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河南理工大學萬方科技學院
本科畢業(yè)設計（論文）中期檢查表
指導教師： 王 得 勝 職稱： 教 授
所在院（系）： 機械與動力工程學院 教研室（研究室） 機械設計教研室
題 目
帶式輸送機傳動滾筒設計
學生姓名
孔存陽
專業(yè)班級
08機設2班
學號
0828070072
一、選題質量：（主要從以下四個方面填寫：1、選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標，能否體現(xiàn)綜合訓練要求；2、題目難易程度；3、題目工作量；4、題目與生產(chǎn)、科研、經(jīng)濟、社會、文化及實驗室建設等實際的結合程度）
所選題目為帶式輸送機傳動滾筒設計，主要涉及傳動滾筒體的設計，傳動滾筒軸設計等，該設計與該同學本科階段所學專業(yè)知識聯(lián)系緊密，符合專業(yè)培養(yǎng)目標，題目的難易程度與工作量都比較適中，該題目與日常生產(chǎn)、科研等實際結合程度非常大，在做該設計時，需要查閱各種資料，完成很多的難題。
通過這次設計的鍛煉能夠很大程度的鍛煉學生的綜合運用知識的能力，為以后在
這方面的創(chuàng)新打下結實的基礎。
二、開題報告完成情況：
通過調查和工廠實習，明確自己的課題設計方向與內容，在實習中通過對帶式輸送機傳動滾筒的認真分析，順利完成開題報告。
3、 階段性成果：
1、在資料的收集與整理過程中，對力學的基本發(fā)展史有初步了解，基本掌握部分力學原理。
2、本次設計的實習報告與開題報告已經(jīng)完成，設計方案及內容已經(jīng)確定。
3、部分零件的設計已經(jīng)完成。
四、存在主要問題：
1、資料收集還不全面，一些理論與應用相結合的實踐做的還不好。
2、因專業(yè)知識薄弱，部分零件分析部分有困難。
3．局部結構設計思路不是很清晰，缺乏經(jīng)驗。
五、指導教師對學生在畢業(yè)實習中，勞動、學習紀律及畢業(yè)設計（論文）進展等方面的評語
指導教師： （簽名）
年 月 日
河南理工大學萬方科技學院
本科畢業(yè)設計（論文）開題報告
題目名稱
帶式輸送機傳動滾筒設計
學生姓名
孔存陽
專業(yè)班級
08機設2班
學號
0828070072
一、 選題的目的和意義：
帶式輸送機是用于散料輸送的重要設備之一。其結構特別簡單，運行平穩(wěn)可靠，耗能低，對環(huán)境污染小，便于集中控制和實現(xiàn)自動化，管理和維護方便，在連續(xù)裝載的條件下可實現(xiàn)連續(xù)運輸，因此，在國民經(jīng)濟各部門特別是煤炭和礦山運輸系統(tǒng)中應用十分廣泛。由于其適用范圍的不斷擴大和對其需求量的不斷增加，帶式輸送機的設計和制造技術也有了長足發(fā)展。傳動滾筒作為帶式輸送機的重要部件，其作用更是舉足輕重。傳動滾筒是一種驅動裝置，它主要應用于固定式和移動式的帶式輸送機設備，它的結構和工作原理對帶式輸送機整體特性影響很大。
滾筒的失效會給人身安全和整個系統(tǒng)帶來嚴重的后果，使企業(yè)遭受巨大的經(jīng)濟損失。特別是在復雜惡劣的工礦下，如何改進滾筒結構、提高工效、延長壽命，一直是科研人員所關注的課題。目前，在國內對于中小型滾筒一般采用近似公式進行設計計算，對于重型滾筒近似公式已不再適用，這就使得設計計算具有較大的盲目性。這樣設計出來的滾筒和工程實際有一定的差距，它的安全性和可靠性難以保證。一旦發(fā)現(xiàn)問題，通常是采用增大尺寸的方法來解決，但是這樣做并沒有解決實際性的問題。不但浪費材料增加成本，還不能達到預期的目的，隨著帶式輸送機的大型化，合理的設計制造出大型滾筒已成為帶式輸送機的關鍵問題。目前，我國設計的滾筒盡管可以滿足生產(chǎn)需求，但是由于缺乏研究，相同規(guī)格的滾筒與國外相比多消耗材料，使產(chǎn)品缺乏競爭力。因此選擇該課題的目的就在于對大型滾筒進行力學分析及設計，找到合理的設計計算方法。
二、 國內外研究綜述：
隨著國內外機械工業(yè)水平的不斷發(fā)展，滾筒的結構、加工、安裝等方面發(fā)生著日新月異的變化。由于焊接技術的不斷發(fā)展，焊接強度的可靠性得到保證，雖然多數(shù)大型滾筒采用鑄焊結構，但焊接結構也有所增加。輪轂和主軸的聯(lián)結方式也由鍵槽連接向脹套連接轉變。原來的輻板采用加強筋，現(xiàn)在直接用鋼板制成。
過去國內外在設計滾筒的各零部件時，常采用基于經(jīng)典彈性力學理論導出的簡單的經(jīng)驗公式。近年來，國內研究人員對于大直徑滾筒的設計方法作了多方面的探索。東北工學院于升忠等人于1980 年用有限元半解析法對一合拉力為13.6 噸的雙輻板結構滾筒進行了有限元分析。由于分析過程中忽略了輸送帶與驅動滾筒間摩擦力的作用，因此結果與實際相差較大。因為輸送帶與滾筒之間的摩擦力是滾筒扭曲變形的重要因素。西安冶金建筑學院的陸鴻生選擇新的力學模型，根據(jù)圓柱體彎曲的有矩理論，分別推導出傳動滾筒和改向滾筒在外載荷作用下殼體內的位移、內力和應力的計算公式，為精確計算提供了理論依據(jù)，在一定程度上揭示了筒體直徑、兩輻板間距和拉力與應力之間的關系。存在的問題是其力學模型條件苛刻，將筒體與輻板分開考慮，這對計算結構準確性有較大的影響。因為輻板的形狀、厚度對筒體的應力和變形有不可忽視的影響[4]。
西安交通大學曾經(jīng)運用SAP5對驅動滾筒做有限元分析，對驅動滾筒的剛度和強度進行了分析并得出:摩擦力是滾筒扭曲變形的重要團素；從應力與變形兩個方面說明，輻板的加強筋，在滾筒非臨界狀態(tài)下，對局部變形與筒體應力分布影響不大，只是在臨界狀態(tài)下能提高滾筒的整體穩(wěn)定性；滾筒的徑向最大變形在滾筒中部。通過分析，對筒體厚度進行了優(yōu)化，達到節(jié)省材料的目的。
煤炭科學研究總院上海分院曾經(jīng)做過強力滾筒的有限元分析，對滾筒各點的受力、變形大小進行分析，通過實驗驗證了有限元計算滾筒受力的可靠性。西安科技學院劉金依等人采用大型有限元分析軟件ANSYS，對英國安德森——梅沃公司順槽可伸縮帶式輸送機傳動滾筒的應力分布規(guī)律進行了計算，得出了應力分布圖，并找到危險區(qū)域，從理論上對滾筒的常見破壞形式進行了研究，為進一步改進滾筒的受力狀況，實現(xiàn)滾筒的標準化生產(chǎn)提供了必要的理論依據(jù)[5]。他們對滾筒的理論研究和試驗結果對本課題有十分重要的參考價值和指導意義。隨著計算機技術的發(fā)展，有限元方法得到了長足的發(fā)展，有限元應用也擴展到機械、電子等領域。事實證明對帶式輸送機滾筒進行有限元分析是十分合理和有效的。
