（机械电子工程专业论文）带式输送机自动张紧装置的动态分析及其仿真.pdf

y7 8 7 s 2 9 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 带式输送机自动张紧装置的动态分析及其仿真 摘要 随着带式输送机向高速、长距离、大运量和大功率方向发展， 带式输送机系统的动态特性曰益突出，不容忽视，而拉紧装置作 为带式输送机的一个重要组成部分，其重要作用和特性决定了它 对系统动态特性的影响更加突出。传统的静态分析方法是在静力 学基础上按静止或匀速运行状态对带式输送机系统进行受力分 析，致使拉紧装置的动态特性对整个系统的影响被忽略了。实际 上，拉紧装置作为周期变化的扰动力作用于弹性体性质的输送带 上，当扰动力的频率与输送带的自振频率相等时，输送带会发生 共振现象，使输送带内受到很大的动张力，因此要真实、有效的 反映输送机的整体性能，必须研究拉紧装置的动态特性。 本文通过对输送带的粘弹性特性进行了深入的研究，推导 出了输送带运动特性方程的通用表达式，建立了自动式带式输送 机系统的离散模型。所建立模型的动力学方程不仅考虑了输送带 的粘弹性力学性质、运行阻力、张紧装置的惯性力和输送带挠度 变化下的弹性模量，同时也考虑了输送带初始张力的影响。并进 t 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 行了起动工况的仿真，总结出在启动过程中皮带动张力的变化和 拉紧滚筒位移随拉紧力的变化规律，从而限制或消除加速和减速 过程中胶带的弹性振动，防止胶带局部应力过大或应力过小，保 证输送机的安全运行，使输送机系统各参数达到最优和最经济， 为拉紧系统的优化、动态选型设计和自动控制提供理论依据。 关键词：带式输送机，自动拉紧装置，动态分析，仿真 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e d y n a m i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no f t h eb e l t c o n v e y o r a u t o c o n t r o lt e n s i o na p p a r a t u s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eb e l tc o n v e y o rt oh i g hs p e e d , 1 0 n g d i s t a n c e ，h e a v yl o a d a n dl a r g ep o w e r ，i t sd y n a m i cb e h a v i o ri s i n c r e a s i n g l ys i g n i f i c a n t a sa ni m p o r t a n tp a r to fb e l tc o n v e y o r , t h e t e n s i o n a p p a r a t u s f o ri t s i m p o r t a n c e a n d b e h a v i o r , i s m o r e o u t s t a n d i n gi n t h es y s t e md y n a m i cb e h a v i o r t h et r a d i t i o n a ls t a t i c m e t h o da n a l y z e st h eb e l tc o n v e y o rs y s t e mo nt h eb a s i so fs t a t i c sa t t h es t a t eo fs t i l l n e s so rc o n s t a n tv e l o c i t yi nt h ec o n d i t i o nt h a tt h e e f f e c tt h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft e n s i o na p p a r a t u sh a so nt h ew h o l e s y s t e mi si g n o r e d i np r a c t i c e ，t h et e n s i o na p p a r a t u sd i s t u r b i n gf o r c e a c t sa sap e r i o dc h a n g i n gf o r c eo nt h ee l a s t o m e rc