偏載工況下帶式輸送機(jī)輸送帶跑偏及糾偏研究*

余 浩,田俊杰,姚 慶,劉紅梅,2*

(1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通 226019;2.南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院,江蘇 南通 226019)

0 引 言

帶式輸送機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于散料輸送的設(shè)備。它是由輸送帶、主驅(qū)動輥、從動輥、托輥、張緊裝置、驅(qū)動電機(jī)等組成的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。其中,輸送帶是整個系統(tǒng)中重要組成部分,起著承載和牽引的作用[1]。

目前,帶式輸送機(jī)正朝著長距離、高速度、大運(yùn)量方向發(fā)展。這對其傳動系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的要求不斷提高,對輸送帶跑偏問題研究也成為了熱點(diǎn)[2]。

輸送帶跑偏的原因有很多,例如,機(jī)架生產(chǎn)或安裝的精度過低、托輥中心線不平行、張緊裝置安裝存在偏差,以及物料偏載等因素均會引起輸送帶的跑偏。

在通常情況下,輸送帶的跑偏主要是由物料偏載引起的。在散料運(yùn)輸過程中,由于生產(chǎn)的需要和空間的限制,輸送線上需要設(shè)置專門的轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu),以對物料進(jìn)行轉(zhuǎn)載,但常會因?yàn)檗D(zhuǎn)載而造成輸送帶受料不居中,導(dǎo)致后段輸送帶出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象。

目前,針對輸送帶跑偏問題,國外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究。

SIEVERS L A等人[3]將輸送帶當(dāng)作鐵木辛柯梁,對多段輸送帶組成的系統(tǒng)進(jìn)行了跑偏趨勢分析。HAN Feng-lin等人[4]基于環(huán)狀平帶本身內(nèi)部機(jī)械反饋,分析了側(cè)向抗彎剛度數(shù)值較小的輸送帶在系統(tǒng)中的跑偏規(guī)律。NGUYEN V等人[5]為了提高帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,基于帶式輸送機(jī)模型和模糊控制的自適應(yīng)控制算法,對其參數(shù)進(jìn)行了分析和控制,并評價了各參數(shù)對帶式輸送機(jī)跑偏的影響。

國內(nèi)學(xué)者也針對輸送帶跑偏問題進(jìn)行了大量研究。

師建國[6]分析了輸送帶產(chǎn)生側(cè)向跑偏的激勵源,構(gòu)造出了輸送帶側(cè)向運(yùn)動非線性動力學(xué)連續(xù)模型,并結(jié)合輸送帶實(shí)際工況,得到了輸送帶側(cè)向運(yùn)動的動力學(xué)方程。張志亮[7]對輸送帶的跑偏問題進(jìn)行了研究,提出了一種經(jīng)過改進(jìn)的輸送帶自動糾偏裝置。賀晉璇等人[8]分析了調(diào)心托輥水平偏轉(zhuǎn)角對輸送帶糾偏能力的影響,并據(jù)此建立了相關(guān)輸送帶糾偏平臺。黃卓等人[9]采用ABAQUS仿真的方法,得到了輸送帶的運(yùn)動規(guī)律,研究了其在建模、分析與后處理過程中的主要問題,以及其相應(yīng)的處理辦法。針對輸送帶受料跑偏問題,方建新[10]對輸送帶移動線、進(jìn)入點(diǎn)及進(jìn)入角之間的聯(lián)系進(jìn)行了研究,從運(yùn)動學(xué)的角度,對于因進(jìn)入角大小改變而引起輸送帶的跑偏的各類因素進(jìn)行了分析。針對輸送帶跑前不跑后、跑松不跑緊的規(guī)律,許之朋[11]對滾筒安裝誤差和托輥安裝誤差引起輸送帶跑偏進(jìn)行了受力分析,并分析了物料落點(diǎn)不正引起的輸送帶跑偏。

