基于ADAMS平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性

李陽星,　李曉輝

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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基于ADAMS平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性

李陽星,李曉輝

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

隨著帶式輸送機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,以及帶速的提高,動(dòng)態(tài)特性問題成為影響帶式輸送機(jī)運(yùn)行的重要因素,同時(shí),輸送路線受到地形地貌以及建筑物等障礙物的影響,導(dǎo)致帶式輸送機(jī)需要曲線布置。運(yùn)行參數(shù)、彎曲段布置參數(shù)等對輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行也有很大的影響。特別是大型高速平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)需要研究其動(dòng)態(tài)特性。利用Pro/E建立平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)模型,應(yīng)用動(dòng)態(tài)分析軟件ADAMS建立虛擬樣機(jī)模型,分析運(yùn)行速度、輸送帶剛度、轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)彎角度對平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響。結(jié)果表明:在允許范圍內(nèi),增大輸送帶的剛度,可以減小啟動(dòng)過程中輸送帶張力和偏移量的峰值,提高運(yùn)行的穩(wěn)定性,輸送帶的張力和轉(zhuǎn)彎處偏移量隨轉(zhuǎn)彎角度的增大而增加,大角度轉(zhuǎn)彎會降低輸送帶的穩(wěn)定性。

帶式輸送機(jī); 平面轉(zhuǎn)彎式; 動(dòng)態(tài)特性

0　引　言

隨著帶式輸送機(jī)的廣泛應(yīng)用,單機(jī)運(yùn)距不斷加大,輸送路線受到地形地貌以及建筑物等障礙的影響,致使帶式輸送機(jī)不能在輸送的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行直線布置。如何使其能夠繞開障礙物而彎曲運(yùn)行成為帶式輸送機(jī)發(fā)展的研究重點(diǎn)[1-5]。隨著帶速的提高,動(dòng)態(tài)特性問題成為影響帶式輸送機(jī)運(yùn)行的重要因素。近年來,對帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性的研究取得了一些成果[6-12],但對在平面內(nèi)可以不借助強(qiáng)制措施的情況下,就能實(shí)現(xiàn)彎曲運(yùn)行的帶式輸送機(jī)開展動(dòng)態(tài)特性研究的文獻(xiàn)鮮見,使得彎曲運(yùn)行帶式輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)難以有效開展。因此,對平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1　虛擬樣機(jī)模型的建立

1.1輸送帶的動(dòng)力學(xué)模型

由于輸送帶具有粘彈特性,所以在對平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析時(shí)，必須把輸送帶作為柔性體考慮?；谟邢拊碚?把輸送帶離散成若干個(gè)小帶塊后，用伏格特模型連接起來。平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)由于直線段和轉(zhuǎn)彎曲線段的輸送帶的受力情況不同,所以建立的動(dòng)力學(xué)模型也是不相同的。

1.1.1輸送帶單元在直線段的模型

對直線運(yùn)行段輸送帶,截取任意一個(gè)單元帶塊進(jìn)行分析,所創(chuàng)建的動(dòng)力學(xué)模型及其受力分析如圖1所示[11]。

圖1　直線段單元受力分析

(1)

整理式(1),得出i單元的動(dòng)張力為

(2)

1.1.2輸送帶單元在彎曲段的模型

圖2　轉(zhuǎn)彎曲線段的動(dòng)力學(xué)模型

把帶塊單元i兩邊相鄰的帶塊單元的位移以及速度全都投影到帶塊單元i的對應(yīng)方向上,可以得到轉(zhuǎn)彎曲線段輸送帶的動(dòng)力學(xué)方程

Fwi=0。

(3)

(4)

1.2平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)模型

模型的建立是使用ADAMS、Pro/E以及ANSYS三個(gè)軟件聯(lián)合完成。滾筒、托輥、拉緊裝置當(dāng)作剛性體考慮,輸送帶當(dāng)作柔性體考慮,因此平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成是剛?cè)峄旌象w系。創(chuàng)建輸送帶模型時(shí),利用Pro/E建立剛性帶塊單元,再利用有限元軟件ANSYS對剛性帶塊進(jìn)行柔性化處理。建立的平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)計(jì)算模型如圖3所示[14]。