國外從20 世紀60 年代就已經(jīng)開始對滾筒的設計計算方法、強度分析、合理的結構設計進行研究。關于這方面的研究從總體上分為兩類：第一類是Lang、Schmolzi、Das [6][7]等對滾筒用半解析法進行研究；第二類是Linder、Vodstrsi、Siva [8][9]等使用了有限元方法。但絕大多數(shù)的研究人員都把滾筒看作各個零件的組合，而不是把滾筒當作一個整體來分析。盡管也有一些有限元法已經(jīng)把滾筒當成整體來考慮，但迄今為止還沒有關于滾筒受到非對稱載荷系統(tǒng)的研究。
三、 畢業(yè)設計（論文）所用的主要技術與方法：
1. 圖書館查閱相關資料。
2. 在網(wǎng)上查閱相關資料。
3. 在工廠的實踐畢業(yè)實習。
4. .老師和工程師的指導。
四、 主要參考文獻與資料獲得情況：
[1] 于勵民 王得勝 劉鋼華編著.帶式輸送機驅動原理與選型設計 2003
[2] 濮良貴 紀名剛編著. 機械設計 . 高等教育出版社 2007
[3] 孫桓 陳作模 葛文杰主編. 機械原理 . 高等教育出版社 2006
[4] 孔慶華 劉傳紹 主編. 極限配合與測量技術基礎. 同濟大學出版社 2002
[5] 劉金依.帶式輸送機驅動滾筒的應力分析.煤礦機械 2001
[6] 徐灝主編 . 機械設計手冊 . 機械工業(yè)出版社 1991
[7] 辛一行主編 . 現(xiàn)代機械設備設計手冊 . 機械工業(yè)出版社 2000
[8] 顧崇銜 主編. 機械制造工藝學. 陜西科學技術出版社 1999
[9] 耿躍海.帶式輸送機滾筒結構的設計計算.起重運輸機械 2002
畢業(yè)設計（論文）進度安排（按周說明）：
第一，二周：確定題目，收集相關資料；
第三周：確定設計方案，進行結構設計；
第四周：帶式輸送機傳動滾筒結構；
第五周：帶式輸送機傳動滾筒的選擇和計算；
第六周：機構尺寸參數(shù)的確定；
第七周：傳動滾筒的設計；
第八周：軸的設計；
第九周：主要零部件的設計；
第十周：設計基本完成；
第十一，二周：進行結構設計審查，修改設計圖紙；
第十二，三周：設計圖基本完成，設計書編寫完成；
第十四，五周：修改完善，準備畢業(yè)答辯。
五、 指導教師審批意見：
指導教師： （簽名）
年 月 日
河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
摘要
帶式輸送機是用于散料輸送的重要設備，適用于礦山機械。傳動滾筒作為帶式輸送機的重要部件，其作用更是舉足輕重。滾筒是帶式輸送機的主要傳部件，它的作用有兩個：一是傳遞動力，二是改變輸送帶運行方向。帶式輸送機滾筒的設計質量，關系到整個輸送機系統(tǒng)的性能、安全性和可靠性。目前，國內滾筒的設計一般采用近似公式，對于中小型滾筒已經(jīng)能夠滿足工程需求，但對于大型滾筒這種設計方法其結果與工程實際有一定的差距，它的安全性和可靠性難以保障。由于缺乏精確的計算方法，如果盲目的增大安全系數(shù)，會使結構尺寸變大，重量增加，強度得不到顯著的提高同時又增加了成本。
本設計首先對帶式輸送機滾筒結構的設計計算方法進行了分析研究，修正了有關計算公式，完善并統(tǒng)一了設計計算內容，對帶式輸送機傳動滾筒進行了嚴謹?shù)臄?shù)學推導，在大量的參考了國內該部分的相關教材和資料的基礎上，結合了一定的實踐而編寫的。
由于傳動滾筒的適用范圍不斷擴大，對其需求量也不斷增加。故對滾筒設計有一定的必要性。在對滾筒設計中要充分了解主要部件的工作特性，合理進行選型設計和性能匹配。
關鍵字： 帶式輸送機 傳動滾筒
Abstract
Belt conveyor is used for the important bulk conveying equipment, suitable for mining machinery. Transmission roller as an important part of the belt conveyor, and its function is more critical. The cylinder is a belt conveyor of the main parts, its action has two: one is to transfer power, 2 it is to change the conveyor belt running direction. Belt conveyor roller design quality, relationship to the whole conveyor system performance, safety and reliability. At present, the domestic roller design general use of the approximate formula, for small and medium-sized roller has been able to meet the engineering requirements, but for large drum the design method and the results have a big gap between the actual engineering, it is difficult to guarantee the safety and reliability. Because of the lack of accurate calculation method, if blind increase safety coefficient, can make the structure size change, increase the weight, strength not rise significantly increased again at the same time the cost.
This design first of belt conveyor roller structure, the calculating method of analysis and study of the fixed related calculation equations, perfect and unified design calculation content, to the belt conveyor roller drive the rigorous mathematical reasoning, in a large number of reference in this part of the relevant material and material, and on the basis of the practice of combining must be written.