綜上所述,針對帶式輸送機(jī)仿真主要集中于動力學(xué)仿真研究,并且研究的關(guān)注點(diǎn)在于輸送帶的運(yùn)動方向及糾偏方法,而對輸送帶受料偏載和物料沖擊方面的研究則較少。并且,上述研究中對于物料顆粒的仿真也主要集中在離散元仿真軟件EDEM的應(yīng)用上。

因此,筆者采用EDEM軟件與ADAMS軟件耦合仿真,針對物料偏載工況下輸送帶跑偏問題進(jìn)行動力學(xué)研究,并進(jìn)行糾偏試驗(yàn)仿真。

1 理論分析

根據(jù)引言中的描述,在散料運(yùn)輸過程中,由于生產(chǎn)的需要和空間的限制,輸送線上需要設(shè)置專門的轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu),以對物料進(jìn)行轉(zhuǎn)載。

輸送帶的轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸送帶的轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)

對帶式輸送機(jī)的運(yùn)行主要需要關(guān)注兩點(diǎn),即輸送帶與偏載受料。

筆者針對輸送帶采用剛體有限元法將輸送帶分割成小帶塊,并在ADAMS軟件中運(yùn)用軸套力進(jìn)行連接,形成柔性帶;采用EDEM軟件模擬生成物料,與輸送帶接觸碰撞產(chǎn)生作用力,觀測其對輸送帶跑偏的影響。

1.1 輸送帶離散模型及方程

剛體有限元法是一種基于融合多剛體動力學(xué)理論與離散方法而形成的柔性動力學(xué)分析方法,其思想是將柔性或者剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)離散為具有質(zhì)量、慣性剛體單元(rigid finite element),剛體單元之間的連接依靠彈簧阻尼單元(spring-damping elements)[12-13]。

筆者采用剛體有限元法是將輸送帶離散為多個小剛體單元塊,應(yīng)用彈簧阻尼單元將各個小剛體單元塊連接起來,其剛度特性由剛體單元描述,柔性特性則通過彈簧阻尼單元來體現(xiàn)。

輸送帶離散單元模型圖如圖2所示。

圖2 輸送帶離散單元模型Ki—單元i-1與i間剛度;ci—單元i-1與i間阻尼;Ki+1—單元i與i+1間剛度;ci+1—單元i與i+1間阻尼;mi—單元i質(zhì)量;wi—運(yùn)行阻力;Si—單元i運(yùn)行位移

圖2中,相鄰剛體單元之間用軸套力連接;輸送帶被切割為多個單元,單元i上有剛度和阻尼,分別為Ki、Ki+1、ci、ci+1;在質(zhì)量為mi,運(yùn)行阻力wi的作用下,若其位移為Si,則單元i的動力學(xué)方程為:

(1)

筆者將輸送帶做以下離散化假設(shè):

(1)輸送帶垂度變化引起輸送帶長度變化較小,可忽略不計;

(2)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動輥、從動輥固定,輸送帶視作兩端固定的縱向梁;

(3)輸送帶及物料密度沿縱向(輸送帶運(yùn)行方向)均勻分布;

(4)托輥密度沿輸送帶運(yùn)行垂直方向均勻分布;

(5)輸送帶力學(xué)特性遵循各向同性,且變形處于線彈性變形范圍之內(nèi)。

1.2 輸送帶連接及計算方程

在ADAMS軟件中,輸送帶軸套力的連接如圖3所示。

圖3 輸送帶軸套力連接

在圖3中,軸套力包括6部分,即由x、y、z三坐標(biāo)軸張力和各坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)力矩組成,分別為Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz。

其中,Fx參數(shù)定義如下[14]:

Fx=K11Rx-c11Vx+Fx0

(2)

式中:K11—剛性系數(shù);Rx—兩剛體單元x方向位移,mm;c11—阻尼系數(shù);Vx—兩剛體單元x方向速度,mm/s;Fx0—剛體間預(yù)緊力,N。

同理,可得Fy、Fz、Tx、Ty、Tz表達(dá)式,其通過矩陣形式的表達(dá)式為:

(3)

輸送帶剛度矩陣、阻尼矩陣的計算式如下:

(4)

(5)

式中:K11—拉伸剛性因子;K22,K33—剪切剛性因子;K44—扭轉(zhuǎn)剛性因子;K55,K66—彎曲剛性因子;c11—拉伸阻尼因子;c22,c33—剪切阻尼因子;c44—扭轉(zhuǎn)阻尼因子;c55,c66—彎曲阻尼因子;E—彈性模量,N/mm2;G—剪切模量;A—帶塊橫截面積;η—材料剪切黏性系數(shù);χ—截面形狀系數(shù),取1.2;b,h—剛體單元帶塊寬度和厚度,mm;β—與h/b有關(guān)系數(shù);I2,I3—輸送帶對橫截面形心軸的慣性矩。

2 輸送機(jī)模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 輸送帶模型及參數(shù)設(shè)置

筆者在SolidWorks軟件中,建立簡化的帶式輸送機(jī)三維模型,并生成.xt文件,將其導(dǎo)入ADAMS中;再對導(dǎo)入后的模型施加運(yùn)動副、接觸、驅(qū)動等,最終搭建完成輸送機(jī)模型,如圖4所示。

圖4 帶式輸送機(jī)模型

在圖4模型中,x軸正向水平向右,y軸正向水平向上,z軸正向垂直于紙面向外,坐標(biāo)系符合右手定則,輸送帶z方向?yàn)闄M向。

此處帶式輸送機(jī)的主動輥和從動輥直徑為400 mm,首尾間距5 000 mm,托輥直徑100 mm,張緊輥和轉(zhuǎn)向輥直徑為300 mm,長度均為1 200 mm,輸送帶帶寬800 mm,帶塊厚10 mm;

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[15-17]與前期的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,筆者設(shè)置帶塊長度Δl與主動輥的比值為0.06～0.27,設(shè)置其與張緊輥的比值為0.08～0.33;在確保仿真準(zhǔn)確和高效的前提下,設(shè)置帶塊長Δl為100 mm。

根據(jù)輸送帶材料計算輸送帶剛度與阻尼,筆者建立軸套力連接輸送帶帶塊。

輸送帶材料參數(shù)如表1所示。

表1 輸送帶材料參數(shù)

依據(jù)式(4,5),可得到輸送帶剛度矩陣與阻尼矩陣,即:

K=

式中:K—剛度矩陣;c—阻尼矩陣。

2.2 顆粒模型及參數(shù)設(shè)置

此處,筆者針對某建筑固廢企業(yè)生產(chǎn)線上帶式輸送機(jī)輸送帶(物料以石、砂混合物為主,粒徑為60 mm)出現(xiàn)跑偏問題進(jìn)行具體研究。

該輸送機(jī)運(yùn)輸量45 kg/s,輸送帶帶寬為800 mm,帶速為1.5 m/s。在運(yùn)輸過程中,顆粒與顆粒碰撞,顆粒與擋板碰撞及顆粒與輸送帶碰撞,接觸模型設(shè)置為Hert-Mindlin(no slip)。

顆粒模型如圖5所示。

圖5 顆粒模型

顆粒與材料屬性如表2所示。

表2 顆粒與材料屬性

接觸參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 接觸參數(shù)設(shè)置

2.3 ADAMS-EDEM耦合原理及參數(shù)設(shè)置

EDEM能夠模擬顆粒與顆粒及顆粒與幾何體碰撞運(yùn)動過程及能量傳遞過程,但是其導(dǎo)入的幾何體只能實(shí)現(xiàn)平動、轉(zhuǎn)動及簡單的復(fù)合運(yùn)動。

ADAMS軟件適用于動力學(xué)仿真運(yùn)算,其能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動,但是對于其受到復(fù)雜載荷力,需要進(jìn)行外部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。

