基于Adams的高平穩(wěn)性林業(yè)帶式輸送機(jī)剛?cè)狁詈戏抡娣治?/h1>

2022-08-02 09:24:28劉紅梅田俊杰

林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備訂閱 2022年7期 收藏

關(guān)鍵詞：振動

余 浩， 劉紅梅，2， 田俊杰， 姚 慶*

(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)

在木材加工中帶式輸送機(jī)是經(jīng)常用來輸送木片或木材的運(yùn)輸設(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)。但是帶式輸送機(jī)在運(yùn)送木片時由于會受外部振動影響易造成輸送帶抖動引起木片掉落或破損，同時為方便后續(xù)收集應(yīng)保持木片的居中，因此提高帶式輸送機(jī)穩(wěn)定性是非常有必要的。其中，輸送帶是帶式輸送機(jī)整個系統(tǒng)中的重要組成部分，起著承載和牽引作用[1-3]。為使輸送系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，其整體結(jié)構(gòu)必須具有良好的動、靜特性。由于輸送帶是具有柔性的大變形部件，故在建模過程中不能將其當(dāng)作整塊剛性物體處理，需要利用有限元法先將其離散為剛體小帶塊，再通過建立軸套力進(jìn)行彈性連接，實(shí)現(xiàn)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?。因此，本文通過Adams二次開發(fā)完成林業(yè)帶式輸送機(jī)剛?cè)狁詈辖Ｅc仿真，實(shí)現(xiàn)對輸送帶動、靜態(tài)特性分析，探尋提高輸送帶穩(wěn)定運(yùn)輸?shù)姆椒ㄅc舉措，這具有重要理論意義和實(shí)踐價值。

1 林業(yè)帶式輸送機(jī)剛?cè)狁詈辖佑|模型

1.1 輸送帶離散模型

剛體有限元法是基于融合多剛體動力學(xué)理論與離散方法形成的柔性動力學(xué)分析方法[4]，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，RFE)，剛體單元之間的連接依靠彈簧阻尼單元(Spring-damping elements，SDE)。本文中林業(yè)帶式輸送機(jī)簡化模型主要由5部分組成，包括輸送帶、主驅(qū)動輥、從動輥、托輥和張緊輥。在此模型中，由于輸送帶剛度遠(yuǎn)小于輥?zhàn)?，故可將輸送帶視為柔性體，輥?zhàn)幼鳛閯傮w，兩者之間的接觸視作剛?cè)狁詈辖佑|[5]。采用有限剛體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[6]，其剛度特性由剛體單元描述，柔性特性通過彈簧阻尼單元表現(xiàn)，輸送帶離散模型如圖1所示。

圖1 輸送帶實(shí)物圖和離散模型圖

1.2 輸送帶單元坐標(biāo)變化

圖2 第i個輸送帶剛體單元坐標(biāo)系

(1)

由于柔性輸送帶具有粘彈性，輸送帶在運(yùn)行過程中各點(diǎn)位置一直發(fā)生變化，浮動坐標(biāo)系相對于局部坐標(biāo)系位置與形態(tài)可以使用廣義坐標(biāo)系表示：

(2)

(3)

式中：

Ci1=cosφi1，Si1=sinφi1，…

(4)

圖3 彈簧阻尼單元坐標(biāo)系

圖4 彈簧阻尼單元變形坐標(biāo)系

(5)

(6)

(7)

(8)

點(diǎn)s與d對應(yīng)彈簧阻尼單元sde(p，j)局部坐標(biāo)系ej位置坐標(biāo)向量為：

(9)

(10)

1.3 Adams軸套力參數(shù)定義

Adams中軸套力連接如圖5所示[1]。

圖5 軸套力連接

圖5中軸套力包括六部分，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[8]：

Fx=K11Rx-C11Vx+Fx0

(11)

