基于皮帶傳送機(jī)設(shè)備的皮帶內(nèi)置多體動力學(xué)分析

崔 友，喬 磊，賈志寧

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北 承德 067000）

目前，對于傳送機(jī)設(shè)備的多體動力學(xué)研究主要集中在整體系統(tǒng)的力學(xué)分析、動力學(xué)仿真以及振動控制等方面。然而，在皮帶傳送機(jī)設(shè)備中，皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)行為的研究還相對較少。因此，研究基于皮帶傳送機(jī)設(shè)備的皮帶內(nèi)置多體動力學(xué)分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。

1 皮帶傳送機(jī)設(shè)備的多體動力學(xué)模型

1.1 皮帶傳送機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)

皮帶傳送機(jī)是一種將物料從一個(gè)地點(diǎn)運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)地點(diǎn)的機(jī)械設(shè)備，它主要由輸送帶、托輥、驅(qū)動裝置和支架等部分組成。

1.1.1 輸送帶

輸送帶是皮帶傳送機(jī)的核心部分，它由多層織物或鋼絲繩加上橡膠、聚氨酯等材料制成。輸送帶分為多種類型，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和物料性質(zhì)，選用不同的輸送帶。其工作原理是利用電動機(jī)的驅(qū)動下，使輸送帶繞過兩個(gè)端部的驅(qū)動滾筒和托輥滾筒，形成循環(huán)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)物料的輸送。輸送帶的速度可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳的輸送效果。

1.1.2 托輥

托輥是一種安裝在輸送帶上的滾筒，主要用來支撐輸送帶和傳遞物料重量。托輥由鋼制或聚合物材料制成，它的種類較多，常見的有承載托輥、緩沖托輥、轉(zhuǎn)向托輥等。托輥的數(shù)量和位置可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，以保證輸送帶的平穩(wěn)運(yùn)行和物料的順利輸送。

1.1.3 支架

支架是用來支撐輸送帶和托輥的設(shè)備，主要有吊架和支架兩種。吊架由兩個(gè)起重機(jī)架設(shè)在跨越物料輸送路線的兩側(cè)，通過吊帶或鋼繩將輸送帶吊掛在起重機(jī)上。支架則是將輸送帶固定在地面上。支架的選用要根據(jù)物料輸送的距離、高度、質(zhì)量等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，以保證輸送帶的穩(wěn)定運(yùn)行和物料的順利輸送。

1.2 皮帶與托輥的多體動力學(xué)模型

皮帶傳送機(jī)是一種將物料從一個(gè)地點(diǎn)運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)地點(diǎn)的機(jī)械設(shè)備，它主要由輸送帶、托輥、驅(qū)動裝置和支架等部分組成。在運(yùn)行過程中，輸送帶和托輥之間的相互作用會影響整個(gè)系統(tǒng)的動力學(xué)性能，因此需要建立相應(yīng)的多體動力學(xué)模型來分析。

1.2.1 皮帶動力學(xué)模型

皮帶可以看作是一條由彈性材料制成的細(xì)長物體，在運(yùn)動過程中既受到外力的作用，也受到自重和張力的作用。根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，可以將皮帶建模為一個(gè)彈性桿或連續(xù)介質(zhì)。在動力學(xué)分析中，通常采用連續(xù)介質(zhì)模型，將皮帶看作是一條具有一定厚度的彈性體，它的運(yùn)動狀態(tài)可以由彈性變形和形變耗散能來描述。通過建立相應(yīng)的連續(xù)介質(zhì)模型，可以計(jì)算出皮帶在運(yùn)動過程中的變形、應(yīng)力和應(yīng)變等動力學(xué)參數(shù)。

1.2.2 托輥動力學(xué)模型

托輥是用來支撐輸送帶和傳遞物料重量的設(shè)備，它在輸送帶運(yùn)動過程中既要承受物料的重量，又要克服摩擦力和滾動阻力等作用力，因此需要建立相應(yīng)的動力學(xué)模型來分析。托輥通常采用剛性體模型，將其看作是一個(gè)剛性滾筒，通過建立相應(yīng)的滾動阻力模型，可以計(jì)算出托輥在輸送帶運(yùn)動過程中的摩擦力、滾動阻力和動態(tài)響應(yīng)等動力學(xué)參數(shù)。

1.2.3 皮帶與托輥相互作用模型

皮帶和托輥之間存在相互作用，它們的運(yùn)動狀態(tài)和變形會相互影響。在多體動力學(xué)模型中，通常采用接觸力模型來描述皮帶和托輥之間的相互作用。接觸力模型通常包括彈性接觸模型和非彈性接觸模型兩種，根據(jù)具體的工況和物料性質(zhì)進(jìn)行選擇。通過建立相應(yīng)的接觸力模型，可以計(jì)算出皮帶和托輥之間的接觸力、摩擦力和動態(tài)響應(yīng)等動力學(xué)參數(shù)。