By driving roller, the scope of application of expansion, the demand is on the increase. So the roller design had some necessity. In the design of roller to fully understand the main parts of the characteristics, the reasonable selection of design and performance match.
Key word: belt conveyor transmission roller
49
目錄
前 言 1
第一章 緒論 2
1.1 滾筒在國民經(jīng)濟中的作用 2
1.2 傳動滾筒的發(fā)展狀況 3
1.3 國內外研究現(xiàn)狀 5
1.4 結構與種類 6
1.4.1 按驅動方式分 6
1.4.2 按軸承內孔大小分 6
1.4.3 按外形分 7
1.4.4 特殊滾筒 7
1.5 傳動滾筒的研究目的和意義 8
第二章 傳動滾筒的設計 10
2.1 傳動滾筒的選擇及其傳動理論 10
2.1.1 傳動滾筒直徑的確定 12
2.1.2 滾筒的性能特點及其選用 14
2.2 傳動滾筒的設計 15
2.2.1 傳動滾筒筒殼內外表面的應力 15
2.2.2 傳動滾筒接盤應力 17
2.2.3 傳動滾筒結構參數(shù)的設計 19
2.3 滾筒通體外徑D與厚度t之間的關系 19
2.4 傳動滾筒的軸徑d、筒殼厚度h、接盤輻板厚度t、接盤支點等參數(shù)關系 21
2.4.1 設計變量 21
2.4.2 彎扭矩計算 23
2.4.3 求最大當量彎矩 24
2.4.4 軸的強度校核 24
2.4.5 接盤內應力的計算 24
2.4.6 邊界約束條件確定的參數(shù)關系 24
2.4.7 各段軸徑之間的參數(shù)關系 25
2.4.8 滾筒體的最大直徑為D與最小直徑之間的參數(shù)關系 25
2.4.9 滾筒體總長度與滾筒體L的中部圓柱部分的長度b的關系 25
第三章 典型傳動滾筒的設計 26
3.1 滾筒體 26
3.2 軸的設計 31
3.2.1 軸的材料的選擇 31
3.2.2 軸徑的初步估算 31
3.2.3 軸的結構設計 32
3.3 滾筒脹套連接的選擇與校核 33
3.3.1 脹套連接的常見問題 33
3.3.2 脹套的選擇 34
3.3.3 脹套的校核 35
3.4 接盤的設計與計算 37
3.5 支座的選擇 38
3.5.1 支座的選型 38
3.5.2 支座的材料選擇 38
3.5.3 支座的結構設計 38
3.6 軸承的選則和壽命的校核 39
3.6.1 軸承的選擇 39
3.6.2 滾筒軸承壽命的校核 40
3.6.3 基本額定壽命 40
3.6.4 基本額定動載荷和軸承壽命的計算 41
3.6.5 計算軸承支反力， 41
3.6.6 軸承壽命的計算 41
3.7 鍵的選擇與校核 42
3.7.1 鍵連接的選擇 42
3.7.2 聯(lián)接的強度計算 42
總 結 45
致 謝 47
參考文獻 48
前 言
帶式輸送機是用于散料輸送的重要設備之一。其結構特別簡單，運行平穩(wěn)可靠，能耗低，對環(huán)境污染小，便于集中控制和實現(xiàn)自動化，管理和維護方便，在連續(xù)裝載的條件下可實現(xiàn)連續(xù)運輸，因此，在國民經(jīng)濟各部門特別是煤炭和礦山運輸系統(tǒng)中應用十分廣泛。由于其適用范圍的不斷擴大和對其需求量的不斷增加，帶式輸送機的設計和制造技術也有了長足發(fā)展。傳動滾筒作為帶式輸送機的重要部件，起作用更是舉足輕重。
眾所周知，零部件的工作特性，對整機性能有重要影響，加之用戶和使用環(huán)境的千變萬化，帶式輸送機中的傳動滾筒的設計不僅還會涉及其初步設計和零部件的選型設計，并且還越來越多地涉及零部件的設計，充分了解主要零部件的工作特性，合理的進行造型設計和性能匹配。
第一章 緒論
傳動滾筒是一種驅動裝置，它主要應用于固定式和移動式的帶式輸送機設備，也是帶式輸送機的重要組成部分，它的結構和工作原理對帶式輸送機整體特性影響很大。本章先介紹傳動滾筒在國民經(jīng)濟中的作用，然后是滾筒的發(fā)展狀況。
1.1 滾筒在國民經(jīng)濟中的作用
由于滾筒具有結構緊湊，傳動率高，噪聲低使用壽命長，運轉平穩(wěn)，工作可靠，密封性好。占據(jù)空間小，安裝維修方便等優(yōu)點，并且適合在各種惡劣環(huán)境條件下工作，包括潮濕、泥濘、粉塵多的環(huán)境，所以目前國內外已將電動滾筒廣泛應用于采礦、冶煉、煤炭、交通、能源、糧食、煙草、化工、建材、郵電、航空、農(nóng)林、印刷、商業(yè)等各個生產(chǎn)建設領域。
滾筒在國民經(jīng)濟中的作用隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，傳動滾筒作為傳動鏈已廣泛應用于各種生產(chǎn)線中的輥子輸送機和輥道輸送機，用來輸送城建物品。進入20世紀70年代以后，傳動滾筒的應用場所擴展的十分迅速。例如，錐形傳動滾筒，使輥道輸送機轉彎成為輕而易舉的事。所以，飛機場、郵電局能用它來分揀行李物品、包裹等貨物。兩端直徑達、中間直徑小、類似雙曲線形狀的電動滾筒，可以應用于林場運送原木。經(jīng)過專門設計，可以制成卷繞鋼絲繩、電纜等柔性繩索的卷繞滾筒，并且可以在滾筒內部裝上安全可靠的制動裝置和防止逆轉裝置。經(jīng)過特殊制造的傳動滾筒，可以輸送高溫物料和高溫鋼胚。有的特殊傳動滾筒可以在化纖加工過程中作為脫水軋輥使用。如果在滾筒體的圓柱面上焊接螺旋形葉片，還可以制成輕巧的螺旋輸送機。此外，雙速，三速或無級變速的電動滾筒已廣泛應用與超級市場和技術精密型產(chǎn)品的生產(chǎn)線上。專門制造的隔爆型傳動滾筒可以用在易燃、易爆的環(huán)境中。近年來，還有人試圖將微型電動滾筒應用到旅游服務行業(yè)。例如，賓館、飯店中的擦鞋機，窗簾卷簾機等等?？傊?，隨著傳動滾筒設計，制造技術的不斷改進以及高新技術的引入，傳動滾筒的應用范圍越來越廣泛，傳動滾筒在國民經(jīng)濟各個領域中的作用也越來越重要。
隨著科學技術的不斷進步，其應用場所更是越來越廣泛，其發(fā)展前景也相當可觀。為了提高產(chǎn)品質量，重視提高產(chǎn)品的可靠性，不斷開發(fā)研制新產(chǎn)品，開拓國內市場，設計出有高可靠性的產(chǎn)品，才能使用戶放心大膽的使用，才能提高企業(yè)的聲譽，企業(yè)的產(chǎn)品在國內，外市場上才能被人們信任，才能取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
1.2 傳動滾筒的發(fā)展狀況
