大型膠帶輸送機(jī)啟動過程動態(tài)特性仿真分析

【摘要】以VB和MATLAB軟件為平臺，編寫了膠帶輸送機(jī)的動態(tài)分析程序，模擬了膠帶輸送機(jī)起動時的運(yùn)行特性，研究了啟動載荷、電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動方式以及啟動時間對大型膠帶輸送機(jī)動態(tài)特性的影響。

【關(guān)鍵詞】膠帶輸送機(jī)；動態(tài)特性；仿真分析；MATLAB

1、引言

隨著大型膠帶輸送機(jī)的發(fā)展，輸送機(jī)的動態(tài)特性表現(xiàn)的越來越突出，已成為膠帶輸送機(jī)研究的核心問題[1]。建立膠帶輸送機(jī)輸送帶在啟動過程的動力學(xué)方程，通過計算機(jī)對其動態(tài)特性進(jìn)行仿真，求解輸送帶上不同點(diǎn)的動張力隨時間變化所發(fā)生的變化，找出變化劇烈的張力波，防止輸送帶發(fā)生破壞。通過對膠帶輸送機(jī)進(jìn)行動態(tài)分析研究，可以對靜態(tài)設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，為帶式輸送機(jī)設(shè)計提供合理的設(shè)計參數(shù)。

2、膠帶輸送機(jī)的動態(tài)分析系統(tǒng)設(shè)計方案

從目前膠帶輸送機(jī)的動力學(xué)研究來看，縱向振動對輸送機(jī)的動特性影響較大，所以動態(tài)設(shè)計中的動態(tài)部分主要考慮輸送帶的縱向振動的影響。

2.1動態(tài)分析系統(tǒng)模塊化設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計是根據(jù)系統(tǒng)所要完成的工作來確定系統(tǒng)的模塊劃分以及模塊之間的相互聯(lián)系，并對模塊劃分的質(zhì)量進(jìn)行評價。動態(tài)分析模塊是膠帶輸送機(jī)動態(tài)特性分析程序的主體部分，可充分采取將可視化編程語言VB和MATLAB相結(jié)合的方法對輸送機(jī)的動態(tài)特性進(jìn)行分析。

2.2模塊功能簡介

1）控制參數(shù)設(shè)定模塊

控制參數(shù)設(shè)定模塊包括工況設(shè)定和啟動控制模塊，其中啟動控制模塊包括電機(jī)直接啟動控制模塊和電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動控制模塊。膠帶輸送機(jī)的啟動方式是動態(tài)分析的關(guān)鍵，本文的啟動方式有電機(jī)直接啟動和電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合驅(qū)動兩種方式。選擇不同的啟動方式對膠帶輸送機(jī)的動態(tài)特性進(jìn)行響應(yīng)輸出，來完善輸送機(jī)的動態(tài)分析。

2）單元節(jié)點(diǎn)劃分模塊

送帶單元節(jié)點(diǎn)劃分的原則是將環(huán)形輸送帶分割成均能反映其動力特性的若干個小段，，從輸送帶上分支與驅(qū)動滾筒相切點(diǎn)開始，逆著輸送帶速度方向開始編號，依次為1，2，…n。尾部改向滾筒的編號為n+1，將輸送帶的回程段從離開尾部滾筒處劃分為m段，其編號依次為n+2，n+3，…n+m+1，頭部拉緊滾筒的編號為n+m+2，頭部的第二驅(qū)動滾筒的編號為n+m+3，頭部第一驅(qū)動滾筒的編號為n+m+4。

系統(tǒng)根據(jù)前面輸入的輸送長度和提升高度以及布置形式自行劃分單元節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)劃分結(jié)束后調(diào)用后臺預(yù)先編寫的計算函數(shù)自動計算出各個單元的長度。

3）動力學(xué)方程模塊

主要包括膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)模型模塊，系統(tǒng)的動力學(xué)方程模塊和方程的求解模塊。根據(jù)動態(tài)設(shè)計模塊中節(jié)點(diǎn)的劃分模塊，計算出各個節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量、剛度、阻尼和初始張力值。建立輸送機(jī)系統(tǒng)的等效質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣和力矩陣。

