鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯市 010399
摘要：用有限元法对经典带式输送机输送带受力情况进行了分析。分析确定了在输送带转向处托辊作用于输送带上的接触力和变形。
关键词：有限元；输送带；输送机；托辊；接触力
Contact Force Analysis of the Conveyor Belt of Classic Belt Conveyor
Ren xing
Ordos Huaxing Energy Co.,Ordos010399
Abstract:The finite element method is used to analyze the force of the belt conveyor of the classic belt conveyor. The analysis determines the contact force and deformation of the idler on the conveyor belt at the turn of the conveyor belt.
Key words: Finite element； conveyor belt； conveyor； idler； contact force
1 背景
输送带橡胶的物理性能(主要是机械性能)是输送带无故障运行的重要前提。输送带运输中使用的橡胶材料的机械性能对输送带与驱动滚筒之间的摩擦和总功耗有直接的影响。刘英林[1]对传动滚筒周围输送带的张力进行了建模。Michal M [2]对输送带试样中的张力条件进行了建模，并采用有限元方法。Mazurkiewicz[3]采用有限元方法对卸扣连接输送带进行了分析。介绍了计算机辅助设计技术在大型带式输送机中的应用。也有学者提出了一种简化的方法来模拟车轮驱动橡胶带表面的滚动接触现象[4]。该方法的主要目的是确定带式输送机由于迟滞引起的滚动摩擦以及牵引与滑移之间的关系。所建立的模型是对现有线性粘弹性模型的扩展。Fedorko G[5]对最优悬挂式管式输送机进行了处理。他还从各个方面分析了管式输送机的设计经验。贺金虎 等人[6]利用ADAMS动力学仿真软件分别用两种方法即刚性带块建模方式和柔性带块建模方式,建立了输送带的模型以及带式输送机的总机模型。
2.普通带式输送带
采掘作业常用槽形输送机输送煤炭。输送带是这些输送机中最昂贵的部分，输送带通过向槽形[7]的转变而受到力的作用。输送带的最优化结构可以减少生产成本，减少维护成本。因此，选择最优的改造方式是提高输送带运行能力的关键。
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图1 带式输送机成型段[12]的计算原理
型腔截面计算原理如图1所示。普利司通提出的变换长度由[8]给出：
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式中：B—输送带的宽度,θ—槽角, ε—最大可接受的偏差(有钢芯带ε= 0.2%，无钢芯带ε= 0.8%)。根据式(1)，用长度为b的变换方法，确定带与托辊的宽度为全宽度。在计算的基础上，得出在离模型输送机滚筒最近的第三个托辊上接触力最大，其在中间托辊与输送带没有完全接触，输送带两侧的压力达到最大值。
3.计算模型
利用ABAQUS软件建立了有限元分析的几何模型。将输送带的材料性能定义为密度为1099 kg/mm-3的弹性层板，泊松数为0.499，剪切弹性模量为2.9 MPa杨氏模量在横向为5.4 MPa，纵向为397 MPa。在带的局部坐标系中确定材料性能的方向。托辊材料为弹性各向同性材料，强度7850 kg/mm-3，杨氏弹性模量为204000 MPa，泊松比为0.25。
采用非线性静力有限元分析方法。初始时间每步大小设为0.1，最小允许时间步长为1×10-5，时间增量的最大定义为1.0。为了简化计算，将输送带分成几个与托辊接触的部件。出于同样的原因，托辊也被水平分割。作为主面(在程序使用的术语中)，定义了托辊和输送带的表面，输送带与托辊的相应表面接触，图2所示。
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图2 托辊和输送带之间的接触部分
中心托辊以及滚筒都固定了所有的自由度。侧辊在x轴上固定，在y轴和z轴上旋转。这些托辊也有一个额外的边界条件，定义他们的旋转所需的角度。
考虑了输送带上的无载分布，输送带的自重仅代表输送带的装载量。在y轴方向为复杂模型定义重力，g = - 9.81m/s2
为了加快计算速度，没有考虑输送带预张力。模拟辊筒的单元尺寸为15mm，模拟皮带的单元尺寸为20mm。较小的单元尺寸可以提高结果的准确性，但是它会导致增加计算时间。
4.分析的结果
计算结果表明，带式输送机变形最大集中点位于靠近传动滚筒的3托辊位置。最大变形集中在两侧托辊，且变形是对称分布的，如图3、4、5所示。其中图5可见，3托辊输送带变形是最大的，1和2托辊输送带变形几乎没有。
计算结果表明，带式输送机最大应力集中点位于靠近传动滚筒的3托辊位置。最大应力集中在辊筒的两侧，且应力是对称分布的。如图6、7、9所示。其中图9可见，3托辊输送带应力是最大为0.05 MPa，2托辊输送带应力达到0.02MPa，1托辊输送带应力几乎没有。
分析了不同带式输送机改造对带式输送机传动能耗的影响。该模型具有较强的通用性，经简单修改后可用于分析带式输送机的不同结构。
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图3 输送带转向过程中输送带的形变
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图4在转向过程中输送带在滚筒上的变形挠度
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图5托辊位置输送带变形
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图6 转向过程中1托辊的接触压力
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图7转向过程中2托辊接触压力
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图8转向过程中3托辊接触压力
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图9 变形过程中，三个托辊接触压力在输送带横向上的分布
参考文献
[1]刘英林, LIUYing-lin. 带式输送机输送带启动张力研究[J]. 煤矿机械, 2012, 33(5):42-43.
[2]Michal M , Jozef H , Marasová Daniela. Application of the method finite elements by numerical modeling stress-strain state in conveyor belts[J]. Acta Montanistica Slovaca, 1997.
[3]Mazurkiewicz D . Analysis of the ageing impact on the strength of the adhesive sealed joints of conveyor belts[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 208(1-3):477-485.
[4]带式输送机起动特性对输送带张力影响的研究[D]. 太原理工大学, 2011.
[5]Fedorko G, Ivančo V, Molnár V, et al. Simulation of Interaction of a Pipe Conveyor Belt with Moulding Rolls[J]. Procedia Engineering, 2012, 48(1):129-134.
[6]基于ADAMS的带式输送机动特性仿真分析研究[D].太原理工大学,2014.
[7]胡坤,郭永存,王鹏彧,等.一种包含内摩擦的输送带动态特性研究[J].中国矿业大学学报,2012,41(4):669-674.
[8]刘倩倩,宋伟刚,杨涵.带式输送机滚筒筒壳受力状态的有限元分析[J].矿山机械,2017,45(12):30-35.