帶式輸送機是煤炭、冶金、港口、化工、電力等領域廣泛使用的連續運輸設備。近年來，隨著工業和技術的發展，采用大運量、長距離、高帶速的帶式輸送機已成為發展的主流。但國內外輸送機在使用中屢次發生疲勞破壞，造成重大損失。滾筒是帶式輸送機的關鍵部件之一，其性能好壞嚴重影響著輸送機的正常運轉和生產。為提高滾筒壽命的可靠性，傳統設計方法是采用較高的安全系數，但隨著設備的大型化，使滾筒變得更加笨重，且可靠性方面并沒有明顯提高，因此不能滿足當今工程實際的需要。為了能夠在滾筒設計時預測可靠性和估算壽命，開發了帶式輸送機滾筒疲勞壽命可靠性分析軟件，在對滾筒進行了受力分析基礎上，應用ANSYS的參數化設計語言建立有限元模型，并用VisuaJ C++軟件開發軟件界面，實現了瞬態動力學分析，得到了滾筒危險部位應力一時間歷程，采用雨流計數法處理有限元分析所得應力譜，利用相關零部件材料的P-S-N曲線等各種性能參數，根據Miner疲勞損傷累積法則進行滾筒的疲勞壽命可靠估算，利用SQL數據庫工具建立系統相關的數據表，并利用MA11AB繪制了基本的曲線圖形，最后以Word文字報表的形式將各種參數以及全部結果進行保存，為提高帶式輸送機滾筒設計水平提供了良好的軟件系統平臺。
1、滾筒疲勞壽命可靠性分析方法
1.1滾筒結構與力學模型
大型輸送機滾筒的結構一般包括六部分：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動滾筒與輸送帶間的摩擦系數。
滾筒力學模型如圖2所示，輸送帶在滾筒上圍包角為a，輸送帶相通點張力值為T1，分離點張力值為T2。兩端輸送帶張力差值為（T1- T2），平穩運行時，張力差值產生的扭矩與滾筒軸上作用的扭矩相等。滾筒上包角a包括工作弧（滑動弧）λ和靜止弧7，靜止弧λ范圍內，沒有摩擦力，輸送帶張力沒有變化，即從d點c點處輸送帶張力T1是恒定的。輸送帶所傳遞的驅動力實際上是動弧上的摩擦力，在工作弧λ內，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點至c點逐漸增大。
1.2滾筒有限元模型
滾筒是一個復雜的組合體，建立有限元模型時，采取一些適當的簡化措施，以減少分析過程中的消耗。本文在建模時，對滾筒組件進行了如下簡化：(1)雙驅動滾筒簡化成對稱結構，取滾筒的1/2建立模型； (2)忽略滾筒表面包膠質量。
根據滾筒結構及載荷特點選用了ANSYS中3種單元SOLID45、SHELL63、SURF154．選用方法為：(1)對于輻板、輪轂及滾筒軸，采用SOLID45; (2)對于筒殼，選用SHELL63；(3)由于輸送帶和滾筒之間在動角范圍內有摩擦力的存在，需要應用面效應元來模擬表面載荷，選擇SURF154單元。
根據滾筒力學模型，加載方法如下：(1)約束：在滾筒對稱面上的線和面加對稱約束，軸承對滾筒軸的約束加在滾筒軸與軸承接觸部分的節點上，所約束的自由度為柱坐標x軸反方向；(2)面載荷：在傳送帶靜角范圍內．只對滾筒施加法向載荷，直接用面效應元加法向載荷。在帶動角范圍內，法向載荷是連續變化的，將連續載荷離散化，并逐個單元列施加法向面裁荷，切向載荷用面效應元模擬；(3)體載荷：即重力．在定義材料密度后，根據重力加速度實現模擬；(4)慣性載荷：通過對結構施加角速度實現模擬慣性載荷；(5)扭矩：選取軸一端加扭矩的節點，建立局部圓柱坐標系，在節點坐標Y方向施加力，完成扭矩的加載，如圖3所示。
1.3隨機載荷譜的建立
目前國內外有多種輸送機動態分析軟件系統，通過系統分析可以得到輸送帶分離點和相遇點在啟動、運行、制動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，依據張力載荷譜進行瞬態動力學分析，將等效應力最大點確定為滾筒危險點，得到的危險節點應力時間歷程如圖4所示。
圖4中各列對應參數分別為時間、筒殼危險點的應力、輪轂和輻板危險點應力、軸危險點應力。采用雙參數雨流計數法對危險點應力一時間歷程進行分析。經過雨流循環計數后獲得應力循環的平均應力和應力幅值．將其存人對應的數據庫中，應用Goodman平均應力修正方法進行平均應力修正，得到平均應力為零的載荷循環譜。
1.4疲勞壽命可靠性分析方法
運用線性疲勞累積損傷理論，結合危險點材料的P-S-N曲線和平均應力為零的載荷循環譜．進行疲勞壽命可靠性分析。將輸送機運行的循環過程分成了三個階段，整個過程的損傷也分成三個階段，分別計為啟動D1、平穩D2、制動D3，總的損傷計D為D1、D2、D3之和，將各階段的應力及相應的P-S-N疲勞數據帶人軟件疲勞壽命計算模塊，分別計算各段損傷值，即可分析一定可靠度下的各段運行壽命及規定運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
帶式輸送機滾筒疲勞壽命分析軟件的開發方面，目前國內外研究較少。綜合國內外學者在其他領域疲勞可靠性的研究方法，并根據輸送機結構和力學模型特點，所開發的軟件系統主要采用模態屬性對話框編寫方式，單文檔界面(SDI)。用戶界面設計的基本原則是：合理布局控件的位置：保持用戶界面元素的一致性；統一形式和內容；保持界面的簡明；適當、靈活地運用顏色與圖像。
3、結論
帶式輸送機滾筒作為帶式輸送機的主要傳動部件．其設計能力與水平，關系到整個輸送機系統的安全性和可靠性。本文在帶式輸送機滾筒力學模型基礎上，結合結構特點對其進行有限元分析，運用有限元的分析結果，結合材料P-S-N數據，應用Miner疲勞累積損傷準則，應用vc++語言、ANSYS的APDL語言、MATLAB、SQL數據庫等軟件共同開發出帶式輸送機滾筒有限元及疲勞壽命可靠性分析軟件，具有有限元分析、雨流計數、疲勞壽命可靠性分析等功能．通過工程案例驗證了系統的實用性，為滾筒的合理設計提供了仿真平臺，避免了滾筒結構尺寸設計中的盲目性．為疲勞可靠性設計節省大量時間，對提高滾筒的整體設計水平有重要的意義。