因此,結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)載荷沖擊下輸送帶的持續(xù)運(yùn)動。ADAMS與EDEM的耦合是通過Co-simulation實(shí)現(xiàn)的。

ADAMS與EDEM耦合原理如圖6所示。

圖6 ADAMS與EDEM耦合原理

由圖6可知:在單位時間仿真步長內(nèi),通過Co-simulation將ADAMS中輸送帶運(yùn)動參數(shù)信息導(dǎo)入EDEM中,EDEM將輸送帶接受物料載荷信息傳遞給ADAMS中;ADAMS根據(jù)傳回載荷信息及自身驅(qū)動信息計算出新位移、新速度,完成數(shù)據(jù)的循環(huán)傳遞過程,直到耦合仿真結(jié)束。

其中,需注意ADAMS仿真時間步長設(shè)置為EDEM仿真時間步長的整數(shù)倍,總仿真時間為15 s,步長設(shè)置為0.05 s。

3 輸送帶仿真及結(jié)果分析

筆者對輸送帶進(jìn)行兩種狀態(tài)(空載與偏載工況)仿真,分析偏載工況下輸送帶跑偏問題,并進(jìn)行糾偏。

3.1 輸送帶空載下仿真分析

筆者對帶式輸送機(jī)進(jìn)行空載工況下運(yùn)行仿真分析。

輸送帶橫向位置如圖7所示。

圖7 空載工況下輸送帶橫向位置

由圖7可知:輸送帶在無負(fù)載時,由于主動輥的牽引,在托輥處會產(chǎn)生小幅橫向振動,但是輸送帶整體橫向位置趨近于0 mm,說明輸送帶在無負(fù)載時不會出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象。

可見,在ADAMS中建立的帶式輸送機(jī)模型是正確的,符合實(shí)際工況。

3.2 輸送帶偏載下仿真分析

筆者對帶式輸送機(jī)進(jìn)行偏載工況仿真,以輸送帶帶塊1的位置顯示其在承載段的運(yùn)行方位,帶塊1在落料位置如圖8所示。

圖8 輸送帶帶塊1在落料位置

輸送帶帶塊1在卸料位置如圖9所示。

圖9 輸送帶帶塊1在卸料位置

由圖(8,9)可知:在6.6 s～9.4 s時,輸送帶帶塊1在承載段運(yùn)行,輸送帶帶塊1在落料位置時(對應(yīng)時刻6.6 s),所受外部激勵較大,導(dǎo)致輸送帶塊橫向振幅變大,從而引起輸送帶橫向不穩(wěn)定,引起更大跑偏趨勢。故需要對輸送帶落料點(diǎn)位置設(shè)置緩沖裝置。

無緩沖裝置時,偏載落料下輸送帶橫向位置如圖10所示。

圖10 偏載落料下輸送帶橫向位置

由圖(9,10)可知:輸送帶帶塊在離開主驅(qū)動輥完成卸料(對應(yīng)時刻9.4 s)后會產(chǎn)生橫向跑偏趨勢,落料與卸料時間段內(nèi)輸送帶橫向振動幅度較大。

因此,需在輸送帶主驅(qū)動輥下方加裝糾偏裝置,以降低輸送帶橫向跑偏趨勢[18]。

3.3 緩沖與糾偏仿真分析

3.3.1 緩沖分析

由于前文已分析輸送帶產(chǎn)生橫向跑偏外部激勵位置,此處筆者設(shè)置緩沖裝置與糾偏裝置。其中,緩沖裝置設(shè)計如圖11所示。

圖11 緩沖裝置結(jié)構(gòu)圖

在ADAMS中緩沖裝置結(jié)構(gòu)的簡化模型如圖12所示。

圖12 ADAMS中緩沖裝置簡化圖

圖12中,輸送帶受料緩沖裝置組成部分有機(jī)架、托輥、彈簧及底座。

在偏載工況下,筆者對是否安裝緩沖裝置的輸送帶橫向位置進(jìn)行仿真分析。

輸送帶帶塊橫向振幅如圖13所示。

圖13 有無緩沖裝置下偏載下輸送帶橫向位置

由圖13可知:在受到偏載落料時,無緩沖裝置下,輸送帶受到橫向沖擊較大;而有緩沖裝置時輸送帶受到橫向沖擊減小,在有緩沖裝置下輸送帶帶塊在6.3 s到9.4 s時的橫向沖擊幅值也降低了,輸送帶橫向跑偏值減小。