連續(xù)輸送機械是物料搬運機械的重要組成部分，是其中的一大類別。帶式輸送機是連續(xù)輸送機械中效率最高、應用范圍最廣泛的一種機型，是散料輸送的重要設備。帶式輸送機是以輸送帶作為牽引構件和承載構件的一種連續(xù)輸送設備。輸送帶上的物料隨輸送帶一起運行，根據(jù)需要可以在輸送機頭部或中間部位卸料[1]。輸送帶用托輥支撐，運行阻力小。帶式輸送機可以沿水平或傾斜線路布置，在輸送原煤時，向上最大輸送傾角一般為17°~18 °，向下最大輸送傾角一般為15°~16°。當采用花紋輸送帶并采取其它相應措施上運傾角可高達28°~32°，下運傾角可達25°~28°。當采取某些特殊措施或專用帶式輸送機時，可以實現(xiàn)更大的輸送傾角甚至垂直提升。
隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，礦山、建材、化工、港口、糧食、電力、煤炭等部門對散狀物料的輸送提出了新的要求，長距離（指單機輸送長度，國外最長達15000m，國內最長為沈礦為海螺集團研制的10300m 平面轉彎帶式輸送機）、大運量（高帶速和大帶寬）和大傾角輸送物料是其主要發(fā)展方向之一[2]，同時提出無公害環(huán)保輸送散狀物料的要求。無論國外還是國內的建材及礦山行業(yè)，在這兩種輸送方案的對比選擇后，還是較多的選擇以長距離、大運量的帶式輸送機代替汽車運輸?shù)姆桨?。其原因是采用汽車運輸不僅要修建公路、購買汽車一次性投資大，而且日常的公路和汽車維修費用也很高。帶式輸送機輸送散狀物料是連續(xù)的物料流，生產(chǎn)效率高。
目前，國外最大帶速已達12m/s。國內的最大帶速達5.8m/s，最大輸送量9800t/h。當然，增加輸送帶的寬度也可以提高輸送量（國外采用的最大帶寬是3300mm），但增加帶寬使整機所有相關尺寸增大，增加了設備的總投資。特別是輸送帶的成本要占整機成本的30~50%，而且距離越長，運量越大，所占的比例就越大。同時，大帶寬需要相應的硫化設備（包括輸送帶接頭的硫化），因此我國目前所采用的最大帶寬為2200~2800mm。近年來，通過引進國外先進國家的帶式輸送機整套設備及技術，以及國內廣大科研人員的共同努力，可以說國內設計和制造的長距離、大運量帶式輸送機的水平已經(jīng)可以滿足國內市場的需求，但是一些關鍵技術尚需引起重視并加以深入研究和開發(fā)。國內投入使用的部分長距離、大運量的典型帶式輸送機如表1.1 所示。到目前為止，沈礦集團為天津港設計的帶式輸送機最大輸送量達9800t/h；沈礦集團為海螺集團設計的單機最長達10.3km。向家壩水電站31.1 公里沙石料長距離大運量帶式輸送系統(tǒng)，由2.5 公里到8.2 公里共5 條帶式輸送機組成的輸送系統(tǒng)。帶寬1.2m，帶速4.5m/s,輸送量3000t/h，帶強ST4500。
國外長距離帶式輸送機的應用。到目前為止，西班牙的西撒哈拉帶式輸送機線路是世界上最長的長距離輸送機線路。該線路長達100km，用來將位于石質高原地區(qū)的布·克拉露天礦的磷灰石礦石運往艾汾阿雍海港。此線路于兩年半內建成，并于1972 年投入使用，整條線路由長為6.9~11.8km 的11 臺輸送機組成。輸送機采用寬度為1000mm，強度為3150N/mm 的鋼繩芯輸送帶，帶速為4.5m/s。輸送帶的安全系數(shù)為6.7~10。澳大利亞恰那礦20km 地面帶式輸送機系統(tǒng)是代表現(xiàn)代帶式輸送機發(fā)展水平的一條輸送線。該輸送系統(tǒng)由一條長為10.3km 的平面轉彎帶式輸送機和一條10.1km 的直線長距離帶式輸送機構成。轉彎帶式輸送機的曲率半徑為9km，弧長為4km。兩條輸送機除線路參數(shù)外，其它參數(shù)相同，輸送能力為2200t/h，帶寬1050mm，輸送帶抗拉強度為3000N/mm，安全系數(shù)為5，拉緊裝置為重錘拉緊。津巴布韋鋼鐵公司的15.6km 水平轉彎越野帶式輸送機于1996 年投入使用，是世界上單機最長的帶式輸送機。輸送量為干礦石500t/h(濕礦石600t/h)，系統(tǒng)全長為15.6km，物料提升高度為90m。輸送帶采用橋石公司的鋼繩芯輸送帶，抗拉強度為888N/mm，運行速度為4.25m/s，輸送帶的安全系數(shù)為5.8，當環(huán)境溫度為0℃時，安全系數(shù)降到5.5，當輸送量增加到600t/h 時，輸送帶安全系數(shù)降低到4.8。
1.3 國內外研究現(xiàn)狀
隨著國內外機械工業(yè)水平的不斷發(fā)展，滾筒的結構、加工、安裝等方面發(fā)生著日新月異的變化。由于焊接技術的不斷發(fā)展，焊接強度的可靠性得到保證，雖然多數(shù)大型滾筒采用鑄焊結構，但焊接結構也有所增加。輪轂和主軸的聯(lián)結方式也由鍵槽連接向脹套連接轉變。原來的輻板采用加強筋，現(xiàn)在直接用鋼板制成。
過去國內外在設計滾筒的各零部件時，常采用基于經(jīng)典彈性力學理論導出的簡單的經(jīng)驗公式。近年來，國內研究人員對于大直徑滾筒的設計方法作了多方面的探索。東北工學院于升忠等人于1980 年用有限元半解析法對一合拉力為13.6 噸的雙輻板結構滾筒進行了有限元分析。由于分析過程中忽略了輸送帶與驅動滾筒間摩擦力的作用，因此結果與實際相差較大。因為輸送帶與滾筒之間的摩擦力是滾筒扭曲變形的重要因素。西安冶金建筑學院的陸鴻生選擇新的力學模型，根據(jù)圓柱體彎曲的有矩理論，分別推導出傳動滾筒和改向滾筒在外載荷作用下殼體內的位移、內力和應力的計算公式，為精確計算提供了理論依據(jù)，在一定程度上揭示了筒體直徑、兩輻板間距和拉力與應力之間的關系。存在的問題是其力學模型條件苛刻，將筒體與輻板分開考慮，這對計算結構準確性有較大的影響。因為輻板的形狀、厚度對筒體的應力和變形有不可忽視的影響[4]。
西安交通大學曾經(jīng)運用SAP5對驅動滾筒做有限元分析，對驅動滾筒的剛度和強度進行了分析并得出:摩擦力是滾筒扭曲變形的重要團素；從應力與變形兩個方面說明，輻板的加強筋，在滾筒非臨界狀態(tài)下，對局部變形與筒體應力分布影響不大，只是在臨界狀態(tài)下能提高滾筒的整體穩(wěn)定性；滾筒的徑向最大變形在滾筒中部。通過分析，對筒體厚度進行了優(yōu)化，達到節(jié)省材料的目的。
煤炭科學研究總院上海分院曾經(jīng)做過強力滾筒的有限元分析，對滾筒各點的受力、變形大小進行分析，通過實驗驗證了有限元計算滾筒受力的可靠性。西安科技學院劉金依等人采用大型有限元分析軟件ANSYS，對英國安德森——梅沃公司順槽可伸縮帶式輸送機傳動滾筒的應力分布規(guī)律進行了計算，得出了應力分布圖，并找到危險區(qū)域，從理論上對滾筒的常見破壞形式進行了研究，為進一步改進滾筒的受力狀況，實現(xiàn)滾筒的標準化生產(chǎn)提供了必要的理論依據(jù)[5]。他們對滾筒的理論研究和試驗結果對本課題有十分重要的參考價值和指導意義。隨著計算機技術的發(fā)展，有限元方法得到了長足的發(fā)展，有限元應用也擴展到機械、電子等領域。事實證明對帶式輸送機滾筒進行有限元分析是十分合理和有效的。