圖3　平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)模型

Fig. 3Virtual prototype model of plane turning belt conveyor

計(jì)算模型參數(shù):滾筒直徑1 m,材料屬性為剛體。傳動(dòng)滾筒表面采用膠面材質(zhì),摩擦系數(shù)0.4;改向滾筒表面采用光面金屬材質(zhì),摩擦系數(shù)是0.35。托輥直徑0.1 m,直線運(yùn)行部分的承載段托輥間距1.5 m,直線運(yùn)行部分的回程段托輥間距3 m,曲線運(yùn)行段的上下分支采用同樣的托輥間距1.2 m。仿真分析中對輸送物料的加載是由施加在帶塊上且隨著位置變化的力來模擬的載荷,忽略轉(zhuǎn)彎段的內(nèi)曲線抬高角而造成的物料下滑,因此曲線運(yùn)行部分的承載段與回程段均使用簡化后的直托輥。為了增大曲線段摩擦力在曲線法向的分量來平衡因曲線運(yùn)行而產(chǎn)生的向心力,在兩個(gè)托輥的間隔處的輸送帶上增加一個(gè)向下的壓力來模擬壓輥的作用。轉(zhuǎn)彎段的托輥安裝前傾角最大是3°,內(nèi)曲線抬高角最大是5°,排列順序是:從直線段過渡到曲線段的抬高角是1°,而后逐漸增加,到轉(zhuǎn)彎段弧長的三分之一處達(dá)到5°,至弧長的三分之二后逐漸減小,到曲線段過渡到直線段處為1°。輸送帶的具體參數(shù)為:線密度為8.32 kg/m,帶寬1 m,帶厚0.01 m,帶剛度k=8.5×107N/m、帶阻尼c=3.5×105Ns/m。輸送機(jī)總長度是80 m,轉(zhuǎn)彎運(yùn)行半徑是500 m,轉(zhuǎn)彎角度是5°。張緊裝置等效為作用在改向滾筒軸上的常力,其值為60 kN。

2　動(dòng)態(tài)特性分析

2.1啟動(dòng)方式與檢測點(diǎn)的選擇

驅(qū)動(dòng)方式采用HARRSION曲線,啟動(dòng)過程中的速度和加速度為

式中：v0——平穩(wěn)運(yùn)行速度,m/s;

tT——輸送機(jī)達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行速度的啟動(dòng)時(shí)間,s。

仿真檢測點(diǎn)1是即將接觸傳動(dòng)滾筒輸送帶上的點(diǎn),在此點(diǎn)主要是測試張力的變化;檢測點(diǎn)2是平面轉(zhuǎn)彎處轉(zhuǎn)彎曲線的中點(diǎn),依此點(diǎn)測試轉(zhuǎn)彎處輸送帶的橫向偏移量。傳動(dòng)滾筒的質(zhì)心設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn),坐標(biāo)系方向如圖4a所示,承載段輸送帶即將與滾筒相遇處在y軸方向的坐標(biāo)值是正值,大小等于滾筒的半徑0.5 m。

圖4　輸送機(jī)模型中的檢測點(diǎn)

2.2運(yùn)行速度對動(dòng)態(tài)特性的影響

設(shè)定輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的速度為6和8 m/s進(jìn)行仿真,檢測點(diǎn)1處張力變化結(jié)果如圖5所示。運(yùn)行速度為v=6 m/s的情況下,在加速度達(dá)到最大值(即啟動(dòng)時(shí)間t=3.1 s)時(shí),張力達(dá)到最大值67.1 kN,平穩(wěn)運(yùn)行張力是55 kN;平穩(wěn)運(yùn)行速度為v=8 m/s的情況下,在加速度達(dá)到最大值啟動(dòng)時(shí)間t=3.1 s時(shí),張力達(dá)到了最大值73.8 kN,平穩(wěn)運(yùn)行張力是60.1 kN。不同的輸送機(jī)運(yùn)行速度下輸送帶在啟動(dòng)階段的張力變化趨勢相同,但是由于運(yùn)行速度大的輸送機(jī)在啟動(dòng)階段的加速度也比較大,在啟動(dòng)階段輸送帶張力的最大值以及波動(dòng)幅度都隨著輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行速度的提高而增大。圖5中可以看到,啟動(dòng)階段的張力比穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的張力要大很多,但是平穩(wěn)運(yùn)行后的輸送帶張力也隨著輸送機(jī)運(yùn)行速度的增加而變大,且變大的趨勢也在隨著速度的提高而加大,因此,需要分析輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性來驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)中計(jì)算得出的最大速度值,以確保輸送機(jī)的安全性。