3.3.2 糾偏分析

輸送帶糾偏裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖,如圖14所示。

圖14 糾偏裝置結(jié)構(gòu)圖

圖14中,糾偏裝置組成部分有機(jī)架、阻擋板、托輥、彈簧及電機(jī)。

ADAMS中的糾偏裝置簡化圖如圖15所示。

圖15 ADAMS中糾偏裝置簡化圖

由于帶式輸送機(jī)GB/T 10595—2017中規(guī)定輸送帶跑偏量不得超過帶寬5%,則800 mm帶寬輸送帶跑偏值不得超過40 mm,故筆者在此處采用35 mm作為限位值,對其進(jìn)行監(jiān)控;在彈簧處設(shè)置位置傳感器,此處選用K=10 000 N/m,c=160 N·S/m,當(dāng)輸送帶與糾偏輥一側(cè)接觸時,彈簧受力開始位移,當(dāng)位移達(dá)到輸送帶限位值時,糾偏輥開始復(fù)位,將輸送帶復(fù)位到中間0 mm處。

糾偏過程中,輸送帶橫向位置的仿真數(shù)據(jù)如圖16所示。

圖16 糾偏過程中輸送帶橫向位置

從圖16可知:輸送帶在受到橫向力后開始跑偏,輸送帶在4.5 s時接觸到阻擋板及彈簧后受到阻力跑偏逐漸減緩,位置傳感器一直處于監(jiān)控狀態(tài);當(dāng)輸送帶9.3 s時跑偏值達(dá)到35 mm,糾偏輥進(jìn)行復(fù)位運(yùn)動,最終輸送帶回位到0 mm附近[19]。

4 糾偏平臺搭建及試驗(yàn)

為了對輸送帶糾偏裝置仿真模型的可行性進(jìn)行驗(yàn)證,筆者搭建了糾偏試驗(yàn)平臺。

筆者預(yù)先對糾偏裝置進(jìn)行簡化。簡化后的糾偏裝置的組成部分為:壓力傳感器及配套的放大器、PLC控制器及定位器、PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、步進(jìn)電機(jī)及配套步進(jìn)驅(qū)動器、線性模組及其他配件。

糾偏裝置試驗(yàn)平臺如圖17所示。

圖17 糾偏裝置平臺1—壓力傳感器與放大器;2—導(dǎo)軌;3—模數(shù)轉(zhuǎn)換器;4—PLC;5—激光筆;6—電阻7—電源;8—步進(jìn)驅(qū)動器;9—數(shù)據(jù)傳輸線;10—筆記本;11—聯(lián)軸器;12—步進(jìn)電機(jī)

筆者對PLC進(jìn)行控制程序設(shè)計,程序設(shè)計包括對傳感器數(shù)據(jù)讀取與比較,根據(jù)比較結(jié)果分析輸送帶是否居中。

在糾偏實(shí)驗(yàn)中,前期需要進(jìn)行多個限位點(diǎn)設(shè)置,以驗(yàn)證糾偏理論與糾偏方法的準(zhǔn)確性與合理性。由于在平臺上頻繁進(jìn)行彈簧更換不方便,也容易對平臺造成損壞,導(dǎo)致測量誤差的產(chǎn)生;同時,壓力傳感器測量輸送帶所受橫向力比計算彈簧形變力更方便、準(zhǔn)確,此處筆者采用壓力傳感器來替代彈簧受力。其工作原理與彈簧應(yīng)用相一致,即將彈簧受力形變轉(zhuǎn)為傳感器電信號,然后電信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號,通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動平臺,對輸送帶進(jìn)行糾偏,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動中包括彈簧形變量。