h a r a c t e r i s t i cb e l t w h e nt h e f r e q u e n c yo fd i s t u r b i n g f o r c ei s e q u a lt o t h en a t u r a l v i b r a t i o n f r e q u e n c yo fb e l t ，t h e r e s o n a n c ea n d h e a v yd y n a m i c t e n s i o nw i l lt a k ep l a c ei nb e l t a sar e s u l t ，t h ed y n a m i cb e h a v i o ro f t h et e n s i o na p p a r a t u ss h o u l db es t u d i e df o rr e f l e c t i n gt h ew h o l e i i i 太原理= f = 大学硕士研究生学位论文 c h a r a c t e r i s t i c so ft h et e n s i o na p p a r a t u sr e a l l ya n de f f e c t i v e l y i nt h i sp a p e r , t h r o u g hd e e p l yr e s e a r c h i n gf o rt h ev i s c o e l a s t i c i t y c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o m m o ne x p r e s s i o no ft h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c w a sd e d u c e d ，a n dt h ed i s c r e t em o d e lo ft h ea u t o m a t i cb e l tc o n v e y o r w a sb u i l t i nt h ep r o c e s so fb u i l d i n gm o d e l ，t h ei n i t i a lt e n s i o ni s t a k e ni n t oa c c o u n te x c e p tf o rt h ev i s c o e l a s t i c i t ym e c h a n i c a lp r o p e r t y , r u n n i n gr e s i s t a n c ef o r c e ，t h em a s sf o r c eo ft h et e n s i o na p p a r a t u s ， a n dt h ey o u n g sm o d u l u si nt h ec a s eo fv a r i a t i o no ff l e x i b i l i t y a n d t h es i m u l a t i o no ft h e s t a r t - u po p e r a t i n g c o n d i t i o nw a sc a r r i e d t h r o u g h ，b yw h i c hw e c o n c l u d e dt h a tt h er u l e so ft h ev a r i a t i o no ft h e b e l tt e n s i o na n dt h ed i s p l a c e m e n to ft h es t r a i nr o l l i n gd r u mw i t h s t r a i nf o r c e s u n d e rt h ed i r e c to ft h e s er u l e sw ec a nr e s t r i c to r e l i m i n a t et h ee l a s t i cv i b r a t i o no ft h eb e l ti nt h ep r o c e s s i o no f a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n ，a n dp r e v e n tt h eo v e r s i z ea n dt h e u n d e r s i z eo fl o c a ls t r e s si nt h eb e l t w h a tw eh a v ed