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一滚筒轴力学问题分析

带式输送机是一种连续式运输机械,它具有运输能力强、输送距离长,

可输送散状物料或成件物品等特点,在轻工业工厂中得到了广泛的应

用。而传动滚筒轴是该设备的主要零件之一,用来支承传动滚筒,传

递运动和扭矩。该轴受力和结构都比较复杂。在设计中,除采用传统

的类比法进行结构设计外,还要进行受力分析、强度校核等。而如何

运用力学基本原理把传动轴的结构、支座、载荷等诸多因素进行合理

简化,建立起恰当的力学模型,如何针对这些力学模型进行相关的各

种计算,这对教学双方来说都是一个很有意义的方法问题。本文对此

进行了较为详细的讨论。

1确定传动滚筒部件结构尺寸

我院轻工机械装备专业,在重要的实践教学环节毕业设计中,设计的

题目是“盐厂运输食盐的带式输送机的设计(每小时输送细盐800kN,

输送距离50m)”。通过到盐厂和运输机械制造厂毕业收资、现场测绘

及参考同类型产品的结构和受载情况,并考虑减轻重量、节约材料、

便于制造和装配等工艺因素,初定传动滚筒部件的结构和相关尺寸。

如图1所示。

图1传动滚筒部件

1—联轴器,2—轴承,3—键,4—滚筒,5—传动轴

2建立传动滚筒部件的力学模型

传动滚筒亦称驱动滚筒,是传递动力的主要部件。为了传递必要的牵

引力,输送带与滚筒间必需有足够的摩擦力。通过计算,传动滚筒部

件重量G=1000N,应用“逐点张力法”计算出胶带在各区段连接点

上的拉力(略)。其中最大拉力和最小拉力分别为S14和S1,即传动滚

筒绕入点和绕出点的拉力———传动滚筒所受拉力S14=8620N,S1

=3448N。如图2所示。怎样把传动滚筒部件处理成准确、恰当的力

学模型?我们从载荷与支座的简化两方面进行了考虑。

图2传动滚筒受力分析

2.1载荷的简化

首先,引导学生分析带式输送机与一般皮带传动机构间的相同与不

同之处。即传动机理相同,二者都是利用带与轮之间的摩擦力来传递

运动和动力;但二者的结构与受力则大不相同。一般皮带传动中带轮

的轴向尺寸远小于径向尺寸(长径比小,盘状),轮毂全长与轴接触。而

传动滚筒的轴向尺寸大于径向尺寸(长径比大,柱状),轮毂与轴仅在两

处局部接触,见下页图3。很明显,传动滚筒轴与一般带轮轴结构不

同,受力也不相同,滚筒轴受力比一般带轮轴受力复杂得多。另,传

动滚筒轴上要安装联轴器、轴承、键、滚筒等。参考同类型产品的结

构和受载情况,初步拟定各段轴的直径尺寸,从左到右依次为:φ

60mm※φ70mm※φ75mm※

φ80mm※φ75mm※φ80mm※φ75mm※φ70mm。轮毂与轴在相

距350mm,直径为80mm的两处局部接触。见图4。

图3带式输送机传动滚筒轴装配示意图

综合考虑以上因素,我们将传动滚筒所受拉力、自重等载荷简化到相

距350mm的两个中间平面处(即轮毂与轴的局部接触处,见图4),而

不采用一般带轮传动的常见处理方法———简单地将载荷简化到带

轮的中间平面上。这样处理的结果,将显著地降低轴上的最大弯矩值,

提高轴的弯曲强度,减小危险截面上的轴径。

图4传动滚筒部件的力学模型

2.2轴承支座的简化

传动滚筒轴两支座均采用深沟球轴承。根据轴承类型简化为铰链支座,

其位置在轴承宽度的中点(见图4)。实践证明,该力学模型准确、恰当

地反映了滚筒轴实际工作状况,为正确设计该部件打下了良好的基

础。

3按弯扭组合作用校核滚筒轴强度

选择轴的材料为45号钢,正火处理。按结构设计得各段轴径,见图3。

3.1画出轴的空间受力图(见图5(a))

1)轴上作用转距=(S14-S1)×D2=(8620-3448)×0.52=1293N·m

2)滚筒部件总重G=1000N

3)滚筒紧松边拉力S14、S1的合力:R2=S214+S21-2S14S1cos156°

=140497462NR=11853N

合力R与XAY平面(水平面)夹角很小,近似认为R作用在水平面内。

3.2作铅锤面内的弯距图(见图5(b))

1)铅锤面内支座反力NBV=500NNEV=500N

2)C截面的铅锤弯距MCV=125N·m

3)D截面的铅锤弯矩MDV=125N·m

3.3作水平面内弯矩图(见图5(c))

1)水平面内支座反力NBH=5926.6