國外從20 世紀60 年代就已經(jīng)開始對滾筒的設計計算方法、強度分析、合理的結構設計進行研究。關于這方面的研究從總體上分為兩類：第一類是Lang、Schmolzi、Das 等對滾筒用半解析法進行研究；第二類是Linder、Vodstrsi 、Siva 等使用了有限元方法。但絕大多數(shù)的研究人員都把滾筒看作各個零件的組合，而不是把滾筒當作一個整體來分析。盡管也有一些有限元法已經(jīng)把滾筒當成整體來考慮，但迄今為止還沒有關于滾筒受到非對稱載荷系統(tǒng)的研究。
1.4 結構與種類
帶式輸送機滾筒有很多種類型，主要有如下幾種分類:
1.4.1 按驅動方式分
（1）外驅動式 即驅動裝置放在傳動滾筒外面，減速器直接同傳動滾筒軸相連。
（2）內驅動式 即將驅動裝置全部放在傳動滾筒內，此種方式又稱為電動滾筒。
1.4.2 按軸承內孔大小分
（1）輕型 孔徑在50~100mm；輕型滾筒的結構是軸與輪轂之間采用過盈配合（或配單鍵），輻板與筒體焊接，其中輪轂與軸采用鍵連接的結構用于傳動滾筒。
（2）中型 孔徑在120~180mm；中型滾筒的結構是軸與輪轂用脹套連接，輻板與筒體焊接。
（3）重型 孔徑在200~220mm；重型滾筒的結構是軸與輪轂采用脹套連接，這種結構的滾筒是筒體的一部分、輻板、輪轂鑄成一體的接盤與筒體的另一部分焊接而成，也就是鑄焊滾筒。
（4）工程級滾筒 工程級滾筒是指為滿足特殊載荷條件而經(jīng)過特殊設計的滾筒。高張力輸送帶由于其強度高、延伸性低的特點，而使這些滾筒的受力情況比
使用一般織物芯層輸送帶的滾筒要高的多。啟動、制動及其它動力載荷直接的傳遞給滾筒。當涉及到高張力時，滾筒的同心度及滾筒與輸送機的準確對中是十分重要的。這種分類對于改向滾筒也同樣適用。外面包上一層橡膠的滾筒稱為包膠滾筒，包膠方式可采用硫化和冷粘的方法；鑲嵌陶瓷的滾筒稱為陶瓷滾筒；什么也不包的滾筒稱為光面滾筒。
1.4.3 按外形分
（1）鼓形滾筒 用鋼板卷圓焊接而成，滾筒中間部分直徑大于兩邊約幾毫米，目的是防止輸送帶跑偏，但是加工工藝復雜，因此很少使用。
（2）葉片式滾筒 滾筒由許多橫向葉片組成，目的便于清潔輸送帶，此類滾筒又稱為自清掃滾筒。如果將葉片改為圓柱棒，稱為棒式滾筒，也可起到自清掃
作用。
（3）溝槽膠面滾筒 滾筒的膠面上開菱形、人字形、直線形、環(huán)形、梯形，則分別稱為菱形護面、人字形護面等各種護面形狀的滾筒，其目的是增大摩擦系
數(shù)和便于排出粘著物料。傳動滾筒膠面常選用菱形和人字形。
1.4.4 特殊滾筒
（1）真空滾筒 為增大輸送帶同滾筒之間的摩擦力，在滾筒裝有真空泵或外接真空泵，使輸送帶同滾筒包角之間成真空，增大摩擦力。但由于結構復雜，真
空滾筒尚未得到推廣。
（2）磁力滾筒 滾筒內裝有磁鐵，如輸送帶下層為磁性覆蓋膠，根據(jù)異性相吸作用，能增大摩擦力。當使用普通輸送帶時，磁力滾筒就成為除鐵滾筒。
（3）輪胎滾筒 滾筒外面由許多充氣輪胎構成，輪胎表面帶有溝槽。各種輪胎充氣壓力不同時，也起到鼓形滾筒作用。
（4）陶瓷滾筒 滾筒護面有許多陶瓷片鑲成，一方面可增大摩擦力，另一方面便于清掃。陶瓷片也可做成插板式，以便于更換。滾筒包膠的主要優(yōu)點就是表面摩擦系數(shù)大，包膠是在滾筒的表面上用冷粘或硫化一層橡膠。包膠滾筒按其表面形狀又可分為：光面包膠滾筒、人字形溝槽包膠滾筒和菱形包膠滾筒。
脹套連接結構是國際上廣泛應用于重型載荷下機械連接的一種先進基礎部件。脹套的結構如圖1—1 所示，其原理是：當旋轉緊定螺釘時，前壓環(huán)和后壓環(huán)相互靠近，迫使帶張口的外環(huán)脹大，內環(huán)縮小，從而使軸和輪轂形成過盈配合，達到連接的目的。采用脹套連接的優(yōu)點是：容易實現(xiàn)高精度的定位，可傳遞大扭矩和軸向力；可連接不可焊材料；可從外部安裝拆卸，并可重復使用；降低了孔和軸的加工精度和加工費用。
圖1—1 脹套結構
1.5 傳動滾筒的研究目的和意義
為了適應高產(chǎn)高效集約化生產(chǎn)的需要,帶式輸送機的輸送能力要加大,帶式輸送機大型化與高可靠性要求,對設計者和制造者提出了更高的要求，只有解決了帶式輸送機發(fā)展的關鍵技術,才能制造出高性能、高可靠性的大型帶式輸送機。作為帶式輸送機重要傳動部件的滾筒，能否安全穩(wěn)定的運行，在整個輸送系統(tǒng)中處于舉足輕重的地位。滾筒的失效會給人身安全和整個系統(tǒng)帶來嚴重的后果，使企業(yè)遭受巨大的經(jīng)濟損失。特別是在復雜惡劣的工礦下，如何改進滾筒結構、提高工效、延長壽命，一直是科研人員所關注的課題。目前，在國內對于中小型滾筒一般采用近似公式進行設計計算，對于重型滾筒近似公式已不再適用，這就使得設計計算具有較大的盲目性。這樣設計出來的滾筒和工程實際有一定的差距，它的安全性和可靠性難以保證。一旦發(fā)現(xiàn)問題，通常是采用增大尺寸的方法來解決，但是這樣做并沒有解決實際性的問題。不但浪費材料增加成本，還不能達到預期的目的，隨著帶式輸送機的大型化，合理的設計制造出大型滾筒已成為帶式輸送機的關鍵問題。目前，我國設計的滾筒盡管可以滿足生產(chǎn)需求，但是由于缺乏研究，相同規(guī)格的滾筒與國外相比多消耗材料，使產(chǎn)品缺乏競爭力。
選擇該課題的目的就在于對傳動滾筒進行力學分析及設計，找到合理的設計計算方法，使?jié)L筒的設計更加簡潔方便。對傳動滾筒進行分析，從而為設計計算提供有力的參考。
第二章 傳動滾筒的設計
2.1 傳動滾筒的選擇及其傳動理論
傳動滾筒按照其不同結構可分為鋼制光面滾筒、包膠滾筒、陶瓷滾筒、電動滾筒等。
當假設輸送帶是一種理想的撓性體，可以任意撓曲，不受彎曲應力；忽略輸送帶的質量所產(chǎn)生的重力和慣性力時，輸送帶與滾筒繞入端的張力 （緊邊張力）和繞出端的張力 （松邊張力），按歐拉公式有如下關系：
上式表示了一種傳遞驅動力的關系，即傳動滾筒所傳遞的圓周驅動力為：
式中 μ ——輸送帶與滾筒間的摩擦系數(shù)；
λ ——滾筒與輸送帶有相對彈性滑動弧對應的圓心角，rad， λ <α ；
α ——圍包角。
如圖2—1所示，從繞出端到繞入端的張力按指數(shù)函數(shù)變化，由于輸送帶為彈性體，張力減小時，伸長也減小。故輸送帶在傳動滾筒上由繞出端向繞入端方向有彈性滑動。當角度達到C 時，輸送帶的張力已經(jīng)達到 ，因而在γ 角度區(qū)間輸送帶張力不增加，也就沒有彈性伸長的變化，輸送帶在滾筒上沒有彈性滑動。將有彈性滑動時所對應的弧段稱為利用弧，利用弧所對應的圓心角稱為利用角，用λ 表示，而將γ 稱為備用角，其所對應的弧段稱為備用弧。所以，只有在利用弧內產(chǎn)生摩擦力從而傳遞驅動力。
當繞出端張力保持不變時，隨著所需要傳遞的驅動力的增大，利用角和繞入端的張力也隨之增大。利用角最大值為α ，所以繞入端的最大張力必須滿足
圖2—1 傳動滾筒上輸送帶張力變化
因而，傳動滾筒可能傳遞的最大驅動力為：
現(xiàn)代研究表明，利用弧并非單純性彈性滑動，而存在輸送帶和滾筒之間的滑——粘效應(Slip-Stick 效應)，也就是產(chǎn)生摩擦力的原因不僅由輸送帶和滾筒之間的彈性滑動，還有輸送帶和滾筒之間的粘滯作用。這樣摩擦系數(shù)要大于單純滑動的摩擦系數(shù)。