2 皮帶傳送機(jī)設(shè)備的內(nèi)部力學(xué)特性分析

2.1 皮帶張力計(jì)算及其影響因素

皮帶張力是指皮帶在輸送過程中受到的拉力大小，它是影響皮帶傳送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和輸送能力的重要因素。皮帶張力的計(jì)算涉及多個(gè)因素，主要包括以下幾個(gè)方面：

第一，自重張力。皮帶本身具有一定的自重，當(dāng)皮帶在輸送過程中上升或下降時(shí)，會產(chǎn)生自重張力。自重張力的大小與皮帶重量、傾角和長度等因素有關(guān)。

第二，引進(jìn)張力。引進(jìn)張力是指由于物料落差或機(jī)械裝置引起的張力，它通常由驅(qū)動裝置和轉(zhuǎn)向裝置提供。引進(jìn)張力的大小取決于輸送物料的性質(zhì)和輸送高度等因素[1]。

第三，預(yù)張力。預(yù)張力是指在安裝皮帶時(shí)提前施加的一定張力，主要目的是保證皮帶在運(yùn)行過程中保持一定的張力。預(yù)張力的大小需要根據(jù)具體的皮帶類型和應(yīng)用情況進(jìn)行選擇。

第四，摩擦張力。摩擦張力是指皮帶在與托輥接觸時(shí)產(chǎn)生的張力，它是由于摩擦力和托輥滾動阻力等因素引起的。摩擦張力的大小取決于皮帶和托輥之間的接觸力、摩擦系數(shù)和托輥滾動阻力等因素。

第五，動態(tài)張力。動態(tài)張力是指由于物料在輸送過程中的變化所引起的皮帶張力波動。動態(tài)張力的大小取決于物料流量、物料類型和輸送距離等因素[2]。

2.2 皮帶、托輥與支架間的力學(xué)相互作用分析

在皮帶傳送機(jī)中，皮帶、托輥和支架是三個(gè)主要的組成部分，它們之間的力學(xué)相互作用對整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性有著重要的影響。皮帶與托輥之間的力學(xué)相互作用是最主要的一個(gè)問題。皮帶在傳送過程中與托輥之間存在著摩擦力和接觸力，同時(shí)托輥也會受到來自皮帶的拉力。為了確保皮帶的穩(wěn)定運(yùn)行，必須要保證皮帶與托輥之間的摩擦系數(shù)和接觸力處于合適的范圍內(nèi)。同時(shí)，皮帶的張力也會對托輥的負(fù)荷產(chǎn)生影響。如果張力過大，將會導(dǎo)致托輥負(fù)荷過重，影響托輥的使用壽命。托輥與支架之間的力學(xué)相互作用也是一個(gè)重要的問題。托輥的設(shè)計(jì)和安裝位置必須考慮到支架的承重能力，以確保托輥的負(fù)荷不會超過支架的承受能力。同時(shí)，支架的穩(wěn)定性和剛度也會影響到托輥的使用壽命。在皮帶傳送機(jī)的設(shè)計(jì)和使用過程中，需要綜合考慮以上因素的相互作用，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。同時(shí)，還需要對皮帶、托輥和支架的材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行合理的選擇和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的使用壽命和運(yùn)行效率。

3 皮帶內(nèi)置多體動力學(xué)分析的研究現(xiàn)狀及不足之處

3.1 模型簡化程度較高

在傳送機(jī)設(shè)備的皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析中，由于涉及許多復(fù)雜的因素，例如皮帶的非線性、滯后、摩擦以及輸送物料的特性等，因此建立精確的模型十分困難。當(dāng)前的研究大多采用基于彈性力學(xué)理論的簡化模型，忽略了皮帶內(nèi)部的復(fù)雜性。具體來說，當(dāng)前的研究中，通常將皮帶視為一根具有彈性的桿，將輸送物料視為一定質(zhì)量和體積的剛體，并將皮帶和輸送物料之間的摩擦系數(shù)、皮帶彎曲剛度等參數(shù)視為常數(shù)。在這種模型下，可以通過求解彈性力學(xué)方程和動力學(xué)方程來得到皮帶內(nèi)部的應(yīng)力、變形、位移和速度等參數(shù)。