式中：K11為剛性系數(shù)；Rx為兩剛體單元x方向位移，mm；C11為阻尼系數(shù)；Vx為兩剛體單元x方向速度，mm/s；Fx0為剛體間預(yù)緊力，N。同理可得Fy、Fz、Tx、Ty、Tz表達(dá)式，并通過矩陣形式表達(dá)[9，10]：

輸送帶剛性系數(shù)、阻尼系數(shù)可按下式計算：

式中：E為彈性模量，N/mm，G為剪切模量，A為帶塊橫截面積，η為材料剪切黏性系數(shù)，χ為截面形狀系數(shù)，b、h為剛體單元帶塊寬度和厚度，mm，β是與h/b有關(guān)系數(shù)；I為慣性矩。

2 輸送帶宏命令建模流程

輸送帶建模有兩種方式，通過宏命令建立離散剛體小帶塊，或是通過外部建模軟件通過陣列設(shè)置成輸送帶。本文通過外部建模軟件Solidworks建模生成.xt文件，然后導(dǎo)入Adams中通過宏命令建立帶塊彼此之間的軸套力和輸送帶與托輥之間接觸添加設(shè)置。參照林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LYT 1137-1993，設(shè)置每個小帶塊長400 mm，寬50 mm，厚10 mm。主動輥和從動輥直徑200 mm，托輥和張緊輥直徑80 mm，長度均為500 mm。參照文獻(xiàn)[11，12]得到托輥材料為Steel，材料密度為7.85 E-6 kg/mm3，輸送帶材料密度為3.6E-6 kg/mm3，彈性模量E為40.27 MPa，帶輥接觸剛度K為9 800 N/mm，帶輥接觸阻尼C為100 N·s/mm，摩擦系數(shù)為0.6，由此計算得到K11=3 220.8，K22=K33=2 684，C11=96，C22=C33=80。

2.1 添加bushing宏命令

對離散的林業(yè)輸送帶帶塊進(jìn)行宏命令添加軸套力模擬輸送帶力學(xué)性能，部分關(guān)鍵宏命令如下：

defaults model model_name=.MODEL_100

variable create variable_name=ip integer_value=1

while condition=(ip<=39)

marker create &

marker_name=(eval(.MODEL_100.daikuai400_50_"http://ip//"

.MARKER_1"http://ip+1000)) &

location=0.0，-5.0，(eval((1-ip)*50)) &

orientation=270d，90d，90d

marker create &

marker_name=(eval(".MODEL_100.daikuai400_50_"http://ip+1//".MARKER_1"http://ip+2000)) &

location=0.0，-5.0，(eval((1-ip)*50)) &

orientation=270d，90d，90d

force create element_like bushing &

bushing_name=(eval(".MODEL_100.bushing_"http://ip)) &

adams_id=(eval(ip)) &

i_marker_name=(eval(".MODEL_100.daikuai400_50_"http://ip//".MARKER_1"http://ip+1000)) &

j_marker_name=(eval(".MODEL_100.daikuai400_50_"http://ip+1//".MARKER_1"http://ip+2000))&

damping=96，80，80 &

stiffness=3220.8，2684，2684 &

tdamping=1，1，1 &

tstiffness=5，5，5

variable modify variable_name=ip integer_value=(eval(ip+1))

end!while

variable delete variable_name=ip

2.2 添加contact設(shè)置

輸送帶與托輥之間接觸設(shè)置，需定義其剛度、碰撞力非線性指數(shù)、最大侵入深度、阻尼系數(shù)等，部分接觸如下所示：

defaults model model_name=.MODEL_100

variable create variable_name=ip integer_value=1

while condition=(ip<=95)

contact create &

contact_name=(eval(".MODEL_100.contact_"http://ip)) &

i_geometry_name=.MODEL_100.tuogun500_zhijing200.SOLID97 &

j_geometry_name=(eval(".MODEL_100.daikuai400_50_"http://ip//".SOLID"http://ip)) &