4）動態(tài)響應(yīng)輸出模塊

動態(tài)響應(yīng)輸出模塊包括數(shù)據(jù)輸出模塊和圖形輸出模塊。輸出的數(shù)據(jù)是在一定的啟動方式，一定的拉緊形式和一定的仿真時間內(nèi)的速度、加速度和動張力的值。圖形輸出模塊是對數(shù)據(jù)輸出模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)情況的二維圖形顯示，即可視化處理。

3、膠帶輸送機(jī)動態(tài)仿真分析

膠帶輸送機(jī)動態(tài)特性仿真分析可以檢驗(yàn)?zāi)z帶局部應(yīng)力情況，以便對膠帶輸送機(jī)各部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，增加膠帶輸送機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

3.1啟動載荷對輸送機(jī)動態(tài)特性的影響分析

膠帶輸送機(jī)在滿載啟動時的動態(tài)特性是其安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在，因此必須對大型膠帶輸送機(jī)滿載啟動時的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，以控制輸送機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。圖1（a）和（b）分別是電機(jī)直接啟動和電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合驅(qū)動時滿載和空載兩種啟動工況下第一驅(qū)動處的動張力曲線。

在電機(jī)直接啟動的方式下，膠帶在空載和滿載兩種啟動工況下的最大動張力分別是340KN和550KN。而電機(jī)和液力耦合器聯(lián)合驅(qū)動的啟動方式，空載和滿載兩種啟動工況下的最大動張力分別是240KN和401KN。由圖中曲線比較，可得電機(jī)加上液力耦合器的聯(lián)合工作可使膠帶在滿載啟動工況下的最大張力下降149KN，約28%。同樣是液力耦合器的作用，在空載啟動條件下膠帶的最大張力降低了100KN，約為30%。由此可見，電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動能減小輸送帶的動張力，可以降低機(jī)械零部件的受力情況，消除工作機(jī)構(gòu)的沖擊和振動，從而大大延長電動機(jī)和工作機(jī)構(gòu)的壽命。

3.2啟動時間對輸送機(jī)動態(tài)特性的影響

分別對不同啟動時間的速度曲線和動張力曲線進(jìn)行分析：

啟動時間不同，膠帶的動態(tài)響應(yīng)情況也不同，通過對電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動的方式下輸送機(jī)第一驅(qū)動滾筒的切入點(diǎn)為研究對象，分別對啟動時間為50s、100s時的第一驅(qū)動單元的速度和動張力進(jìn)行仿真分析可得以下結(jié)論：

1）啟動時間為50s時的速度曲線在輸送機(jī)啟動過程中波動較明顯，在約18s時輸送機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行階段，而啟動時間為100s時的速度曲線在約42s時達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行階段。50s時的動張力曲線在10s內(nèi)變化顯著，而100s時的動張力曲線在45s內(nèi)變化劇烈。接著輸送機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，通過以上分析可知啟動時間較短時，輸送帶的速度、動張力波動變化較顯著。

2）當(dāng)驅(qū)動時間足夠長時，驅(qū)動滾筒處動張力的波動會有很大幅度的減小，且啟動加速度越大，應(yīng)力波的波動也就越大。這是與實(shí)際情況相吻合的，很好地驗(yàn)證了膠帶輸送機(jī)動力學(xué)模型的正確性。

4、結(jié)論

膠帶輸送機(jī)啟動過程的動態(tài)特性研究的目的是使啟動加速度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，能夠按照既定的要求逐步克服整個輸送機(jī)系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動。膠帶輸送機(jī)動態(tài)特性仿真分析可以檢驗(yàn)?zāi)z帶局部應(yīng)力情況，以便對膠帶輸送機(jī)各部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，增加膠帶輸送機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]宋偉剛，張尊敬，王鷹.帶式輸送機(jī)的研究進(jìn)展[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2004，5（2）：1-4.

[2]李光布，李儒瓊.大型帶式輸送機(jī)動力學(xué)建模與仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計與研究，2008，24（4）：98-106.