基于ADAMS的帶式輸送機(jī)輸送帶動(dòng)特性仿真分析

賀金虎，廉自生

HE Jin-hu，LIAN Zi-sheng

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024）

0 引言

在以往用ADAMS軟件對(duì)帶式輸送機(jī)動(dòng)特性分析中，都將輸送帶的模型建立為剛體或者部分是剛體以及柔性體或部分為柔性體，這兩種方式都可以較為準(zhǔn)確的模擬帶式輸送機(jī)的動(dòng)特性，但是二者的優(yōu)劣還沒有經(jīng)行過比較。本文將對(duì)較為早出現(xiàn)的ADAMS中輸送帶不同的建模方式，在同一工況下即啟動(dòng)工況下進(jìn)行仿真分析，得出更適合的輸送帶建模方式。且新的ADAMS版本剛?cè)峤佑|已經(jīng)不需要再添加啞物體，這更能方便的利用ADAMS軟件對(duì)帶式輸送機(jī)輸送機(jī)輸送到動(dòng)特性進(jìn)行仿真。

1 ADAMS中輸送帶模型的建立

1）剛體和柔性體簡(jiǎn)介：在任何力的作用下，體積和形狀都不發(fā)生改變的物體叫做剛體(Rigid body)。在物理學(xué)內(nèi)，理想的剛體是一個(gè)固體的，尺寸值有限的，形變情況可以被忽略的物體。不論有否受力，在剛體內(nèi)任意兩點(diǎn)的距離都不會(huì)改變。在運(yùn)動(dòng)中，剛體上任意一條直線在各個(gè)時(shí)刻的位置都保持平行。而柔性體是相對(duì)于剛體的概念，它強(qiáng)調(diào)了可變形性，至于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以是線彈性，也可以是粘彈性或者彈塑性等。且柔性體包括了彈性體。

2）如何建立輸送到模型：實(shí)際情況中輸送帶由三個(gè)部分構(gòu)成覆蓋層，帶芯，隔離層。而根據(jù)覆蓋層和帶芯的材料不同，輸送帶可分為橡膠輸送帶、塑料輸送帶、尼龍輸送帶等。從輸送帶的材料可以看出，輸送帶應(yīng)該當(dāng)作柔性體來處理。在ADAMS中，柔性體有兩種建模方法：第1種是將帶劃分為很多的剛性體小塊，并且在各個(gè)剛性體小塊之間施加約束bushing，用這種方法來擬合帶的變形以及柔性，這種方法類似于有限元思路即輸送帶整體是柔性，部分為剛性，然后在部分之間施加柔性連接，從而使得整體變?yōu)槿嵝?；?種方法是將輸送帶劃分成很多的柔性體小塊，然后再在帶塊間加以bushing。這種方法使輸送帶部分變成柔性，再在部分之間添加柔性連接，從而使整體也成為柔性。而其中的柔性體小塊可以用兩種方式可以解決：1）離散性方式：利用ADAMS自帶的Auto-flex，可以解決一些簡(jiǎn)單的柔性體轉(zhuǎn)換，如一些梁，柱之類；2）模態(tài)性方式：利用有限元軟件做出模態(tài)中性MNF文件，然后再導(dǎo)入到ADAMS中替換相對(duì)應(yīng)的剛性體。本文中柔性小塊的建立是利用的第二種方式。