stiffness=9800 &

damping=100 &

exponent=1.5 &

dmax=0.1&

coulomb_friction=on&

mu_static=0.6 &

mu_dynamic=0.3 &

stiction_transition_velocity=100 &

friction_transition_velocity=1000

variable modify variable_name=ip &

integer_value=(eval(ip+1))

end

variable delete variable_name=ip

2.3 約束及驅(qū)動相關(guān)設(shè)置

對主動輥、從動輥、托輥與地面之間設(shè)置轉(zhuǎn)動副，張緊輥與連桿之間設(shè)置為轉(zhuǎn)動副，連桿與地面設(shè)置為移動副，并施加張緊力。為保證輸送帶運(yùn)行穩(wěn)定，對張緊輥先設(shè)置張緊力，對連桿設(shè)置張緊力為step(time，0，0，1，-300)，主驅(qū)動滾筒驅(qū)動速度設(shè)置為step(time，0，0 d，1，0 d)+step(time，1，0d，3，-720 d)，仿真時間設(shè)置為12 s，仿真步長為50 000，建立輸送帶動力學(xué)模型如圖6所示，圖中通過離散帶塊進(jìn)行柔性連接形成完整閉環(huán)輸送帶，并與各部件進(jìn)行接觸組配，形成整體帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖6 輸送帶動力學(xué)模型

3 仿真結(jié)構(gòu)分析

本文選取相鄰的三個帶塊1、2、3作為研究對象，研究其在運(yùn)行過程中的速度與位移情況。選用三個帶塊是為分析輸送帶整體運(yùn)動狀態(tài)，觀測其運(yùn)行狀態(tài)的一致性，說明有限元分割法對輸送帶進(jìn)行柔性連接是可行的。

3.1 輸送帶剛體單元塊速度與位移曲線分析

由圖7、8可知，當(dāng)張緊輥起初張緊時會引起帶塊輕微振動，之后帶塊趨于穩(wěn)定，當(dāng)主驅(qū)動輥在剛開始轉(zhuǎn)動時引起較大波動，帶塊X方向速度變大，但由于張緊力的作用，帶塊波動幅度不大，故帶塊在X方向運(yùn)動位置趨于0 mm位置，即表示輸送帶運(yùn)輸木片過程中一直沿著輸送帶橫向位置，由從動輥處向主動輥處運(yùn)行。

圖7 輸送帶帶塊X方向速度

圖8 輸送帶帶塊X方向位移

圖9、10為輸送帶帶塊Y方向速度和位置圖，理論上，帶塊Y方向速度和Y方向位置在主驅(qū)動輥和從動輥之間運(yùn)行應(yīng)為0，但從仿真結(jié)果可知，帶塊在Y方向上有振動，這是因?yàn)檩斔蛶г谕休侀g存在懸垂，在托輥間運(yùn)行時存在上下運(yùn)動，產(chǎn)生振動，這符合輸送帶實(shí)際運(yùn)行情況。且?guī)K在通過張緊輥前后速度增大，這是張緊輥與托輥之間存在高度差，導(dǎo)致帶塊Y方向速度增大，在運(yùn)輸木片過程中會產(chǎn)生振動引起木片偏移導(dǎo)致木片間相互碰撞破損或者掉出輸送帶，為減少輸送帶大振動和降低噪音，可對張緊輥部件進(jìn)行優(yōu)化，將重錘式張緊方式改為固定式張緊，固定式張緊式是將滾筒左右移動進(jìn)行張緊，不會出現(xiàn)張緊輥與托輥之間高度差問題造成輸送帶較大振動。

圖9 輸送帶帶塊Y方向速度

圖10 輸送帶帶塊Y方向位置

圖11、12為相鄰帶塊Z方向速度和位置，三相鄰帶塊Z方向速度曲線趨于一致，趨近于1.27 m/s。但存在一定的相位差，表明三帶塊運(yùn)行軌跡相同且連續(xù)運(yùn)行，不重合位置是因?yàn)檩斔蛶艿郊町a(chǎn)生應(yīng)力波振動引起的，會使木片運(yùn)輸過程中因抖動產(chǎn)生重疊引起邊緣破損，而同時可見在張緊輥位置輸送帶受到振動較大，也是由于張緊輥與托輥高度差引起的，這反映輸送帶運(yùn)輸木片的真實(shí)情況。