o n em a k e s e s s e n c et oe n s u r et h es e c u r i t yr u n n i n go ft h eb e l tc o n v e y o r , o p t i m i z e a n de c o n o m i z et h ep a r a m e t e r i tw i l lp r o v i d et h et h e o r yf o u n d a t i o n f o rt h e o p t i m i z a t i o no ft e n s i o na p p a r a t u s ，d y n a m i cl e c t o t y p ea n d i v 太原理丁大学硕士研究生学位论文 l e c t o t y p ea n da u t o c o n t r 0 1 k e y w o r d ：b e l tc o n v e y o r ，a u t o c o n t r o lt e n s i o na p p a r a t u s ，d y n a m i c a n a l y s i s ，s i m u l a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 1 1 带式输送机自动张紧装置的发展概况 带式输送机是以输送带兼作牵引机构和承载机构的一种运输设备。其 发展至今己将有1 0 0 余年的历史，有关输送带的最早文献是由o l i v e re v a n s 于1 7 9 5 年发表的，当时的输送带被描述为“在一框或槽里的两个滚筒上旋 转的薄而柔软的宽环皮带或帆布带”。1 8 5 8 年s t p a r m a l e e 取得了织物增强 的橡胶输送带的专利。1 8 6 3 年o c d o d g e 关于处理谷物的输送带被授予美 国专利。1 8 9 2 年t h o m a sr o b i n s 发明了槽型结构的带式输送机，确定了当 代输送机的基本形式。此后，随着物料运输量的增大，带式输送机取得了 巨大的发展，出现了大量新型结构的带式输送机，其中，具有代表性的有： 大倾角带式输送机、波纹挡边带式输送机、圆管带式输送机、平面转弯带 式输送机等。现在，带式输送机己成为冶金、矿山、电站、港口等工业领 域主要的散状物料连续运输设备，并在长距离、大运量、高带速大型带式 输送机方面取得了巨大的发展，如建在西撒哈拉的带式输送机，该机线路 总长达1 0 0 k m ，为世界之最，设计带速为4 5 m s ；英国的s e l b y 矿设计 带速为8 3 3 m s ；澳大利亚c h a n n a r 铁矿长距离带式输送机是代表现代带式 输送机发展水平的一条运输线，该运输系统由长为1 0 3 k m 、曲率半径为 9 k m 、弧长达4 k m 的长距离带式输送机和一条1 0 1 k m 长的直线长距离带 式输送机构成。该系统采用了先进的托辊制造技术、水平转弯技术和动态 分析技术。 近年来，随着国民经济的发展，特别是大型露天矿的开发，长距离、 太原理工大学硕士研究生学位论文 高带速、大运量、大功率带式输送机在我国煤矿得到了广泛的应用，与此 同时，也提出了更新、更高的要求。 张紧装置是带式输送机的主要构成部分，其主要作用是保证承载分支 最小张力点所必需的张力，使其挠度在规定的范围内；保证胶带传动滚筒 绕出点的张力，在起、制动及正常运转时，使输送带与传动滚筒之间有足 够的摩擦力而不致打滑；限制运输胶带在各托辊间的垂度和补偿输送带塑 性变形及起、制动过程中张力变化而引起的输送带长度变化；为输送带重 新接头及修补提供必要行程：输送机检修时有时需要松开拉紧装置。 带式输送机拉紧装置的结构形式很多，按其工作原理不同，主要分为 固定式、重锤式、自动式三种【4 4 l 。 ( 1 ) 固定式拉紧装置固定式拉紧装置的拉紧滚筒在输送机运转过程 中位置是固定的，其拉紧行程的调整有手动和电动两种方式。其优点是结 构简单紧凑、工作可靠：缺点是对输送机运转过程中由于输送带弹性变形 和塑性伸长无法适时补偿从而导致拉紧力下降，可能引起输送带在传动滚 筒上打滑。常见的固定式拉紧装置有螺旋拉紧装置( 适用于长度较短，功率 较小的输送机，可按机长的1 l ，5 选取拉紧行程) ：绞车一滑轮式拉紧装 置( 适用于大拉紧力、长距离、大运量的带式输送机) 。 ( 2 ) 重锤式拉紧装置重锤式拉紧装置是利用重锤的重量产生拉紧 力，并保证输送带在各种工况下均有恒定的拉紧力，可以自动补偿由于温 度改变和磨损而引起输送带的伸长变化。结构简单、工作可靠、维护量小， 是一种应用广泛的较理想的拉紧装置。