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带式输送机滚筒疲劳寿命可靠性分析软件开发
发布时间：2013-10-21 09:33 来源：未知
0、引言
带式输送机是煤炭、冶金、港口、化工、电力等领域广泛使用的连续运输设备。近年来，随着工业和技术的发展，采用大运量、长距离、高带速的带式输送机已成为发展的主流。但国内外输送机在使用中屡次发生疲劳破坏，造成重大损失。滚筒是带式输送机的关键部件之一，其性能好坏严重影响着输送机的正常运转和生产。为提高滚筒寿命的可靠性，传统设计方法是采用较高的安全系数，但随着设备的大型化，使滚筒变得更加笨重，且可靠性方面并没有明显提高，因此不能满足当今工程实际的需要。为了能够在滚筒设计时预测可靠性和估算寿命，开发了带式输送机滚筒疲劳寿命可靠性分析软件，在对滚筒进行了受力分析基础上，应用ANSYS的参数化设计语言建立有限元模型，并用VisuaJ C++软件开发软件界面，实现了瞬态动力学分析，得到了滚筒危险部位应力一时间历程，采用雨流计数法处理有限元分析所得应力谱，利用相关零部件材料的P-S-N曲线等各种性能参数，根据Miner疲劳损伤累积法则进行滚筒的疲劳寿命可靠估算，利用SQL数据库工具建立系统相关的数据表，并利用MA11AB绘制了基本的曲线图形，最后以Word文字报表的形式将各种参数以及全部结果进行保存，为提高带式输送机滚筒设计水平提供了良好的软件系统平台。
1、滚筒疲劳寿命可靠性分析方法
1.1滚筒结构与力学模型
大型输送机滚筒的结构一般包括六部分：滚筒壳、滚筒轴、辐板、胀套、轮毂和轴承座（如图l所示）。有些滚筒还有轮毂和滚筒轴、轮毂和辐板的连接件，一般滚筒表面覆盖有橡胶或陶瓷以增大驱动滚筒与输送带间的摩擦系数。
滚筒力学模型如图2所示，输送带在滚筒上围包角为a，输送带相通点张力值为T1，分离点张力值为T2。两端输送带张力差值为（T1- T2），平稳运行时，张力差值产生的扭矩与滚筒轴上作用的扭矩相等。滚筒上包角a包括工作�。ɑ。�λ和静止弧7，静止弧λ范围内，没有摩擦力，输送带张力没有变化，即从d点c点处输送带张力T1是恒定的。输送带所传递的驱动力实际上是动弧上的摩擦力，在工作弧λ内，输送带和滚筒表面有弹性滑移，相瓦间存在摩擦力，输送带张力T由6点至c点逐渐增大。
1.2滚筒有限元模型
滚筒是一个复杂的组合体，建立有限元模型时，采取一些适当的简化措施，以减少分析过程中的消耗。本文在建模时，对滚筒组件进行了如下简化：(1)双驱动滚筒简化成对称结构，取滚筒的1/2建立模型； (2)忽略滚筒表面包胶质量。
根据滚筒结构及载荷特点选用了ANSYS中3种单元SOLID45、SHELL63、SURF154．选用方法为：(1)对于辐板、轮毂及滚筒轴，采用SOLID45; (2)对于筒壳，选用SHELL63；(3)由于输送带和滚筒之间在动角范围内有摩擦力的存在，需要应用面效应元来模拟表面载荷，选择SURF154单元。
根据滚筒力学模型，加载方法如下：(1)约束：在滚筒对称面上的线和面加对称约束，轴承对滚筒轴的约束加在滚筒轴与轴承接触部分的节点上，所约束的自由度为柱坐标x轴反方向；(2)面载荷：在传送带静角范围内．只对滚筒施加法向载荷，直接用面效应元加法向载荷。在带动角范围内，法向载荷是连续变化的，将连续载荷离散化，并逐个单元列施加法向面裁荷，切向载荷用面效应元模拟；(3)体载荷：即重力．在定义材料密度后，根据重力加速度实现模拟；(4)惯性载荷：通过对结构施加角速度实现模拟惯性载荷；(5)扭矩：选取轴一端加扭矩的节点，建立局部圆柱坐标系，在节点坐标Y方向施加力，完成扭矩的加载，如图3所示。
1.3随机载荷谱的建立
目前国内外有多种输送机动态分析软件系统，通过系统分析可以得到输送带分离点和相遇点在启动、运行、制动等各阶段的张力载荷谱，供有限元分析使用。通过上述建立的有限元模型，依据张力载荷谱进行瞬态动力学分析，将等效应力最大点确定为滚筒危险点，得到的危险节点应力时间历程如图4所示。
图4中各列对应参数分别为时间、筒壳危险点的应力、轮毂和辐板危险点应力、轴危险点应力。采用双参数雨流计数法对危险点应力一时间历程进行分析。经过雨流循环计数后获得应力循环的平均应力和应力幅值．将其存人对应的数据库中，应用Goodman平均应力修正方法进行平均应力修正，得到平均应力为零的载荷循环谱。
1.4疲劳寿命可靠性分析方法
运用线性疲劳累积损伤理论，结合危险点材料的P-S-N曲线和平均应力为零的载荷循环谱．进行疲劳寿命可靠性分析。将输送机运行的循环过程分成了三个阶段，整个过程的损伤也分成三个阶段，分别计为启动D1、平稳D2、制动D3，总的损伤计D为D1、D2、D3之和，将各阶段的应力及相应的P-S-N疲劳数据带人软件疲劳寿命计算模块，分别计算各段损伤值，即可分析一定可靠度下的各段运行寿命及规定运行历程和寿命下的可靠度。
2、滚筒疲劳寿命可靠性分析软件
带式输送机滚筒疲劳寿命分析软件的开发方面，目前国内外研究较少。综合国内外学者在其他领域疲劳可靠性的研究方法，并根据输送机结构和力学模型特点，所开发的软件系统主要采用模态属性对话框编写方式，单文档界面(SDI)。用户界面设计的基本原则是：合理布局控件的位置：保持用户界面元素的一致性；统一形式和内容；保持界面的简明；适当、灵活地运用颜色与图像。
3、结论
带式输送机滚筒作为带式输送机的主要传动部件．其设计能力与水平，关系到整个输送机系统的安全性和可靠性。本文在带式输送机滚筒力学模型基础上，结合结构特点对其进行有限元分析，运用有限元的分析结果，结合材料P-S-N数据，应用Miner疲劳累积损伤准则，应用vc++语言、ANSYS的APDL语言、MATLAB、SQL数据库等软件共同开发出带式输送机滚筒有限元及疲劳寿命可靠性分析软件，具有有限元分析、雨流计数、疲劳寿命可靠性分析等功能．通过工程案例验证了系统的实用性，为滚筒的合理设计提供了仿真平台，避免了滚筒结构尺寸设计中的盲目性．为疲劳可靠性设计节省大量时间，对提高滚筒的整体设计水平有重要的意义。