轉(zhuǎn)彎處輸送帶轉(zhuǎn)彎中點(diǎn)測試點(diǎn)2處的橫向偏移量如圖6所示。

圖6　不同速度時(shí)轉(zhuǎn)彎中點(diǎn)處輸送帶的橫向位移

Fig. 6Lateral displacement at turn of conveyor belt under different speed

由圖6可知,當(dāng)平穩(wěn)運(yùn)行速度v=6 m/s時(shí),轉(zhuǎn)彎中點(diǎn)處的輸送帶橫向偏移量為0.1 m;當(dāng)平穩(wěn)運(yùn)行速度v=8 m/s時(shí),轉(zhuǎn)彎處輸送帶橫向偏移量為0.141 m。在兩個(gè)不同的輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行速度下,輸送帶都是在輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后的橫向偏移量達(dá)到穩(wěn)定值,在啟動(dòng)周期內(nèi)存在波動(dòng),隨著速度的提高,波動(dòng)變大。而且隨著運(yùn)行速度的提高在輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)偏移量也隨之增大,降低了輸送機(jī)的穩(wěn)定性。

由此可知,輸送帶的張力及在轉(zhuǎn)彎處的橫向偏移量隨著輸送機(jī)運(yùn)行速度的提高而增大,并且速度提高得越多,增大的幅度越明顯,表明運(yùn)行速度越大,振動(dòng)越強(qiáng),穩(wěn)定性越低。要提高輸送機(jī)的運(yùn)行速度時(shí),必須改善輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,應(yīng)在保證轉(zhuǎn)彎處輸送帶不過度偏移的同時(shí),輸送帶張力的波動(dòng)幅度要保持在允許的范圍。

2.3輸送帶剛度對動(dòng)態(tài)特性的影響

其他所有參數(shù)保持不變,運(yùn)行速度均設(shè)置為v=6 m/s,然后分別設(shè)定輸送帶剛度為8.5×107和8.5×105N/m進(jìn)行仿真,檢測點(diǎn)1處張力變化如圖7所示。輸送帶張力均在t=3.1s時(shí)達(dá)到最大值,張力最大值分別為67.1和72.5 kN。由此可知,在啟動(dòng)階段輸送帶張力的最大值以及波動(dòng)都隨著輸送帶剛度的減小而增大。

圖7　輸送帶剛度變化時(shí)的張力曲線

轉(zhuǎn)彎中點(diǎn)測試點(diǎn)2處輸送帶的橫向偏移量如圖8所示。

由圖8可知,在剛度分別為k=8.5×107和k=8.5×105N/m時(shí),偏移量在啟動(dòng)過程的最大值分別為0.110和0.135 m。即在兩個(gè)不同的輸送帶剛度下,輸送帶在輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后的橫向偏移量基本不變,但在啟動(dòng)時(shí)間段,隨著輸送帶剛度的降低,輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性下降,波動(dòng)幅度加大。

圖8　不同的輸送帶剛度下轉(zhuǎn)彎處輸送帶的橫向位移

Fig. 8Lateral displacement at turn of conveyor belt under different stiffness

綜合分析曲線的數(shù)據(jù)可以得到,輸送帶的張力及在轉(zhuǎn)彎處的橫向偏移量在啟動(dòng)過程中的波動(dòng)幅度隨著輸送帶剛度的減小而增大,而且在啟動(dòng)階段出現(xiàn)的張力峰值及偏移量峰值都明顯增大。這是由于其他條件完全相同的情況下,輸送帶剛度的降低導(dǎo)致了輸送帶彈性的增加,輸送帶的粘彈性體現(xiàn)的更加明顯,因而張力在輸送帶中的涌浪現(xiàn)象更加明顯導(dǎo)致的。因此需要選擇合理的輸送帶剛度,減小輸送帶的涌浪及延遲程度,減小輸送機(jī)的振動(dòng),從而提高輸送機(jī)的穩(wěn)定性。

