帶式輸送機(jī)輸送帶垂度的有限元分析

鄧 倫，李春英，張漢辰

DENG Lun, LI Chun-ying, ZHANG Han-chen

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

0 引言

帶式輸送機(jī)是糧食，煤炭等行業(yè)廣泛使用的一種連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備。帶式輸送機(jī)有運(yùn)輸能力大，效率高,運(yùn)行平穩(wěn),輸送距離長，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而在生產(chǎn)運(yùn)輸中越來越受到重視。正常運(yùn)行中輸送帶在自重和載荷的共同作用下會出現(xiàn)一定垂度。如果垂度過大,貨載會產(chǎn)生振動，導(dǎo)致物料下滑,阻力增大等[1]。因而了解輸送帶垂度的變化，利用Workbench軟件對輸送帶垂度進(jìn)行有限元分析，有利于輸送機(jī)的正常運(yùn)行。

1 三維模型的建立

帶式輸送機(jī)主要由輸送帶、傳動裝置、張緊裝置、托輥、各類滾筒、清掃器、制動，逆止裝置、裝卸等輔助裝置構(gòu)成[2]。上運(yùn)式輸送機(jī)的承載托輥采用槽形托輥時(shí)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在Workbench中建模較為繁瑣。為了快捷、準(zhǔn)確地完成建模，使用UG NX 8.0 軟件對輸送機(jī)的機(jī)架，槽形托輥，輸送帶進(jìn)行三維建模和裝配。在保證計(jì)算精度及單元劃分的前提下，適當(dāng)?shù)貙δＰ瓦M(jìn)行簡化。在UG軟件里將模型建立完成后，利用UG與ANSYS Workbench的專用接口，將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，模型如圖1所示。

采用UG和Workbench軟件作為建模和仿真平臺，模型仿真主要參數(shù)如表1所示。

2 有限元分析一

為了便于分析和仿真，需要將模型進(jìn)行假設(shè)、簡化，將一些影響不大的因素忽略[3]：

圖1 輸送機(jī)的三維模型

表1 模型仿真參數(shù)

1）假設(shè)輸送帶上的物料在輸送帶上均勻分布；

2）在平穩(wěn)工作中把輸送帶視為各向的力學(xué)性能相同的柔性剛板；

3）輸送帶的運(yùn)行阻力在各個(gè)階段均勻分布，輸送帶運(yùn)行過程無變形阻力；

輸送帶垂度的標(biāo)準(zhǔn)：在二個(gè)托輥之間載料，槽形輸送帶的垂度太大，物料就可能從輸送帶邊上溢出。所以帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，托輥之間的垂度應(yīng)予以限制。當(dāng)輸送帶以正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保持垂度的最大值不超過3%（ISO規(guī)定0.5%～2%,我國設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)2.5%），有載輸送帶處在停機(jī)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)保持垂度的最大值不超過4.5%?？紤]到文中對模型進(jìn)行了簡化，輸送帶正常運(yùn)行時(shí)垂度的最大值不超過3%。

2.1 模型導(dǎo)入及材料定義

打開ANSYS Workbench導(dǎo)入幾何模型，并在Analysis Systems工具箱中新建一個(gè)Transient Structural系統(tǒng)，將其與之前導(dǎo)入的Geometry 鏈接。

打開Engineering Data分別進(jìn)行定義輸送帶、托輥、機(jī)架的材料（輸送帶的彈性模量為75Mpa，泊松比為0.49，托輥的彈性模量20Gpa，泊松比為0.3，密度為7800，輸送機(jī)機(jī)架采用Q235）。Mechanical界面定義輸送帶為柔性體，依次添加之前定義的材料。

2.2 定義接觸、劃分網(wǎng)格

設(shè)置托輥和輸送帶的接觸類型為Frictional，其摩擦系數(shù)為0.025。托輥的剛度大，所以選擇托輥上表面為目標(biāo)面，輸送帶的下表面為接觸面。托輥、機(jī)架相對于地面為固定，點(diǎn)擊Body-ground選項(xiàng)中的fixed。對輸送帶和托輥使用掃掠(Sweep)的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.3 施加載荷

輸送機(jī)運(yùn)行過程中受力比較復(fù)雜，在忽略了輸送帶變形阻力的情況下，輸送帶主要受兩端的張力，物料的載荷和運(yùn)行阻力。

正常運(yùn)行中輸送帶的張力應(yīng)不小于承載分支最小張力點(diǎn)允許的最小值[4]為：

式中f0為輸送帶在托輥組間的最大容許垂度，f0=0.01-0.025，Sz min為允許的最小張力,為托輥間距。

運(yùn)行時(shí)輸送帶受到向下的運(yùn)行阻力和兩端張力，取兩托輥間的輸送帶及其承載物料進(jìn)行分析（如圖2所示），設(shè)傾角為β，輸送帶兩端張力分別為S1、S2。