2 總體帶式輸送機(jī)模型的建立

1）帶式輸送機(jī)模型的簡(jiǎn)化

根據(jù)目前的研究，將輸送帶視作粘彈性體則更能接近實(shí)際情況，尤其是對(duì)于長(zhǎng)距大運(yùn)量高速輸送帶來說，帶的粘彈性特性表現(xiàn)的更加突出（如帶的蠕變、松弛和動(dòng)特性等粘彈性特征），以至于不能忽略，對(duì)帶的正常運(yùn)行產(chǎn)生足夠明顯的影響。由于帶寬和帶厚方向相對(duì)于帶長(zhǎng)方向（帶的運(yùn)行方向）的尺度很小，即帶長(zhǎng)方向是主要尺度方向。而帶式輸送機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)主要包括：輸送帶、驅(qū)動(dòng)滾筒、張緊機(jī)構(gòu)以及其他改向和輔助機(jī)構(gòu)。其中輸送帶是直接與物料接觸實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)?，其他機(jī)構(gòu)都可以看作是為了使帶長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)起來所提供的外圍輔助機(jī)構(gòu)（假設(shè)輸送帶可以自行連續(xù)回轉(zhuǎn)，在其他機(jī)構(gòu)都可省去），因此關(guān)鍵研究對(duì)象應(yīng)為輸送帶。且將帶看作是柔性體，其他部件都可以視為剛體。為使本模型中張緊機(jī)構(gòu)處的滾筒能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)，可以使此處模型轉(zhuǎn)化為一個(gè)圓柱體以及一個(gè)處于圓柱體中心出的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸。簡(jiǎn)化后布置方式如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)布置方式

2）參數(shù)的設(shè)置

帶式輸送機(jī)ADAMS模型尺寸及參數(shù)的確定：簡(jiǎn)化后的帶式輸送機(jī)的總機(jī)簡(jiǎn)化幾何模型只包含尾部驅(qū)動(dòng)滾筒、張緊機(jī)構(gòu)處滾筒、軸及輸送帶。具體參數(shù)如下：驅(qū)動(dòng)滾筒各改向滾筒直徑分別為112mm，總長(zhǎng)380張緊機(jī)構(gòu)處滾筒直徑為108mm,總長(zhǎng)320與此滾筒嚙合的軸的直徑為25，總長(zhǎng)為380且材料均為剛性材料，帶式輸送機(jī)輸送長(zhǎng)度3000mm，輸送帶寬度300mm，驅(qū)動(dòng)滾筒、張緊滾筒、托輥與輸送帶的摩擦因數(shù)0.3。輸送帶初始拉緊力5KN，恒力拉緊，啟動(dòng)時(shí)間8s、正常運(yùn)行時(shí)間10s.輸送帶穩(wěn)定運(yùn)行后的速度為1m/s,根據(jù)以上參數(shù)建立的帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

圖2 帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)模型

3）在ADAMS中建模與仿真流程

1）剛性體的輸送帶建模流程：建立滾筒模型—用宏命令定義帶塊—在帶塊之間時(shí)間bushing—在各個(gè)帶塊與各個(gè)滾筒間之間施加接觸約束contact（solid to slid）—施加約束（在除張緊機(jī)構(gòu)處，滾筒與軸處施加旋轉(zhuǎn)副，在軸上添加移動(dòng)副，在其他滾筒處與地面施加旋轉(zhuǎn)副）—施加驅(qū)動(dòng)（利用step函數(shù)，且采用恒加速度啟動(dòng)）—仿真—得出結(jié)果并進(jìn)行后處理。

2）柔性體的輸送帶建模流程：建立滾筒模型—用宏命令定義帶塊—導(dǎo)入帶塊模態(tài)中性文件，并且替換—在帶塊之間時(shí)間bushing—在各個(gè)帶塊與各個(gè)滾筒間之間施加接觸約束contact（flex to slid）—施加約束（在除張緊機(jī)構(gòu)處，滾筒與軸處施加旋轉(zhuǎn)副，在軸上添加移動(dòng)副，在其他滾筒處與地面施加旋轉(zhuǎn)副）—施加驅(qū)動(dòng)（利用step函數(shù)，且采用恒加速度啟動(dòng)）—仿真—得出結(jié)果并進(jìn)行后處理。