為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,筆者進(jìn)行3次數(shù)據(jù)取樣,取平均值方式讀取數(shù)據(jù)。根據(jù)程序,比較指令讀取數(shù)據(jù),并與存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,當(dāng)傳感器受到力小于53 N時,認(rèn)為輸送帶正常居中;根據(jù)壓力傳感器輸入輸出特性曲線,將53 N轉(zhuǎn)化為數(shù)字9,將其作為對比值;通過比較指令接通不同輔助繼電器,然后執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動到輸送帶邊緣停留2 s后前進(jìn)35 mm,再停留2 s后,復(fù)位原處。

因?yàn)榇颂幹或?yàn)證方案的可行性,所以誤差測量采用目標(biāo)點(diǎn)位和平臺到達(dá)位置距離差來表示。

為測量方便,當(dāng)平臺達(dá)到指定位置后,將激光筆安裝在平臺上,測量激光筆光點(diǎn)中心與目標(biāo)點(diǎn)位置距離差。其誤差通過多次測量取平均值來確定。

由于設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)連接與測量精度,以及監(jiān)測工具方面的原因,此處只能對其進(jìn)行逐點(diǎn)測量,每1 s測量一次距離,得到糾偏平臺位置圖,如圖18所示。

圖18 糾偏平臺位置圖

由圖18可知:3次糾偏運(yùn)行趨勢是相一致的,且糾偏結(jié)果趨于0 mm,雖然存在誤差,但是最終3個位置測量誤差在0.2 mm～0.4 mm范圍內(nèi),滿足輸送帶糾偏定位精度要求;步進(jìn)電機(jī)從開始運(yùn)行到復(fù)位,用時20 s,驗(yàn)證了輸送帶糾偏裝置仿真模型的可行性。

5 結(jié)束語

帶式輸送機(jī)在偏載工況下,由于物料偏載會對輸送帶造成橫向沖擊及跑偏,為此,筆者對物料偏載下帶式輸送機(jī)輸送帶的橫向沖擊特性及跑偏進(jìn)行了研究,采用EDEM與ADAMS耦合插件Co-simulation實(shí)現(xiàn)了兩者數(shù)據(jù)交換,以模擬工程實(shí)際中輸送帶承受物料的影響;搭建了試驗(yàn)平臺,驗(yàn)證了輸送帶糾偏裝置仿真模型的正確性。

研究結(jié)果表明:

(1)通過EDEM軟件與ADAMS軟件耦合,對物料與機(jī)械構(gòu)件之間的相互作用進(jìn)行了仿真;

(2)通過對偏載工況進(jìn)行模擬可以發(fā)現(xiàn),輸送帶在承載段受到物料橫向沖擊及跑偏趨勢較大。因此,有必要建立輸送帶緩沖裝置與糾偏裝置。模擬結(jié)果表明,有緩沖裝置的帶式輸送機(jī)比無緩沖裝置的帶式輸送機(jī)輸送帶橫向沖擊與跑偏趨勢均得到減緩;同時糾偏裝置能夠?qū)崿F(xiàn)良好的糾偏效果,糾偏值小于帶寬5%的標(biāo)準(zhǔn),滿足帶式輸送機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)果表明,建立緩沖裝置能夠減緩輸送帶橫向沖擊及跑偏;

(3)通過搭建糾偏試驗(yàn)平臺,并進(jìn)行多次糾偏結(jié)果測量,發(fā)現(xiàn)誤差為0.2 mm～0.4 mm范圍內(nèi),符合精度要求。因此,糾偏裝置是合理適用的,也驗(yàn)證了仿真實(shí)驗(yàn)的可行性。

在后續(xù)的研究中,筆者將對帶式輸送機(jī)糾偏結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,同時關(guān)注輸送帶糾偏響應(yīng)及準(zhǔn)確性研究。