其缺点是占用空间较大，工作中拉 紧力不能自动调整。这种拉紧装置包括垂直式拉紧装置( 能利用走廊空间 位置便于布置，缺点是改向滚筒多，并且物料容易掉入输送带与拉紧滚 筒之间而损坏输送带) ；车式拉紧装置( 适用于距离较长，功率较大的输送 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 机，拉紧行程有2 m 、3 m 、4 m z 档。由于结构简单可靠，应优先选用) 。 ( 3 ) 自动拉紧装置自动拉紧装置是一种在输送机工作过程中能按一 定的要求自动调节拉紧力的拉紧装置。在现代长距离带式输送机中使用较 多，它能使输送带具有合理的张力图，自动补偿输送带的弹性变形和塑性 变形，是一种理想的拉紧装置。常见的自动拉紧装置有：自动绞车式拉紧 装置：全自动液压拉紧装置( 不仅响应快，能避免启动时输送带的“断带、 漂带、打滑”现象，减少紧边冲击，还具有较高张紧力精度，完全满足启 动张紧力为正常张紧力1 4 1 5 倍的要求并且能平缓过渡，可实现对张紧 装置的远距离控制) 。 自动拉紧装置由电机、制动器、减速器、钢丝绳滚筒等组成，采用大 拉力张紧装置输送带，同时配备张力传感器，测定输送带的张力，当输送 带张力发生变化，超过输送机正常运行的范围时，自动张紧装置迅速动作， 调整输送带张力保证输送机的正常运行。自动张紧装置与自移机尾配合使 用，可实现在输送机不停机的条件下，实现输送机机尾的移动和输送带的 伸缩，大大提高了输送机的输送效率。自动绞车拉紧装置是由压力传感器 根据胶带输送机运行工况的需要自动控制拉紧力的大小，由于压力传感器 质量不高和机械系统惯性及信号滞后等因素的影响，自动绞车拉紧装置有 误动作现象，影响自动绞车拉紧装置的使用效果，液压拉紧装置是由液压 站产生的液压力通过油缸对胶带机施加拉紧力，可根据胶带机运行工况的 需要调节拉紧力的大小，由于液压站和油缸始终处于工作状态，当液压系 统及控制系统出现故障时，对胶带机不能产生拉紧力或拉紧力失效，安全 可靠性相对降低。 无论选择以上何种拉紧装置，都应考虑以下几点： 拉紧装置尽量安装在靠近传动滚筒的空载分支上，以利于起动和制 3 奎堕里王查兰堡主至壅竺堂垡堡塞 动时不产生打滑现象，对运距较短的输送机可布置在机尾部，并将机尾部 的改向滚筒作为拉紧滚筒； 表1 - 1 常用拉紧装置的类型 t a b 1 lt h et y p eo ft e n s i o na p p a r a t u sd a i l i l y 类型结构特点性质适用范同 固定结构简单紧凑，但在运转过适用于水平 式拉吲定式拉紧装置的拉紧滚筒在输程中对输送带弹性变长无及小角度运 紧装送机运转过程中位置是蚓定的。法适时补偿，可能引起输送输机 置带在传动滚筒上的打滑。 重锤保证输送带在各种工况下适用于张力 式拉重锤式拉紧装置是利川重锤和车均有恒定的拉紧力，可以自不太大的上 紧装架自身的的重量将滚筒车架朝下动补偿由于温度改变和磨运输送机 拉紧产生拉紧力。损而引起输送带的伸长变 化。 白( 1 ) y z l 液压绞t - 刑低速人扭矩在起制动及运转中，可以使适用于惯性 动马达通过滑轮组钢丝绳牵引滚筒滚筒车架有位移，拉紧力可力人，拉紧 拉车架，由张力监控装置监测输送以变化，也可以恒定。力大的大型 紧带张力，并给出信号，实现自动输送机 装实时监控，拉紧行程较大。 置( 2 ) d y l 液压缸型通过液压油 缸的伸缩，带动滑轮组钢丝绳牵 引滚筒车架，具有断带时白动停 车平打滑时自动增加拉紧力等保 护功能，拉紧行程小。 ( 3 ) 火拉紧力强力绞午型电动 绞车采i 【f j 封闭行星传动技术，体 积小、拉力火。 拉紧装置应尽可能布置在输送带张力最小处，这样可减小拉紧力： 应尽可能使输送带拉紧滚筒的绕入和绕出分支方向与滚筒位移线 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 平行，且施加的拉紧力要通过滚筒中心【4 8 】。 自动张紧技术拉紧装置是保证带式输送机正常工作的重要部件，在确 保输送机中最小初拉力能满足挠度要求的条件下，驱动滚筒趋入点和奔离 点的张力比应为定值，为此要求在起动时拉紧力与额定工作时拉紧力的比 值k = 1 4 1 5 ，允许波动1 0 ；在正常工作过程中k = o 9 1 1 。当输送机 的结构，起、制动方式及拉紧装置的安装位置确定后，拉紧装置的特性就 取决于其自身的性能。大型带式输送机所用的张紧装置必须满足以下技术 要求： ( 1 ) 自动调整拉紧力能随着输送带张力变化而能自动地调节张力与 张紧行程，始终保持输送带所规定的挠度，并使驱动滚筒趋入点和奔离点 的张力比应为定值。 ( 2 ) 响应速度快响应速度快慢是衡量拉紧装置性能好坏的重要标 准。 ( 3 ) 不能出现死区即拉紧滚筒作反向移动时，不至于产生张力的突 然变化。尤其对机尾有低谷的高垂度输送机，制动时在低谷处会由于垂度 过大而引起输送带的折叠和严重变形，从而导致煤的滚落。国内的拉紧装 置能做到自动调节拉紧力，但响应速度不快、可靠性不高，与国外还有很 大的差距，有待进一步研制开发【4 3 1 。 拉紧力大小变化在自动张紧装置中起到至关重要作用，对带式输送机 的自动拉紧装置的皮带和液压拉紧站进行动力学分析能够更好了解拉紧力 与液压油缸活塞杆的位移之问变化，从而可以动态调整拉紧力的大小，达 到自动控制的目的，进而提高输送机的效率。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 研究拉紧装置动态特性的必要性 1 2 1 静态分析忽略拉紧装置对带式输送机的影晌 随着带式输送机向高速、长距离、大运量和大功率方向发展，带式输 送机系统的动态特性日益突出，不容忽视，而拉紧装置作为带式输送机的 一个重要组成部分，其重要作用和特性决定了它对系统动态特性的影响更 加突出。传统的静态分析方法是在静力学基础上按静止或匀速运行状态对 带式输送机系统进行受力分析，致使拉紧装置的动态特性对整个系统的影 响被忽略了。实际上，拉紧装置作为周期变化的扰动力作用于弹性体性质 的输送带上，当扰动力的频率与输送带的自振频率相等时，输送带会发生 共振现象，使输送带内受到很大的动张力，因此要真实、有效的反映输送 机的整体性能，必须研究拉紧装置的动态特性。 1 2 2 研究带式输送机必须要研究拉紧系统 ( 1 ) 研究系统的动态特性要研究拉紧装置。输送带在张力作用下的弹 性变形会造成拉紧装置不能很好工作，如：拉紧装置的位移量过大，在导 轨处发生故障或碰到导轨末端：输送带间断性打滑而拉紧装置无反应或张 力不足；张力不合适，使得输送带在起动和运行过程中产生振动；在加载 和起动时拉紧装置无拉紧运动，输送带发生过大挠度；拉紧装置运动时( 速 度发生变化) ，电动机功率输出也发生变化：实际运行条件下，拉紧滚筒的 冲击运动；在起动、制动或一个加载周期内，拉紧装置位置不能恢复；输 送带张力的作用导致起制动时振动，产生很大噪声。 ( 2 ) 带式输送机中拉紧装置的作用就是保证带式输送机有足够的张 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 力，以防止带式输送机在驱动滚筒上打滑或在托辊之间产生过大的挠度。 拉紧装置最好应具有自动调整拉紧力，快速响应的性能。在保证带式输送 机中最小初拉力满足挠度要求的条件下，驱动力滚筒相入点和分离点处带 式输送机张力的比值应为定值。 ( 3 ) 拉紧装置是带式输送机的一个重要组成部分，拉紧装置的动态特 性与胶带的动张力直接相关，胶带动张力的减少是研制高速、长距离和大 运量带式输送机的关键问题。 ( 4 ) 影响带式输送机的动态特性的因素是多方面的。对输送机进行优 化的主要目标是降低胶带起动的动张力峰值，保证输送机在较低的安全系 数下能够安全运行，但是还要尽量使输送机在正常运转时的张力不致于过 低，以防止振动、跑偏、驱动滚筒打滑等不利现象。虽然诸多的边界条件 都可以使输送机的动态特性发生改变，但是可操作的因素却很有限，只有 驱动装置与拉紧装置可以通过软起动与控制拉紧力的方式来改善输送机整 机动态特性，因此，对输送机动态特性的优化研究主要集中在驱动与拉紧 系统的特性上。 1 2 3 拉紧系统的动态特性对带式输送机的影响 拉紧系统的动态特性对带式输送机的影响有： ( 1 ) 胶带动张力峰值大小： ( 2 ) 输送机的运行稳定性； ( 3 ) 驱动滚筒松边的动张力在起动过程中的变化特性。 拉紧装置对输送机的这些影响，不仅和其自身性能有关，还和它与输 送机其他部件之间的配置关系有关( 如安装位置与驱动点之间的距离等) 。 而对输送机整体运行起决定作用的是拉紧力的变化方式，当受到外界扰动 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 时，如何合理的对其进行调整，使输送机的动态性能最佳，这就需要对拉 紧装置的工作特点进行深入的研究。与拉紧装置动态特性相关的具体问题 包括：输送带的弹性、长度、输送带中应力波的速度和拉紧系统的滞后作 用。 1 3 本课题研究的意义和内容 本文是以胶带的粘弹性动力学方程为基础，研究带式输送机在采用自 动拉紧装置时，输送机在起、制动和正常工作过程中胶带的动位移和动张 力特性，并以此为基础合理地优化输送机拉紧力的变化。然后根据液压控 制原理，分析拉紧力和拉紧滚筒之间的变化关系，从而为液压系统的设计 以及如何更好的控制拉紧力变化，限制或消除加速和减速过程中胶带的弹 性振动，防止胶带局部应力过大或应力过小，保证输送机的安全运行，使 输送机系统各参数达到最优和最经济提供很好的依据。 