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帶式輸送機是礦山領域廣泛使用的輸送設備，是機械化綜采的重要配套設備。托輥組件是承載皮帶及其負載的主要部件，同時也是帶式輸送機中用量最大的零部件。隨著大運量帶式輸送機的研發，對托輥的承載能力要求也在提高。為節約成本，提高經濟效益，本文在滿足強度要求的前提下對托輥的結構參數進行優化，為降低生產成本和指導生產實踐提供依據。

托輥結構與受力模型

帶式輸送機托輥結構如圖１所示，其主要由主軸、輥套、軸承和密封件等組成。輥套采用薄壁筒狀外套與支撐件焊接而成，主要承受皮帶以及負載對其的壓力；由于托輥轉速較高，軸承采用球軸承；密封件主要密封軸承周圍的潤滑油，防止潤滑油泄漏。

在運行過程中，托輥通過輥套承受皮帶及負載豎直向下的重力與壓力，所以輥套的厚度以及軸承的半徑對托輥結構強度的影響較大。由于皮帶具有一定的張弛性，當其負載后，在兩個托輥間有一定的下垂量，因此托輥處的皮帶與托輥呈面接觸，并存在一定的包角θ。

在帶式輸送機運行過程中，托輥所承受的載荷一 般可分為靜載荷和動載荷。在之前的研究中，主要對 托輥外表面與皮帶接觸部位施加靜載荷，沒有考慮托 輥轉速對其強度的影響。

求解托輥所承受的載 荷Ｐ(N)，方程可描述為：Ｐ＝9.8ea（I/V＋ｑ）（１）

其中：ｅ為輥子載荷系數；ａ為托輥間距，ｍ；ｖ為帶速，ｍ/ｓ；ｑ為單位長度上皮帶的質量，kg/ ｍ；Ｉ為輸送能力，kg/ｓ。

根據經驗，當采用鋼絲繩芯輸送帶時，托輥的間距取1.5ｍ為宜。此外，托輥的直徑不僅與帶寬有關，還與皮帶線速度有很大的關系。在托輥制造過程中，受加工精度的制約，托輥外表面存在一定的橢圓度，在托輥運行的過程中，橢圓度勢必會使托輥產生不規律的徑向振動。為了防止產生較大的徑向振動，必須限制托輥的極限轉速。現有皮帶的線速度約為4.5ｍ/ｓ。根據已有的研究結果，皮帶與托輥的包角θ約為55°。

托輥有限元受力分析

建模與前處理

根據托輥的具體參數（如表１所示），采用建模軟件Design Model建立托輥的幾何模型。為方便后續的結構參數優化，對托輥的關鍵參數如輥套厚度和套筒內徑進行參數化。

采用ANSYS中自帶的網格劃分工具Meshing對托輥輥套進行網格劃分，以最大應力為目標對網格無關性進行驗證。

根據皮帶與托輥的包角，在托輥沿周向55°圓弧 范圍內添加徑向載荷p；托輥軸承內徑處采用圓柱cylinder約束；考慮托輥的高速旋轉，輥套整體添加轉速ω，網格劃分結果與邊界條件如圖２所示。

有限元分析結果

有限元分析主要通過提取其應力分布，對零件的強度進行校核。在上述條件下，添加托輥的應力與變形為分析對象，以ANSYS　Workbench為求解器，對托輥進行有限元分析，其應力與變形分布云圖如圖３所示。

從圖3中可以看到：輥套的變形與應力沿寬度方向對稱分布，在寬度方向的中部具有最大值，兩端小于中部；沿圓周方向上，與皮帶接觸部位的應力與變形明顯大于其他區域；輥套所受的最大應力為50.28MPa，最大變形為0.186mm，均位于輥套外表面中間部位。

輥套外表面與皮帶接觸沿寬度方向的應力與變形如圖4所示。輥套外表面的應力與變形沿寬度方向在中部遠大于兩端，即中部的強度最為薄弱。同時，在皮帶運行過程中，托輥沿寬度方向的變形差會使皮帶沿寬度方向呈圓弧狀，不利于皮帶長期穩定地居中運行，使皮帶跑偏的概率增大。

托輥結構優化

由于托輥在帶式輸送機中的用量非常大，因此在滿足其強度條件下，對托輥結構進行優化，可以在減少重量的同時，極大地降低生產成本。本節主要通過分析托輥的主要結構參數——輥套壁厚δ。和套筒腔半徑ｒ對輥套應力與變形的影響（見圖５），來對托輥的結構參數進行優化。

從圖５(a)看出：隨著輥套厚度的增大，輥套的最大應力快速減?。浑S著套筒腔半徑的增大，輥套最大應力先降低后升高，當套筒腔半徑為40ｍｍ時具有最小值。從圖５(b)看出：輥套最大變形隨著壁厚的變化較大，而隨套筒腔半徑的變化較小。隨著輥厚的增大，最大變形與最大應力隨結構的變化基本一致，均隨著壁厚的增大快速減小。

現有的輥套材料為Ｑ235，在安全系數為２時，其許用應力σ＝113ＭPa，遠大于現有條件下輥套外表面的最大應力50.28ＭPa，所以輥套的強度滿足要求，且存在一定的優化空間。

根據上述得到的輥套壁厚與套筒內徑對托輥應力與變形的影響，當采用現有材料Ｑ235時，套筒腔半徑采用40ｍｍ時應力最??；經計算當輥套壁厚大于2.5ｍｍ時，輥套結構最優，在滿足強度要求的同時，用鋼量最少。

結論

本文采用有限元法對應用于帶式輸送機的托輥組件進行了有限元分析，并以此為基礎，在滿足強度要求的前提下對托輥結構參數進行了優化。得到以下結論：輥套外表面應力與變形沿寬度方向對稱分布，中部大于兩端；在現有條件下，托輥滿足強度要求。在套筒內半徑采用40ｍｍ時，輥套應力與變形最小，同時輥套厚度為2.5ｍｍ時即可滿足強度要求，現有結構存在較大的優化空間。研究結果為托輥結構參數的優化與軸承的選型提供了理論依據。