3.2 缺乏標(biāo)準(zhǔn)化方法

傳送機(jī)設(shè)備的皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析在實(shí)際應(yīng)用中往往需要考慮各種不同的因素，例如輸送物料的物性、皮帶的材料和結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)的參數(shù)等。針對不同的問題，研究者們也采用了各種不同的分析方法和工具，例如基于有限元法、多體動力學(xué)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。然而，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化方法，這導(dǎo)致了數(shù)據(jù)來源的不確定性、參數(shù)的選擇和調(diào)整出現(xiàn)偏差等問題，進(jìn)而影響到研究的可重復(fù)性和科學(xué)性。

3.3 數(shù)據(jù)獲取和處理困難

數(shù)據(jù)獲取和處理是進(jìn)行皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析的基礎(chǔ)工作，然而在實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)過程常常會遇到一些困難，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，數(shù)據(jù)獲取困難，包括輸送物料的物性參數(shù)、皮帶的材料參數(shù)、傳動系統(tǒng)的參數(shù)等。

第二，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)行中獲取的數(shù)據(jù)可能包含一些異常值和干擾項(xiàng)，需要通過濾波和去除來進(jìn)行處理。

第三，數(shù)據(jù)不完整，在實(shí)際應(yīng)用中，可能無法獲取到所有需要的數(shù)據(jù)，例如在一些特殊的工況下，無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量或者數(shù)據(jù)采集。這會影響到模型的精度和可靠性。

第四，數(shù)據(jù)不一致，在進(jìn)行皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析時(shí)，可能需要使用不同來源、不同類型的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)之間可能存在不一致性，這會影響到模型的精度和可靠性。

3.4 軟件算法和性能有待提高

在進(jìn)行皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析時(shí)，通常需要使用相應(yīng)的軟件工具來進(jìn)行計(jì)算和模擬。然而，當(dāng)前的軟件算法和性能還有待進(jìn)一步提高，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

首先，皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析需要考慮多種復(fù)雜因素的綜合影響，然而，現(xiàn)有的算法往往只能考慮其中的部分因素，導(dǎo)致模型的精度有限。

其次，進(jìn)行皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析需要進(jìn)行大量的計(jì)算，而當(dāng)前的計(jì)算速度較慢，不能滿足實(shí)際工程的需求。這也限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

最后，目前的皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析軟件功能還不夠全面，無法滿足不同工程需求。

4 皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析方法

4.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析的核心部分，通過建立皮帶內(nèi)部運(yùn)動狀態(tài)和受力特征的數(shù)學(xué)模型，可以對皮帶的內(nèi)部運(yùn)動狀態(tài)和受力特征進(jìn)行定量分析。在建立這些數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要考慮到皮帶內(nèi)部的各種因素，例如皮帶材料的強(qiáng)度和剛度、皮帶與輸送設(shè)備之間的摩擦系數(shù)、皮帶的張力分布情況等。同時(shí)，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，獲取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理和模擬仿真等方法驗(yàn)證和優(yōu)化模型的精度和可靠性[3]?？傊瑪?shù)學(xué)模型是皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析的核心內(nèi)容，建立合適的數(shù)學(xué)模型可以深入研究皮帶內(nèi)部的運(yùn)動狀態(tài)和受力特征，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)測試是皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析的重要環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)測試可以獲取皮帶內(nèi)部的各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來驗(yàn)證和優(yōu)化建立的數(shù)學(xué)模型，提高分析的精度和可靠性。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)方面：

首先，需要選擇合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如力傳感器、位移傳感器、速度傳感器等，以便能夠準(zhǔn)確測量和記錄皮帶內(nèi)部的各種參數(shù)。

其次，需要控制實(shí)驗(yàn)條件，如皮帶的初始位置、輸送速度、負(fù)載等，以便能夠模擬實(shí)際的工作情況，獲取真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]。

最后，需要采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如將傳感器測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算所需的格式，并進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和處理，以消除數(shù)據(jù)誤差和噪聲干擾。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，需要注意數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，以確保分析結(jié)果的可靠性和有效性。

4.3 數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行皮帶內(nèi)部多體動力學(xué)分析時(shí)，需要處理大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括位移、速度、加速度、張力分布、摩擦系數(shù)等，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[5]。數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、處理和轉(zhuǎn)化，以消除數(shù)據(jù)誤差和噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，并將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算所需的格式。在數(shù)據(jù)處理過程中，需要注意數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，并嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)語

綜上所述，皮帶內(nèi)置多體動力學(xué)分析是一種重要的方法，可用于研究皮帶傳動系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)皮帶傳動系統(tǒng)，提高其運(yùn)行效率和可靠性。因此，未來的研究應(yīng)重點(diǎn)解決這些問題，進(jìn)一步深入挖掘皮帶傳動系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，提高分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供更好的理論支持和技術(shù)保障。