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0、引言
    帶式輸送機(jī)是煤炭、冶金、港口、化工、電力等領(lǐng)域廣泛使用的連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備。近年來，隨著工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，采用大運(yùn)量、長距離、高帶速的帶式輸送機(jī)已成為發(fā)展的主流。但國內(nèi)外輸送機(jī)在使用中屢次發(fā)生疲勞破壞，造成重大損失。滾筒是帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其性能好壞嚴(yán)重影響著輸送機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和生產(chǎn)。為提高滾筒壽命的可靠性，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是采用較高的安全系數(shù)，但隨著設(shè)備的大型化，使?jié)L筒變得更加笨重，且可靠性方面并沒有明顯提高，因此不能滿足當(dāng)今工程實(shí)際的需要。為了能夠在滾筒設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)可靠性和估算壽命，開發(fā)了帶式輸送機(jī)滾筒疲勞壽命可靠性分析軟件，在對(duì)滾筒進(jìn)行了受力分析基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言建立有限元模型，并用VisuaJ C++軟件開發(fā)軟件界面，實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到了滾筒危險(xiǎn)部位應(yīng)力一時(shí)間歷程，采用雨流計(jì)數(shù)法處理有限元分析所得應(yīng)力譜，利用相關(guān)零部件材料的P-S-N曲線等各種性能參數(shù)，根據(jù)Miner疲勞損傷累積法則進(jìn)行滾筒的疲勞壽命可靠估算，利用SQL數(shù)據(jù)庫工具建立系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)表，并利用MA11AB繪制了基本的曲線圖形，最后以Word文字報(bào)表的形式將各種參數(shù)以及全部結(jié)果進(jìn)行保存，為提高帶式輸送機(jī)滾筒設(shè)計(jì)水平提供了良好的軟件系統(tǒng)平臺(tái)。
1、滾筒疲勞壽命可靠性分析方法
1.1滾筒結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型
    大型輸送機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)一般包括六部分：滾筒殼、滾筒軸、輻板、脹套、輪轂和軸承座（如圖l所示）。有些滾筒還有輪轂和滾筒軸、輪轂和輻板的連接件，一般滾筒表面覆蓋有橡膠或陶瓷以增大驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶間的摩擦系數(shù)。
    滾筒力學(xué)模型如圖2所示，輸送帶在滾筒上圍包角為a，輸送帶相通點(diǎn)張力值為T1，分離點(diǎn)張力值為T2。兩端輸送帶張力差值為（T1- T2），平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，張力差值產(chǎn)生的扭矩與滾筒軸上作用的扭矩相等。滾筒上包角a包括工作�。ɑ瑒�(dòng)�。�λ和靜止弧7，靜止弧λ范圍內(nèi)，沒有摩擦力，輸送帶張力沒有變化，即從d點(diǎn)c點(diǎn)處輸送帶張力T1是恒定的。輸送帶所傳遞的驅(qū)動(dòng)力實(shí)際上是動(dòng)弧上的摩擦力，在工作弧λ內(nèi)，輸送帶和滾筒表面有彈性滑移，相瓦間存在摩擦力，輸送帶張力T由6點(diǎn)至c點(diǎn)逐漸增大。
1.2滾筒有限元模型
    滾筒是一個(gè)復(fù)雜的組合體，建立有限元模型時(shí)，采取一些適當(dāng)?shù)暮喕�措施，以減少分析過程中的消耗。本文在建模時(shí)，對(duì)滾筒組件進(jìn)行了如下簡化：(1)雙驅(qū)動(dòng)滾筒簡化成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取滾筒的1/2建立模型； (2)忽略滾筒表面包膠質(zhì)量。
    根據(jù)滾筒結(jié)構(gòu)及載荷特點(diǎn)選用了ANSYS中3種單元SOLID45、SHELL63、SURF154．選用方法為：(1)對(duì)于輻板、輪轂及滾筒軸，采用SOLID45; (2)對(duì)于筒殼，選用SHELL63；(3)由于輸送帶和滾筒之間在動(dòng)角范圍內(nèi)有摩擦力的存在，需要應(yīng)用面效應(yīng)元來模擬表面載荷，選擇SURF154單元。