添加完約束等模型如圖3所示。

圖3 加完約束，接觸之后的帶式輸送機(jī)模型

4）測(cè)量機(jī)頭駛?cè)朦c(diǎn)處張力

因?yàn)檩斔蛶Ｐ褪怯珊芏嗟膸K以bushing連接所建成的，所以可以用bushing的力來模擬輸送帶的動(dòng)張力。而驅(qū)動(dòng)滾筒處駛?cè)朦c(diǎn)處的動(dòng)張力可以由距其最近的bushing力來模擬。當(dāng)bushing超過驅(qū)動(dòng)滾筒駛?cè)朦c(diǎn)處的時(shí)候，換下一個(gè)距駛?cè)朦c(diǎn)最近的bushing來模擬，然后把各個(gè)時(shí)間點(diǎn)記錄。在ADAMS后處理中輸出各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的bushing力曲線，輸入到EXCEL中，把各個(gè)時(shí)間點(diǎn)bushing曲線擬合到一起就是駛?cè)朦c(diǎn)處動(dòng)張力曲線。

3 仿真結(jié)果對(duì)比

仿真結(jié)果分析如下：

圖4 驅(qū)動(dòng)滾筒駛?cè)朦c(diǎn)示意圖

圖5 剛性帶塊方式動(dòng)張力曲線

圖6 柔性帶塊方式動(dòng)張力曲線

圖5和圖6表示不同帶塊建模方式下，帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其驅(qū)動(dòng)滾筒駛?cè)朦c(diǎn)出動(dòng)張力的變化曲線?？梢钥闯?，兩種方式都是4秒左右達(dá)到峰值25.5kN，8秒之后達(dá)逐步恢復(fù)到平穩(wěn)值，這是因?yàn)槌跏驾斔蛶Ц鴿L筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，二者之間是靜摩擦，兩者之間沒有相對(duì)速度。當(dāng)某一時(shí)刻后,兩者產(chǎn)生動(dòng)摩擦,兩者會(huì)存在相對(duì)速度。由靜摩擦轉(zhuǎn)到動(dòng)摩擦，摩擦力反而會(huì)突然減小。所以4s的峰值就是在這一瞬間產(chǎn)生的。只是，剛性帶塊在啟動(dòng)工況下的動(dòng)張力的波動(dòng)更大，在達(dá)到平穩(wěn)后，仍然會(huì)有一些較大的波動(dòng)，這是因?yàn)閯傂詭K之間的碰撞所造成的，這是無法避免的且這是這種方法最大的弊端。而柔性帶塊在運(yùn)行后，波動(dòng)較小，較為平穩(wěn)，更適合對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

觀測(cè)兩張力曲線?？梢缘贸鼋Y(jié)果柔性帶塊仿真出來的曲線較為平滑，更接近與皮帶機(jī)啟動(dòng)的情形。更適合用，更準(zhǔn)確的對(duì)帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

1）利用ADAMS軟件對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行動(dòng)特性分析是有效而且方便的。

2）利用柔性帶塊擬合建立輸送帶模型比用剛性帶塊擬合建立輸送帶模型較為準(zhǔn)確，較能準(zhǔn)確的仿真分析帶式輸送機(jī)的動(dòng)特性。

[1]李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M.]上海：上?？茖W(xué)普及出版社,2004.

[2]秦書安.帶傳動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J].機(jī)械傳動(dòng),2002(4)：1-2.

[3]宋偉剛.通用帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.5.

[4]王繁生,侯友夫.帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)分析模型研究[J].中國(guó)礦業(yè),2008(11).

[5]白碩瑋,李金良,柴建平.基于虛擬樣機(jī)的輸送帶動(dòng)力學(xué)模型研究[J].煤礦機(jī)械,2011(1)：75-76.

[6]毛華晉,廉自生.基于AMESim的帶式輸送機(jī)輸送到的動(dòng)特性仿真[J].煤礦機(jī)械,2011(11)：89-91.

[7]劉英林.帶式輸送機(jī)輸送帶啟動(dòng)張力研究[J],煤礦機(jī)械,2012(5)：42-43.

[8]李庭,胡斌,鄭敏.基于ADAMS的輸送帶的建模與仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2013(3)：30-31.

[9]尚欣,紀(jì)蓮清.基于虛擬樣機(jī)的帶傳動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析[J],機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(2).

[10]許志洋.基于虛擬樣機(jī)的帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)研究[D].安徽理工大學(xué),2007(6).

[11]Hrrrison.Alex.Simulation of Conveyor Dynamics[J].bulk solids handling,1996,1(1)：33-37.