数，在设计的过程中，设计人员仅仅改进了单一的零部件结构，以及研究其在整体结构中起到的作用及造成的影响。截至目前为止，仍然没有一套完整的参考设计方法可以应用到带式输送机整体参数的系统设计，优化所有零部件，特别是优化设计细部参数部分，装配方式组成的滚筒结构模式，有利于展开理论分析及参数验证整体结构，进而可以对所有参数组合进行最优的设计。考虑到整体结构的效果，设计员们都将思路集中到优化思想上，在滚筒设计研究课题中，这种思想极具突破性，值得人们关注并实践。

3 改向滚筒的优化设计

在滚筒设计优化的过程中，是彻底的将滚筒功能加以应用，仍然利用托辊为原型，利用托辊运动原理将滚筒设计为轴承内置形式[1，2]，在进行设计的过程中，主要思考方向是对结构的设计，对受力的分析，同时进行理论验证；在结构设计方面，主体内容是在产品的结构中应用到轴承内置理论，目的是实现突破改向滚筒的设计结构；然后利用对受力程度的分析来检验优化设计滚筒结构的功能是否可以在实际中应用，是否具有稳定的结构，同时能够实现同等运力的产品结构参数，因此此项工作急需解决；接下来理论验证就要通过全面比较轴承外置式和轴承内置式两种滚筒得出结论：改向滚筒的设计理念具有一定的优越性，同时还要找出这种理念下存在的问题及不完美的地方。综合所有信息对改向滚筒设计进行整体的评价[3]。

带式输送机在进行常规作业时，改向滚筒在整个运行过程中担负着端部变更运输方向的角色和增加输送带在传动滚筒上的包角， 同时利用改向滚筒拉紧装置从而达到张紧效果，实现其作用。在这三种功能作用不同的情况下，人们之所以称其为改向滚筒，是由于改向的功能体现在不同位置上，同时满足改向滚筒的受力分析，其承担的压力及摩擦力仅来自其上部的张紧力，并且不会受到来自主动力方向力的作用。出于对以上两点的考虑，在轮毂和轴中间放置轴承，避免轴随整个滚筒一起转动，此方法既可以实现改向滚筒的作用，还起到固定轴的作用，有利于实现整体滚筒的定位及受力强度的平衡[4]。

结合以往常用轴承外置式滚筒结构，以及基于创新的想法，现在所设计的轴承内置式改向滚筒新结构由轴座、轴、筒皮、接盘、轴承、透盖、密封圈Ⅰ和密封圈Ⅱ构成，结构示意图如图1：

图1 新型改向滚筒结构示意图

设计轴承座时，借鉴联轴器的连接方式，在两端轴座与轴之间采用键连接，接盘由辐板和轮毂两部分结构通过焊接技术使之成为一体结构，接盘与筒皮的连接方式则采用现如今比较可靠的埋弧焊接方式焊接而成，新设计结构中接盘与透盖通过螺栓连接，接盘与轴承采用过盈配合，轴承与轴也是采用过盈配合，配合尺寸满足接盘的内径比轴的外径大，透盖的内径比轴的外径大，而轴承则设计于接盘的内部，透盖的主要任务是用来保证内部轴承的干净不被污染，为了防止杂质等进入轴承，保障轴承的寿命，密封的作用则尤为重要，所以结构设计时设置了两个密封圈，（如图2）密封圈Ⅰ设在接盘与轴之间，密封圈Ⅱ设在透盖与轴之间。

图2 新型改向滚筒局部示意图

由上述本实用新型的技术方案可以看出，文章所述的新型改向滚筒，在结构上突破了传统轴承外置式改向滚筒的结构，使得结构设计简易合理，同时在生产以及现场应用上更为简便，对提高产量以及现场安装应用测试等操作提供了极大地空间和便利。新型改向滚筒的受力分析[5]：改向滚筒受力为：输送带所受的张紧力引起的对改向滚筒的压力P和两者之间的摩擦力Ff。两种滚筒受力相比，新型改向滚筒比传统滚筒少受到一个主动力矩的作用。

在传统滚筒进行受力分析的过程中可以得知，筒皮中点被视为筒皮的危险处，同时在轮毂辐板附近位置有较大的应力，无论从现场使用情况还是从经验方面，能够满足辐板附近位置的筒皮强度即可，根据现场真实状态来选择型号，并且仔细确认参数，接下来即可利用有限元分析软件展开模拟滚筒的现场操作。

在进行滚筒设计的过程中，设计员们就全面注意滚筒性能方面的稳定可靠，滚筒运行过程中保证筒体运转，同时保证轴不转，在任何情况下，都要保证筒体、轴、轴承及轴承座可以在同一圆心下运行。载负力始终由两个轴承均匀受载。相较于传统通用的改向滚筒两边的轴承和轴承座，都设置在滚筒体两侧外面的轴端处，筒体通过轴和轴承以及轴承座与输送机的钢架相连接有更大的优越性。传统的轴承外置式改向滚筒，在运转时筒体和轴一起转动，对轴承座的安装定位，正确性要求很高，稍不注意，就容易出现偏心，使得轴和轴承，轴承座三者不在同一个圆心上，轴承上受力就容易偏离轴承的中心线，增加了轴承的旋转阻力，容易造成轴承的局部磨损加速导致轴承的损坏。另一个细节就是为了纠正皮带跑偏现象不得不改变改向滚筒原有的定位点，容易使得轴承受力点偏移，造成轴承损坏。经过改进后的滚筒结构，不论在何种工况下，轴，轴承，轴承座都在同一个圆心上运转，减少了旋转阻力，降低了材料消耗和制造成本，降低运转时的能量消耗，延长了轴承的运转寿命，保持了良好的运转性能，安全可靠性高。

参考文献

[1]张亮有，董萌.带式输送机驱动滚筒非标准化设计[J].山西科技，2007（3）：123-124.

[2]李克信，平建明，刘曙辉，等.带式输送机换向滚筒结构分析与改进[J].中州煤炭，1999（5）：31-32.

[3]Callaghan.Advances in the design of mechanical conveyors[J].Bulk Solids Handling，1994（2）：255-281.

[4]陈志杰.可调式内轴承改向滚筒[P].中国专利：92215888.6，1993.

[5]杨好志，马魁文.带式输送机全焊改向滚筒强度分析[J].起重运输机械，2007（7）：65-67.