2.4轉(zhuǎn)彎參數(shù)對動(dòng)態(tài)特性的影響

2.4.1 轉(zhuǎn)彎半徑的影響

運(yùn)行的速度均設(shè)定為v=6 m/s,其他參數(shù)保持不變,轉(zhuǎn)彎角度為5°,模型轉(zhuǎn)彎半徑分別為550 m和450 m時(shí)進(jìn)行仿真。檢測點(diǎn)1處張力變化如圖9所示。在轉(zhuǎn)彎半徑為550 m時(shí)啟動(dòng)階段張力最大值是65 kN,平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的張力是52.5 kN;在轉(zhuǎn)彎半徑為450 m時(shí)啟動(dòng)階段的張力最大值是71.8 kN,平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的張力是59.2 kN。在啟動(dòng)階段輸送帶張力的最大值以及波動(dòng)幅度隨著轉(zhuǎn)彎曲率半徑的減小而增大,平穩(wěn)運(yùn)行后的張力值也有所增大。

圖9　轉(zhuǎn)彎半徑變化時(shí)輸送帶的張力曲線

Fig. 9Tension curve of belt conveyor when turning radius changes

轉(zhuǎn)彎中點(diǎn)測試點(diǎn)2處輸送帶的橫向偏移量如圖10所示,轉(zhuǎn)彎半徑550和450 m時(shí)轉(zhuǎn)彎中點(diǎn)處輸送帶橫向偏移量分別為0.075和0.143 m,隨半徑減小輸送帶橫向偏移增大,而且增大的趨勢也有所增加。

圖10　不同的轉(zhuǎn)彎半徑下轉(zhuǎn)彎中點(diǎn)處輸送帶的橫向位移

Fig. 10Lateral displacement at turn of conveyor belt under different turning radius

繼續(xù)減小轉(zhuǎn)彎半徑到400 m進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真如圖11所示,由圖11a可以看出,在運(yùn)行到7.4 s時(shí),張力減小到了0,而且在同一時(shí)間轉(zhuǎn)彎處輸送帶的橫向偏移量達(dá)到了0.6 m。由偏移量的曲線圖可以看出,在運(yùn)行到5.8 s時(shí)轉(zhuǎn)彎處輸送帶的橫向偏移量是0.2 m,而在模型創(chuàng)建時(shí)設(shè)置的托輥兩側(cè)比輸送帶寬出的長度也是0.2 m,也就是說此時(shí)曲線內(nèi)側(cè)的輸送帶邊緣已經(jīng)到了托輥支撐的極限位置。因轉(zhuǎn)彎半徑過小,輸送帶繼續(xù)向內(nèi)側(cè)偏移而邊緣已經(jīng)離開了托輥,此時(shí)產(chǎn)生附加的向心力會導(dǎo)致更大的偏移,破壞了計(jì)算模型的正常運(yùn)轉(zhuǎn),在7.4 s時(shí)驅(qū)動(dòng)滾筒處的輸送帶已經(jīng)完全與其脫離,模型完全損毀。

圖11　轉(zhuǎn)彎半徑為400m時(shí)的仿真結(jié)果

綜合分析曲線數(shù)據(jù)可以得到,輸送帶的張力隨著轉(zhuǎn)彎半徑的減小有所增大,當(dāng)彎曲半徑分別為550、500、450、400 m時(shí),最大張力分別為65、67.5、71.8、76 kN,而轉(zhuǎn)彎中點(diǎn)處輸送帶的橫向偏移量明顯增加。彎曲運(yùn)行的曲率半徑一般都是按照力的平衡條件確定的,當(dāng)張力無明顯的變化時(shí),轉(zhuǎn)彎半徑的減小導(dǎo)致輸送帶彎曲程度(曲率)增加,致使曲線兩端的張力方向夾角增大,導(dǎo)致輸送帶張力矢量和增大,也就是向心力增大,致使力的平衡有所變化,使得輸送帶在轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)了大的偏移量。彎曲半徑過小如彎曲半徑小于400 m時(shí),會導(dǎo)致力的平衡被打破,輸送帶就會偏離托輥,出現(xiàn)不能實(shí)現(xiàn)自然導(dǎo)向轉(zhuǎn)彎的情況。