當運行阻力時，傳動滾筒的傳遞驅動力的關系已不成立，此是傳動滾筒已不能傳遞大于 的驅動力 。當驅動裝置提供驅動力 時，必然出現(xiàn)輸送帶在滾筒上打滑，即輸送帶已不能運動，而傳動滾筒仍然隨驅動裝置轉動。在打滑時，輸送帶和滾筒的摩擦力必然要轉換為熱能，嚴重時會將輸送帶迅速損壞。
為了避免事故的發(fā)生，在設計傳動滾筒所能夠傳動的驅動力必須留有一定的備用。將備用系數(shù)定義為 ：
式中 ——傳動滾筒需要傳遞的驅動力，N；
——傳動滾筒可能要傳遞的最大驅動力；
ξ ——傳動滾筒傳遞驅動力的備用系數(shù)1.3~1.5。
需要說明的是，這里的備用系數(shù)ξ 并不是為滿足摩擦傳動備用系數(shù)，而是相對起制動時動載荷的備用系數(shù)。滿足摩擦系數(shù)傳動的備用系數(shù)在選用摩擦系數(shù)時已經(jīng)考慮進來了。
因而，當圍包角和繞出端張力一定時，傳動滾筒傳遞的驅動為：
當圍包角和傳動滾筒所需傳遞的驅動力一定時，繞出端的張力為：
由上式可知，提高驅動力可以從三個方面下手：
①增大拉緊力 增加初張力可使輸送帶在傳動滾筒繞出端的張力 增加。采用增大拉緊力的方法會使輸送帶的最大張力增大，也有可能使驅動裝置的結構尺寸加大，而增加設備的投資。另一方面，適當增加拉緊力對輸送帶在較好的工況下工作是有利的。所以需要經(jīng)過經(jīng)濟技術比較來選取較合理的拉緊力。
②增大圍包角 當輸送帶所需驅動力較大時，增大圍包角可以避免過大的拉緊力，增大圍包角的方法是增設增面滾筒或采用多滾筒傳動，而且用多滾筒傳動時，也可以減小每個驅動單元的單機容量。
③增大摩擦系數(shù) 其具體措施是在傳動滾筒上覆蓋摩擦系數(shù)較大的材料，如橡膠、陶瓷、木襯等。
2.1.1 傳動滾筒直徑的確定
傳動滾筒直徑的大小直接影響輸送帶繞經(jīng)滾筒時的附加彎曲應力及輸送帶在滾筒上的比壓等。為了得到合理的傳動滾筒直徑，應考慮以下四個方面。
（1) 為避免輸送帶繞經(jīng)滾筒產(chǎn)生過大的附加彎曲應力，滾筒直徑的確定有以下幾種情況：
對于帆布層芯體的輸送帶，傳動滾筒直徑D與帆布層數(shù)z之比值為：
采用硫化接頭時，；
采用機械接頭時， ；
對于移動式和煤礦井下使用的便拆裝式帶式輸送機，可取。
鋼絲繩芯輸送帶使用的滾筒，一般按滾筒直徑與鋼絲繩直徑之比大于150選取。
整編芯體塑料輸送帶使用的滾筒半徑，與同等強度的帆布層輸送帶相同。
（2） 為減小輸送帶的表面比壓，避免輸送帶的覆蓋膠脫落，傳動滾筒直徑應滿足：
織物芯帶
鋼繩芯帶
式中 D—傳動滾筒直徑，mm；
S—輸送帶的張力，N；
B—輸送帶的寬度，mm；
d—鋼絲繩的直徑，mm；
a—鋼絲繩的間距，mm；
[p]—輸送帶表面許用比壓，取[p]=1Mpa。
（3） 避免覆蓋膠或花紋變形過大（一般不超過6%），滾筒直徑應滿足：
織物芯帶
鋼絲芯帶
式中 D—傳動滾筒直徑，mm；
—圍包角影響系數(shù)，當圍包角小于時，否則；
t—輸送帶的總厚度，mm；
b—鋼繩芯輸送帶上覆蓋膠厚度（包括花紋高度），mm；
d—鋼絲繩直徑，mm.
(4) 當輸送帶彎曲頻次比較高時，滾筒直徑則相應取大一些，以便能夠減小輸送帶的彎曲應力，補償由此引起的彎曲疲勞壽命的降低。
另外，為使輸送帶繞經(jīng)滾筒時具有自動對中的作用，可將滾筒表面制成腰鼓形，中部比兩端直徑最小要大8mm。一般情況下，滾筒中部直徑比兩端直徑的增加量可按下式確定：
式中 —滾筒厚度
2.1.2 滾筒的性能特點及其選用
傳動滾筒用來傳遞引力或制動力。鋼制光面滾筒表面摩擦系數(shù)小，所以一般用于短距離輸送機。包膠滾筒主要優(yōu)點是表面摩察系數(shù)大，適用于長距離大型帶式輸送機。包膠滾筒按表面形狀又可分為光包膠滾筒面、人字形溝槽包膠滾筒和菱形（網(wǎng)紋）包膠滾筒。光面包膠滾筒制造工藝相對簡單，容易滿足技術要求，正常工作條件下摩擦系數(shù)大，能減小物料粘結，但在潮濕場合由于表面無溝槽致使無法截斷水膜，會是摩擦系數(shù)顯著下降。為了增大摩擦系數(shù)，在光面光制滾筒表面上冷粘或硫化一層人字形溝槽的橡膠板，為使該橡膠板粘的牢靠，必須在滾筒表面上掛上一層很薄的襯膠（一般小于2mm），然后再把人字形溝槽橡膠膠板冷粘或硫化在襯膠上。這種人字形溝槽的滾筒，因溝槽的存在，能使表面水薄膜截斷，不積水，同時輸送帶與滾筒接觸時輸送帶表面能擠壓到溝槽里。基于上述原因，即使在潮濕的條件下，摩擦系數(shù)也降低不大。但是，此種滾筒具有方向性，不能反向運轉，菱形（網(wǎng)紋）包膠滾筒出了具有人字溝槽包膠滾筒優(yōu)點外，最突出的一個優(yōu)點是它沒有方向性，能有效防止輸送帶跑偏，特別適合用于帶式輸送機，但摩擦系數(shù)比人字溝槽包膠滾筒稍低。盡管如此，人們還是認為菱形溝槽包膠滾筒比人字溝槽包膠滾筒優(yōu)越。國外研制一種帶軸向溝槽包膠滾筒，彌補了菱形溝槽比人字溝槽包膠滾筒摩擦系數(shù)小的缺陷，在遠距離大運量的帶式輸送機上已有應用。
通常情況下，中小型帶式輸送機的滾筒一般都采用焊接結構，即輪轂、輻板和筒皮之間焊接而成。而在大功率的帶式輸送機上，就必須采用鑄焊結合的結構形式，即滾筒兩端的輪轂，輻板和筒皮為整體鑄造，然后再與中間筒皮焊在一起。
2.2 傳動滾筒的設計
礦用帶式輸送機是礦山運輸機械中重要設備，由于使用環(huán)境的特殊性，再設計制造的過程中，對其機構和形式都提出了特殊要求，這些要求都集中地反映在礦用帶式輸送機主要部件—傳動滾筒的結構及形式上。傳動滾筒是帶式輸送機傳遞動力的主要部件，其驅動帶式輸送機的方式有單滾筒、雙滾筒及多滾筒之分。單滾筒多用于功率不太大的輸送機上，如煤礦地面運輸及選煤廠等處。井下帶式輸送機一般均采用雙滾筒，以輸送結構緊湊。圖2-2是驅動滾筒結構示意圖。該傳動滾筒的輪轂與滾筒軸采用脹套連接，即大大降低了應力集中，又顯著改善了滾筒的裝配工藝性。傳動滾筒，從制作材料上來分有鋼板卷焊接、鑄鋼及鑄鐵三種；從結構形式上來分有裝配輻板式、輻條式、整體輻板式三種。另外，滾筒表面也有光面、包膠、鑄膠等形式；其中，以鋼板焊接裝配輻板式鑄膠滾筒應用較為廣泛。
圖2—2 傳動滾筒結構示意圖
2.2.1 傳動滾筒筒殼內外表面的應力
傳動滾筒的設計一般根據(jù)輸送帶張力和輸送量來選定滾筒直徑和輸送帶寬度（滾筒寬度），但筒體和接盤的受力及變形情況至今仍沒有權威的解釋。除了滾筒軸有較成熟的計算公式外，筒體厚度、接盤厚度的計算多采用經(jīng)驗公式，筒殼、輻板的厚度均根據(jù)計算得來的軸承部位的軸徑來確定。因此，如在傳統(tǒng)計算方法的基礎上對傳動滾筒各部位的結構及受力做整體考慮，對其主要結構參數(shù)進行設計，無疑會有利于提高驅動滾筒乃至帶式輸送機的使用壽命。傳動滾筒輸送帶兩端的張力相差很大，相遇點的張力遠大于分離點的張力，工作時，傳動滾筒表面受壓的徑向載荷是從緊邊到松邊的。其受力分析示意圖如下2-3.