    根據(jù)滾筒力學(xué)模型，加載方法如下：(1)約束：在滾筒對(duì)稱面上的線和面加對(duì)稱約束，軸承對(duì)滾筒軸的約束加在滾筒軸與軸承接觸部分的節(jié)點(diǎn)上，所約束的自由度為柱坐標(biāo)x軸反方向；(2)面載荷：在傳送帶靜角范圍內(nèi)．只對(duì)滾筒施加法向載荷，直接用面效應(yīng)元加法向載荷。在帶動(dòng)角范圍內(nèi)，法向載荷是連續(xù)變化的，將連續(xù)載荷離散化，并逐個(gè)單元列施加法向面裁荷，切向載荷用面效應(yīng)元模擬；(3)體載荷：即重力．在定義材料密度后，根據(jù)重力加速度實(shí)現(xiàn)模擬；(4)慣性載荷：通過對(duì)結(jié)構(gòu)施加角速度實(shí)現(xiàn)模擬慣性載荷；(5)扭矩：選取軸一端加扭矩的節(jié)點(diǎn)，建立局部圓柱坐標(biāo)系，在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)Y方向施加力，完成扭矩的加載，如圖3所示。
1.3隨機(jī)載荷譜的建立
    目前國內(nèi)外有多種輸送機(jī)動(dòng)態(tài)分析軟件系統(tǒng)，通過系統(tǒng)分析可以得到輸送帶分離點(diǎn)和相遇點(diǎn)在啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)等各階段的張力載荷譜，供有限元分析使用。通過上述建立的有限元模型，依據(jù)張力載荷譜進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，將等效應(yīng)力最大點(diǎn)確定為滾筒危險(xiǎn)點(diǎn)，得到的危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程如圖4所示。
    圖4中各列對(duì)應(yīng)參數(shù)分別為時(shí)間、筒殼危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力、輪轂和輻板危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力、軸危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力。采用雙參數(shù)雨流計(jì)數(shù)法對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力一時(shí)間歷程進(jìn)行分析。經(jīng)過雨流循環(huán)計(jì)數(shù)后獲得應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值．將其存人對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，應(yīng)用Goodman平均應(yīng)力修正方法進(jìn)行平均應(yīng)力修正，得到平均應(yīng)力為零的載荷循環(huán)譜。
1.4疲勞壽命可靠性分析方法
    運(yùn)用線性疲勞累積損傷理論，結(jié)合危險(xiǎn)點(diǎn)材料的P-S-N曲線和平均應(yīng)力為零的載荷循環(huán)譜．進(jìn)行疲勞壽命可靠性分析。將輸送機(jī)運(yùn)行的循環(huán)過程分成了三個(gè)階段，整個(gè)過程的損傷也分成三個(gè)階段，分別計(jì)為啟動(dòng)D1、平穩(wěn)D2、制動(dòng)D3，總的損傷計(jì)D為D1、D2、D3之和，將各階段的應(yīng)力及相應(yīng)的P-S-N疲勞數(shù)據(jù)帶人軟件疲勞壽命計(jì)算模塊，分別計(jì)算各段損傷值，即可分析一定可靠度下的各段運(yùn)行壽命及規(guī)定運(yùn)行歷程和壽命下的可靠度。
2、滾筒疲勞壽命可靠性分析軟件
    帶式輸送機(jī)滾筒疲勞壽命分析軟件的開發(fā)方面，目前國內(nèi)外研究較少。綜合國內(nèi)外學(xué)者在其他領(lǐng)域疲勞可靠性的研究方法，并根據(jù)輸送機(jī)結(jié)構(gòu)和力學(xué)模型特點(diǎn)，所開發(fā)的軟件系統(tǒng)主要采用模態(tài)屬性對(duì)話框編寫方式，單文檔界面(SDI)。用戶界面設(shè)計(jì)的基本原則是：合理布局控件的位置：保持用戶界面元素的一致性；統(tǒng)一形式和內(nèi)容；保持界面的簡明；適當(dāng)、靈活地運(yùn)用顏色與圖像。
3、結(jié)論
    帶式輸送機(jī)滾筒作為帶式輸送機(jī)的主要傳動(dòng)部件．其設(shè)計(jì)能力與水平，關(guān)系到整個(gè)輸送機(jī)系統(tǒng)的安全性和可靠性。本文在帶式輸送機(jī)滾筒力學(xué)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行有限元分析，運(yùn)用有限元的分析結(jié)果，結(jié)合材料P-S-N數(shù)據(jù)，應(yīng)用Miner疲勞累積損傷準(zhǔn)則，應(yīng)用vc++語言、ANSYS的APDL語言、MATLAB、SQL數(shù)據(jù)庫等軟件共同開發(fā)出帶式輸送機(jī)滾筒有限元及疲勞壽命可靠性分析軟件，具有有限元分析、雨流計(jì)數(shù)、疲勞壽命可靠性分析等功能．通過工程案例驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性，為滾筒的合理設(shè)計(jì)提供了仿真平臺(tái)，避免了滾筒結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)中的盲目性．為疲勞可靠性設(shè)計(jì)節(jié)省大量時(shí)間，對(duì)提高滾筒的整體設(shè)計(jì)水平有重要的意義。