3.2 輸送帶動力學(xué)仿真分析

圖13為輸送帶帶塊接觸力曲線，橫縱坐標(biāo)分別為時間、接觸力大小。

圖12 輸送帶帶塊Z方向位置

在圖13中contact1、2、3分別對應(yīng)帶塊1、2、3與從動輥接觸，contact193、194、195對應(yīng)帶塊1、2、3與主驅(qū)動輥接觸，contact673、674、675對應(yīng)帶塊1、2、3與張緊輥接觸?？煽闯鲚斔蛶K與主驅(qū)動輥和從動輥接觸時間長而接觸力短，而輸送帶帶塊與張緊輥接觸時間短但接觸力大，最大達(dá)到4 300 N[13]，此處需加以注意防止受到激勵過大而引起輸送帶對從動輥產(chǎn)生沖擊引起輸送帶承載段的木料產(chǎn)生抖動偏移進(jìn)而產(chǎn)生碰撞損壞。

圖13 輸送帶帶塊接觸力曲線

輸送帶在運(yùn)輸過程中鉸接力合力變化如圖14所示。由圖可知，輸送帶經(jīng)過張緊輥時產(chǎn)生速度變化，對從動輥產(chǎn)生沖擊作用，輸送帶與從動輥鉸接力合力較大，約15 000 N[14]，輸送帶位于從動輥處位置是輸送帶受料點(diǎn)，此處輸送帶形變會使其在接受木片位置不居中，從而引起木片偏移。

圖14 輸送帶與主驅(qū)動輥(JOINT1)、從動輥(JOINT5)、張緊輥(JOINT8)鉸接力合力

故針對輸送帶在張緊輥與從動輥間因接觸受力變化量較大而引起形變因而產(chǎn)生波動引起木片偏移，可采用增加托輥方式以減緩因應(yīng)力波而產(chǎn)生的振動干擾。

3 結(jié)論

本文通過對林業(yè)帶式輸送機(jī)輸送帶進(jìn)行理論分析，并通過Adams二次程序開發(fā)建立了輸送帶剛?cè)狁詈夏Ｐ?，進(jìn)行仿真分析后得到以下結(jié)論：

(1)利用有限元法對輸送帶進(jìn)行離散分割，使用Adams二次開發(fā)建立軸套力并進(jìn)行彈性連接，完成輸送帶柔性建模。建模后的帶式輸送機(jī)仿真動態(tài)特性和理論相符，滿足輸送帶實(shí)際運(yùn)行情況。

(2)三塊輸送帶帶塊運(yùn)動軌跡基本相同，而在Y方向位置存在波動，說明輸送帶在Y軸方向存在振動，這是由于輸送帶在托輥間存在懸垂而引起的，同時張緊輥和托輥存在高度差而引起輸送帶在托輥和張緊輥間運(yùn)行產(chǎn)生振動。因此，將原有重錘式張緊裝置轉(zhuǎn)為固定式張緊裝置可有效避免因托輥與張緊輥之間高度差形成的振動，減緩沖擊，提高平穩(wěn)性。

(3)輸送帶在張緊輥與從動輥之間接觸受力變化量較大而引起形變進(jìn)而產(chǎn)生波動，故可適當(dāng)在主、從動輥與張緊輥之間增加托輥以減緩因應(yīng)力波而引起的振動干擾。

因此，本文通過Adams的剛?cè)狁詈戏抡娣?，分析了林業(yè)帶式輸送機(jī)工作狀態(tài)，提出了裝置改進(jìn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法與措施，為提高林業(yè)輸送機(jī)平穩(wěn)化運(yùn)行提供了研制與改進(jìn)思路。

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