圖2—3 傳動滾筒受力示意圖
傳動滾筒由等厚度薄鋼板卷制而成，接頭處采用焊接處理，傳動滾筒在運轉，筒殼不允許發(fā)生塑形變形。所以應將傳動滾筒筒殼當作彈性圓柱薄殼問題求解。為了便于計算，筒殼的兩端可視為間支。而閉合的圓柱殼在間支邊界條件下，可求出在外載荷作用下傳動滾筒殼體內應力的計算式：縱向薄膜力、切向力、平錯剪應力S、縱向彎矩、切向彎矩、縱向扭矩。在上述各內力的作用下，傳動滾筒筒殼內表面及外表面上產(chǎn)生的應力要高于同點殼體內的應力。殼面上的應力可按下式計算：
式中 t—筒殼的厚度，cm；
—筒殼的縱向應力，pa；
—筒殼的切向應力，pa；
—筒殼的剪應力，pa
式中“+”用于球內表面應力式；“-”用于求外表面應力式。
計算有關的實驗研究均表明，筒殼中央部分的各個徑向截面上，由受壓到受拉，每轉應力變化6—12次。最大的應力產(chǎn)生于筒殼的中部1/2處，應力實際值與R、t、、Z等參數(shù)有關。筒殼的許用應力[]，根據(jù)國際上的一般規(guī)定。
2.2.2 傳動滾筒接盤應力
接盤有直接焊接式和澆鑄式。既有輪轂和輻板裝配焊接或整體澆鑄而成，分析接盤工作時的變形應力可以將輻板看作一個沿半徑內圓周邊和半徑為的外圓周邊固定了光面圓盤，由它來承受由滾筒軸彎曲變形而產(chǎn)生的彎矩和接盤輪轂產(chǎn)生的彎矩如圖2—4所示；
2—4 傳動滾筒的支承及有關結構
根據(jù)彈性力學方程，可求出平面圓盤中性面變形的平衡方程為直徑r與極角的函數(shù)，最終可以推算出接盤的徑向與切向的彎矩與扭矩。
式中 —接盤中的徑向應力；
—接盤中的切向應力；
—接盤中的切向彎矩，N.cm；
—接盤中的徑向彎矩，N.cm；
h—輻板厚度，cm；
W—截面模數(shù)，。
若接盤外徑（滾筒直徑）不變，減小接盤輪轂半徑會使彎矩和減小。相應的，其應力不論在輪轂區(qū)，還是在輻板的周邊上（接盤與滾筒的焊接處）也隨之降低。但輪轂半徑不能任意減小，它受輪轂強度和傳遞力矩的限制。具體地講，輪轂的最小允許直徑是按其與軸的配合方式、強度及傳遞的扭矩來確定的。
傳動滾筒的失效的主要形式是在重載下，又與軸的彎曲變形致使接盤與筒殼、輪轂與接盤的焊接處產(chǎn)生裂紋。若簡單的通過增加接盤的厚度來增加其強度往往達不到目的的，相反還有可能促進裂紋的生成，降低使用壽命。
2.2.3 傳動滾筒結構參數(shù)的設計
傳動滾筒作為一種筒體、接盤和軸裝配焊接起來的組合構件體，作用其上的輸送帶張力連同扭轉力一起轉移到軸上，然后轉變成相當復雜的內應力作用于滾筒的各個零件上，每個構件上的應力在方向和性質上均不同。輸送帶的張力、滾筒軸產(chǎn)生的轉角、接盤的剛度及筒體厚度決定著內應力。分析計算表明，筒體上的內部應力在滾筒的包圍角為時最大。當輸送帶張力作用于滾筒之上時，滾筒軸和滾筒的每一個構件均會產(chǎn)生位移。對傳動滾筒受力變形位移的結構分析決定了滾筒部件的強度計算。有關經(jīng)驗表明：
（1） 在應力計算中，由于筒殼剪應力較小，故可以用正應力代替主應力；
（2） 筒殼中出現(xiàn)的最大正應力為切向應力，是強度校核的依據(jù)；
（3） 筒殼的表面應力大于內部應力，故應該校核其表面應力；
（4） 接盤中的徑向應力大于切向應力。因此，做強度校核時以徑向應力為主。
為了進一步提高傳動滾筒的整體強度、尋求最佳的參數(shù)組合，有效減小滾筒的重量，就要對傳動滾筒進行認真的分析計算。具體地講，就是在滿足傳動滾筒的強度、剛度的條件下，設定函數(shù)，對接盤支點、軸徑d、筒殼厚度t、輻板厚度h等參數(shù)進行優(yōu)化設計。
2.3 滾筒通體外徑D與厚度t之間的關系
通常傳動滾筒筒體均用Q235A鋼板或鋼管制作，只有個別低速大扭矩的滾筒體才使用40鋼板制造。根據(jù)《電動滾筒設計與選用手冊》式7-17，通體厚度：
其中l(wèi)為筒長，D為滾筒直徑，查《電動滾筒設計與選用手冊》表2-3滾筒體厚度的推薦值，根據(jù)所設計的傳動滾筒大小選取筒體厚度t滾筒筒體受力及分析見下圖滾筒體的受力分析與計算。
圓周驅動力：
緊邊張力：
平均張力：
扭矩：
圖中M為彎矩，設輸送帶在平均張力下沿滾筒長度L均勻的分布在滾筒上，則滾筒單位長度受的力：
彎矩：
正應力：
剪切應力：
根據(jù)第四強度理論，將計算的、代入下式：
合成應力
再按中殼長理論，計算出筒體厚度t，筒長l，直徑D時允許的臨界載荷和，按下式進行計算：
聯(lián)立以上公式得：既得：
通常取，這里取，對于45號鋼則
所以
有計算結果可知，若該傳動滾筒實際可能產(chǎn)生的應力比允許的臨界應力均小很多，滾筒是安全的。
2.4 傳動滾筒的軸徑d、筒殼厚度h、接盤輻板厚度t、接盤支點等參數(shù)關系
2.4.1 設計變量
選取、d、t、h為設計變量。在滿足強度要求的情況下：
—滾筒體、接盤的旋轉部分的質量，單位為KN；
—軸的重力，作用在軸的長度中心處，單位為KN；
—剛的密度，單位為；
—滾筒的寬度，單位為cm；
—滾筒軸承支點到接盤中點的距離，單位為cm。
有與滾筒軸和接盤存在臺階，而在優(yōu)化設計計算時精確尺寸還難以確定，故接盤和滾筒軸的實體體積分別增加10%和20%，作為實體的近似值。
、為A、E在切向分力沿水平方向的支座反力，單位為KN；
、為其在垂直方向的支座反力，單位為KN；
水平方向上：
解得
垂直方向上：
解得
A、 B處支點方向的力已經(jīng)計算出來后，在計算各處彎扭矩并作出彎扭矩圖。
2.4.2 彎扭矩計算
A處：
B處：
根據(jù)傳動滾筒的結構分析，它的受力為對稱性，故C點處右邊的彎矩由對稱性來描出即可。
從圖中可以看出C截面為危險截面，其合成扭矩為：
T為該軸輸出的扭矩由聯(lián)軸器傳遞出去
2.4.3 求最大當量彎矩
a—折合系數(shù)，此軸為單向轉動，其扭轉應力為脈動循環(huán)變化，故取a=0.6
2.4.4 軸的強度校核
有表16—2《機械工程設計圖學》查的鋼的=35Mpa—55Mpa根據(jù)上述關系得：
式中T—加在滾筒輪轂上的載荷，單位為N；
L—滾筒軸承支點間距，,單位為cm；
2.4.5 接盤內應力的計算
因為D>100—300MM，故一般接盤的材料采用其540Mpa
由表16—1《機械工程設計手冊》查的：
—接盤中的徑向彎矩，單位為N.cm
與軸上B處徑向彎矩大小相等，因為軸上在該點的彎矩也是由接盤引起的。
2.4.6 邊界約束條件確定的參數(shù)關系
2.4.7 各段軸徑之間的參數(shù)關系
已知軸的最小直徑為軸端處，設它的大小為d，裝軸承處的軸的直徑為，裝賬套處的軸的直徑為，裝滾筒處的軸的直徑為，由于滾筒軸各段存在臺階，切部分處有鍵存在的鍵槽，為了達到軸傳遞的使用要求有經(jīng)驗公式來估算軸的直徑把軸徑增大10%-15%.