式中：az為承載分支線運(yùn)行阻力，N.m-1；

q0為單位長度輸送帶質(zhì)量，kg.m-1；

圖2 兩托輥間輸送帶張力分析

q為單位長度上物料的質(zhì)量，kg.m-1；

q'為單位長度上托輥轉(zhuǎn)動部的質(zhì)量，kg.m-1；

w'為槽形托輥?zhàn)枇ο禂?shù)。

計(jì)算輸送帶兩端張力分，其值分別為3980N和4273N。選中分析樹下Transient項(xiàng)，在Environment工具欄中點(diǎn)擊載荷和壓力并施加到輸送帶兩端和表面，在Analysis Settings項(xiàng)中設(shè)置求解步，Step end time設(shè)置為4s，開啟大變形選項(xiàng)。

2.4 求解及后處理

選擇Solution工具欄中的Deformation，求解得到輸送帶的整體變形云圖3和中間節(jié)點(diǎn)的時(shí)間位移曲線，云圖以不同的顏色表示不同范圍的變形值。

圖3 采用槽形托輥的輸送帶垂度

圖4 輸送帶垂度-時(shí)間曲線1

通過觀察分析云圖3和圖4的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輸送帶的最大變形位置處于兩托輥之間的中心處，在1.5s時(shí)垂度達(dá)到最大變形值15.307mm。通過計(jì)算，最大垂度和托輥間距之比為1.27%，結(jié)果滿足ISO5048中規(guī)定，仿真結(jié)果合理。

3 有限元分析二

輸送機(jī)傾角大小，輸送帶寬度等參數(shù)均不變，僅上托輥改采用平形托輥，托輥間距分別為1.2m和1.5m，托輥的直徑不變，長度為100mm。對輸送機(jī)進(jìn)行簡化，簡化后模型由輸送帶和平行托輥兩部分組成，由于模型結(jié)構(gòu)簡單可直接在Workbench下的Design Modeler中三維建模，劃分網(wǎng)格后如圖4所示。

圖5 上運(yùn)帶網(wǎng)格劃分

材料設(shè)置、接觸類型、輸送帶兩端張力和有限元分析一基本一致，僅物料載荷的加載位置發(fā)生變化。對托輥間距為1.2m和1.5m的模型分別求解及后處理，得到兩者的整體變形云圖分別為圖5，圖6和中間節(jié)點(diǎn)處的時(shí)間位移曲線。

圖6 托輥間距1.2m的輸送帶垂度

圖7 托輥間距1.5m的輸送帶垂度

圖8 輸送帶垂度-時(shí)間曲線2

觀察云圖5和圖8中的a曲線發(fā)現(xiàn)輸送帶的最大變形位置在兩托輥的中點(diǎn)處，在2.6s時(shí)垂度達(dá)到最大變值為35.101mm。通過計(jì)算，最大垂度值和托輥間距之比為2.925%，考慮到仿真過程的簡化，且仿真結(jié)果2.925%小于3%，所以仿真結(jié)果合理。

觀察云圖6和圖8中曲線b發(fā)現(xiàn)輸送帶的最大變形位置在兩托輥的中點(diǎn)處，在3s時(shí)垂度達(dá)到最大變值為43.508mm。最大垂度和托輥間距之比為2.901%，考慮到仿真過程的簡化，仿真結(jié)果和理論存在一定誤差，仿真結(jié)果可以采用。

對比仿真結(jié)果，能更加清晰的顯示在張力，載荷，傾斜角相同的情況下的輸送帶最大垂度情況。

表2 不同的托輥類型和間距時(shí)輸送帶的垂度

通過表2的對比可得到以下結(jié)論：在張力、載荷、安裝傾角、托輥間距相同的情況下，通過仿真分析得到托輥的形狀影響輸送帶的垂度。

在張力、載荷、安裝傾角和托輥形狀相同的情況下，通過仿真分析得到托輥的間距和輸送帶的垂度成正比。

4 結(jié)論

基于Workbench對帶式輸送機(jī)的垂度進(jìn)行仿真分析，有利于減小輸送帶的運(yùn)行阻力，對防止輸送帶打滑，張緊力大小的選擇，都有著重要的參考價(jià)值。分析對比采用不同托輥和不同托輥間距的輸送帶垂度，對輸送機(jī)的安裝、托輥選擇、托輥間距確定有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。仿真分析指出托輥、托輥間距、張力和載荷都對垂度有一定的影響。仿真分析為以后研究輸送帶在啟動、制動、打滑和斷帶等情況下的垂度提供了理論依據(jù)。

[1]張曉永,于巖,徐魯輝,等.基于輸送帶懸垂度的斷帶檢測技術(shù)研究[J].煤礦機(jī)械2011,32(3):247-249.

[2]任文娟,陳薇,方敏,等.大型帶式輸送機(jī)動態(tài)建模及模型降階[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2011,(5):8-11.

[3]劉偉國,劉英林.基于ANSYS 的帶式輸送機(jī)輸帶垂度的分析與仿真[J].煤礦機(jī)械2013,34(6):39-40.

[4]于巖,李維堅(jiān).運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1998.