2.4.2轉(zhuǎn)彎角度的影響

運(yùn)行的速度均設(shè)定為v=6 m/s,其他所有參數(shù)保持不變,分別建立的模型轉(zhuǎn)彎角度為3°、8°進(jìn)行仿真。檢測點(diǎn)1處張力變化結(jié)果如圖12所示。在轉(zhuǎn)彎角度為3°時(shí)在啟動(dòng)階段的最大張力值是65.8 kN,平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)張力為53.5 kN;在轉(zhuǎn)彎角度為8°時(shí)在啟動(dòng)階段的最大張力值是68.8 kN,平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的張力為57 kN。張力值隨著轉(zhuǎn)彎角度的增大而增大，說明轉(zhuǎn)彎角度的增大會降低輸送機(jī)的穩(wěn)定性。

圖12　轉(zhuǎn)彎半徑變化時(shí)輸送帶的張力曲線

Fig. 12Tension curve of belt conveyor when turning angle changes

轉(zhuǎn)彎測試點(diǎn)2處輸送帶的橫向偏移量如圖12所示,轉(zhuǎn)彎角度θ=3°時(shí)偏移量最大0.105 m;轉(zhuǎn)彎角度θ=8°時(shí)偏移量最大0.126 m。

綜合分析曲線的數(shù)據(jù)可以得到,輸送帶的張力及轉(zhuǎn)彎處輸送帶的橫向位移隨著轉(zhuǎn)彎角度的增大而有所增大,但是波動(dòng)的幅度并無特別明顯的變化。跟轉(zhuǎn)彎半徑的影響相比,轉(zhuǎn)彎角度的影響要小一些,但影響趨勢有些類似,大角度的轉(zhuǎn)彎會使轉(zhuǎn)彎處的輸送帶向內(nèi)側(cè)偏移量更大,使輸送機(jī)穩(wěn)定性有所下降。

3　結(jié)　論

(1)相同條件下，輸送機(jī)運(yùn)行速度的提高導(dǎo)致輸送帶張力峰值及波動(dòng)幅度增大,而且轉(zhuǎn)彎處輸送帶橫向偏移量也變大,使得輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性下降。

(2)在允許的范圍內(nèi)，增大輸送帶的剛度可以減小啟動(dòng)過程中輸送帶張力和偏移量的峰值,提高輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖13　不同的轉(zhuǎn)彎角度下轉(zhuǎn)彎處輸送帶的橫向位移

Fig. 13Lateral displacement at turn of conveyor belt under different turning angle

(3)轉(zhuǎn)彎半徑的減小導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎處輸送帶的橫向偏移量加大,轉(zhuǎn)彎半徑減小到一定程度后輸送帶可能會離開托輥而導(dǎo)致輸送機(jī)的自然導(dǎo)向轉(zhuǎn)彎無法實(shí)現(xiàn)。

(4)輸送帶的張力及轉(zhuǎn)彎處輸送帶在橫向的偏移量，隨著轉(zhuǎn)彎角度的增大而增加,大角度轉(zhuǎn)彎會降低輸送機(jī)的穩(wěn)定性。

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(編輯徐巖)

Dynamic characteristics analysis of belt conveyor with horizontal curves based on ADAMS

LIYangxing，LIXiaohui

(School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is prompted by a specific solution to problems occurring in belt conveyor, such as the dynamic characteristics-an important factor affecting the operation of belt conveyor-due to the enlargement of the scope of application of belt conveyor and belt speed increase; the curve layout imposed on belt conveyor due to negative effect on transportation routes by the landform and obstacles including buildings; and a greater influence of operation parameters and roller structural layout in turning section on stable operation of belt conveyor and is necessitated by a novel study on the dynamic characteristics of large high-speed belt conveyor with horizontal curves. This study consists of utilizing Pro/E to build belt conveyor with horizontal curves; applying dynamics analysis software ADAMS to develop virtual prototype model; and analyzing the influence of running speed, conveyor belt stiffness, bending radius and the turning angle on dynamic characteristics of belt conveyor with horizontal curves . The result show that an increase in the stiffness of the conveyor belt leads to a reduction in the peak of belt tension and offset in the startup process, and a greater stability of the operation; belt tension and turning offset increases due to an increase in the turning point, and large turning angle triggers a reduced stability of the conveyor belt.

belt conveyor; horizontal curves; dynamic characteristics

2015-08-06

李陽星(1961-),女,遼寧省西豐人,教授,研究方向:現(xiàn)代設(shè)計(jì)法,E-mail:lyxcome@ 163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.004

TD528

2095-7262(2015)05-0482-07

A