故得：
2.4.8 滾筒體的最大直徑為D與最小直徑之間的參數(shù)關系
根據(jù)實驗經(jīng)驗，滾筒體中部最大直徑D與滾筒體兩端邊緣最小直徑d的比值在
1.009—1.015范圍內比較適合。如果小于這個數(shù)值，滾筒體的導向能力則不明顯。如果大于這個數(shù)值，則輸送帶的附加張力過大，輸送帶不能完全緊貼在滾筒體上，而且輸送帶的使用壽命也會降低。故D=1.009—1.015
2.4.9 滾筒體總長度與滾筒體L的中部圓柱部分的長度b的關系
有關經(jīng)驗表明，當滾筒體中的圓柱部分的長度為滾筒體的總長度的1/3-1/2
時，輸送帶內部的應力分布最均勻，滾筒體的導向能力最明顯。兩個背椎與圓柱體組成的筒體：
（a） b=1/2L ,a=1/4L (b) b=1/3L ，a=1/3L
第三章 典型傳動滾筒的設計
本次畢業(yè)設計的傳動滾筒的主要部件有滾筒體、端蓋、支座、賬套、接盤及軸承、密封圈、緊固件等標準件。下面將對其工作原理和結構進行分別簡述。
3.1 滾筒體
傳動滾筒的筒體有兩個作用。一個用來支撐并拖動輸送帶運動，或者直接支撐并輸送成件物料。二是作為殼體保護內部部件和傳動裝置。這兩個作用都要求滾筒體堅固。滾筒體的形狀絕大多數(shù)為圓柱體。例如，用于輥子輸送機上的滾筒和用于長距離帶式輸送機上的大功率傳動滾筒的筒體都是圓柱體（圖3—1）
圖3—1 圓柱形滾筒體
圖3—2 腰鼓形滾筒體
對于移動性帶式輸送機和短距離固定式帶式輸送機，傳動滾筒通常做成腰鼓形（圖3—2）。由于滾筒體中部鼓起，輸送帶內部便會產(chǎn)生橫向附加張力，可以防止輸送帶跑邊。有試驗資料表明，滾筒體的導向能力與滾筒體中部鼓起的高度有關。一般來說，鼓起高度越大，導向能力越強。前提是，在工作工程中輸送帶應當緊貼在滾筒體上。由于輕型輸送機的輸送帶較薄，所以滾筒體中部的鼓起高度不宜過大。
腰鼓形滾筒體一般需要在數(shù)控車床上加工，可能達到理想的圓弧表面。為了便于在普通車床上加工，可以將滾筒體設計成中間為圓柱體，兩端為截錐體。這種滾筒體的外形近似于腰鼓形，也可以防止輸送帶跑偏，使加工方便多了。有試驗資料表明，滾筒體的導向能力也最明顯。
在這里順便提一下，滾筒體長度與輸送帶寬度之間的關系。輸送散料時，滾筒體的長度大與輸送帶的寬度，一般滾筒體每端露出輸送帶30—100mm。帶寬較窄時取下限，帶寬較長時取上限；對于輕型帶式輸送機取下限；對于大型帶式輸送機去上限。各種型號帶式輸送機滾筒體長度與輸送帶的寬度的差值不盡相同。輸送成件物料時，若不使用輸送帶，而是直接使用傳動滾筒輸送時，滾筒體長度應比被輸送物料長出80—120mm。若使用輸送帶輸送，滾筒體的長度與輸送帶的寬度相等或略長一些即可。
在輥子輸送機或流水作業(yè)工作線上，用傳動滾筒直接輸送成件物料時，在輸送機的轉彎處，為了便于轉彎，傳動滾筒外形通常做成截錐形。即圓錐滾筒轉彎的角度是任意時，可以是、、等等。用戶可以根據(jù)需要選用。圖是轉彎角度為的輥子輸送機的轉彎處。
圓錐形傳動滾筒的圓錐角不宜過大或過小，也就是說圓錐形傳動滾筒兩端的直徑相差較大，轉彎時外側與內側線速度相差則大，物體轉彎處運行不穩(wěn)定，嚴重時甚至可能顛倒。反之，圓錐角過小，轉彎能力差。為了達到轉彎目的，需要增大輸送機的轉彎半徑。這樣便增大輸送機占地面積。經(jīng)過長期實踐，我們認為圓錐角左右時，圓錐形傳動滾筒最適合于轉彎。
使用傳動滾筒直接輸送較長的物料時，如輸送鋼管、型鋼等材料時，滾筒體外形可以做成線軸形。線軸形傳動滾筒體可以防止細長的物料在輸送過程中刨片，滑落到滾筒周圍。線軸形滾筒體中間部分的寬窄及兩側擋板的高低，均可以根據(jù)所輸送物料直徑的大小進行設計、選型。
制作滾筒的材料一般為普通碳鋼。直徑較大的傳動滾筒，其滾筒體通常采用Q235-A鋼板卷制、焊接、然后進行及加工。而直徑較小的滾筒體則采用無縫鋼管直接加工。這里因為小直徑的滾筒體不宜卷制的很圓，而且小直徑滾筒體的壁厚較薄，也容易焊接。采用無縫鋼管加工小直徑滾筒體十分方便，并且節(jié)省鋼材。常用的熱軋無縫鋼管材料為10號鋼或20號鋼。具有一些特殊的滾筒體可以用鑄鐵、鋁合金和不銹鋼等材料制造。
影響滾筒體強度的因素很多，諸如滾筒體直徑、滾筒體強度、傳遞的功率等等。由于傳動滾筒的用途不同，滾筒體強度的計算方法也不同。用于提升重物的傳動滾筒，其滾筒體強度可以按照起重機或卷揚機技術手冊中規(guī)定的卷制強度計算公式進行計算。卷制強度計算公式比較成熟，在有關手冊中很容易查閱到，這里不詳細敘述了。
作為帶式輸送機動力部分的傳動滾筒，其滾筒體強度的計算方法尚未統(tǒng)一，有的計算公式比較復雜，使用性不強。
為了提高滾筒體表面的摩擦系數(shù)，以降低輸送帶的拉力，可以在金屬滾筒體外表面覆蓋包層。目前最常用的包層材料為橡膠。對橡膠包層的物理性能要求為：紹爾A型硬度60—70度，阿克隆磨耗小于。橡膠與金屬粘附扯離強度應小于40N/cm。
橡膠包層的的制作方法鑄膠和冷粘膠板兩種工藝。由于鑄膠需要一套龐大的專用設備，在高溫條件下進行硫化，工藝較為復雜。而且所鑄膠層厚度較厚，一般在20mm以上。鑄膠膠層的耐磨性不如冷粘膠板工藝是20世紀80年代開始應用于傳動滾筒上。由于方法簡單，便于掌握和操作，各傳動滾筒生產(chǎn)廠家可以自己粘貼，不需要專用設備。粘貼膠板前，首先將滾筒體和膠板進行去污處理，打磨干凈。然后在滾筒體表面和膠板分別均勻涂敷粘接劑，一般涂敷三次，待第一次粘接劑晾干后，再涂敷第二次。常用的粘接劑有氯丁酚醛和氰酸酯粘膠劑，粘