本课题的主要内容： 1 、分析输送带动力学特性，选取输送带合适的动力学模型，结合边界 条件和初始条件建立输送机的动力学模型。 2 、对自动拉紧装置进行优化，为了说明拉紧力对液压系统的影响，根 据液压控制原理，对液压拉紧站警了分析，并建立拉紧力与拉紧滚筒位移 的动平衡方程和液压控制系统整体模型以及液压系统各元件的数学模型， 得到了拉紧力优化曲线： 3 、依据上述的数学模型，在不同起动工况下对自控液压自动张紧装置 进行仿真；根据不同拉紧力变化曲线，对输送机动张力和拉紧装置的位移 进行仿真； 4 、对仿真结果进行分析； 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章带式输送机输送带动力学模型的基本理论 输送机由输送带( 包括物料) 、托辊、驱动装置、张紧装置、传动装置、 清扫和装卸等辅助装置构成，其在起动过程中形成一个结构封闭的阻尼振 荡系统，该系统在驱动力矩的作用下沿着输送带纵向和横向作振动，并随 着带速的稳定而逐渐趋于稳定的工作状态。因此，其动力学模型是在分别 描述和分析各个元部件的基础上，进行综合处理而建立的。 2 1 输送带的动力学模型口1 输送带是带式输送机的重要组成部分，起着承载和牵引作用。在建立 带式输送机的动力学模型，进行动态特性分析和求解动力学方程时，首先 需解决的是输送带力学特性的描述和特性参数的测定。输送带力学模型建 立得是否恰当，参数测定是否正确，直接影响到输送机动态分析的准确性、 精确性和可靠性。因此，对输送带力学模型的选取原则上要求除了对输送 带力学特性的描述具有一定的精确性外，还需考虑模型参数的测定是否方 便可行，数学处理方法是否过于复杂。在此根据输送带实际使用过程中突 出表现的粘弹性特性，采用粘弹性流变学中合适的近似力学模型来加以描 述和讨论，并相应地确定其动态力学特性。 2 1 1 输送带动力学特性嘲 根据类型的不同，输送带可分为织物芯带和钢绳芯带两种。织物芯带 是由橡胶( 或塑料) 和织物芯粘合而成：钢绳芯带则是橡胶和钢丝绳粘合而 成。由于输送带是多种材料复合而成的复合板，在承受拉力时表现出较为 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 复杂的力学特性，其中主要的几个特性如图2 - 1 所示，图中： 0 应力 e 应变 1 应力、应变的非线性 输送带在承受拉力时，拉力和变形之间的关系不完全遵从虎克定律、 而呈现非线性关系，弹性模量是变化的，如图2 1 ( a ) 所示。 2 蠕变特性 当作用在输送带上的力保持不变时，随着时间的延续，输送带的变形 有所增加，直至趋于某一定值，即当向输送带施加一拉伸阶跃应力时，随 着时间的延长，输送带的应变不是同应力一样具有相同的规律，而是滞后 于应力，逐渐趋于最大值，如图2 - 1 ( b ) 所示。 3 松弛特性 当在输送带上施加一个常应变时，输送带的拉伸应力随着时间逐渐减 小，最后趋于稳定值，如图2 1 ( c ) 所示。 4 滞后特性 输送带在拉伸过程中出现滞后现象，表现为加载和卸载应力应变 曲线不重合，这一现象说明输送带具有明显的粘弹性，如图2 - 1 ( d ) 所示。 5 动态特性 输送带在拉力作用下的变形不仅与拉力大小、作用时间有关，还与拉 力的变化速度有关，这种特性称之为动特性。如图2 - 1 ( e ) 是胶带在静载 和不同频率下单位宽度弹性模量的实测曲线。 上述输送带的力学特性表明其具有明显的粘弹性特征。拉伸时应力、 应变的变化规律与许多因素有关，从理论上讲，应力和应变相互间的关系 应该是在无限缓慢加载的情况下测得的，但实际上无法实现，更由于输送 1 0 奎垦望三查堂堡主堕壅竺兰堡笙苎 带的实际工况是动态的，因此，在研究和选取适合描述输送带力学特性的 模型时也应从动态的角度加以考虑【8 1 。 0 ( a ) 非线性特性 一 0 ( b ) 蠕变特性 ( d ) 滞后特性 p 州) ( e ) 动态特性 图2 - 1 输送带动力学特性 f i g ，2 - 1t h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i co ft h eb e l t l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 输送带模型选取 对于输送带的动力特性国内外已有许多学者进行了研究，并建立了多 种数学模型，如图2 2 所示，图中： e ，e l ，e 2 ，3 弹性模量： 叩，叩。，即2 ，叩，粘性系数； e 叫v 卜 ( a ) e r 叫讥凸 一 毒震害 ( d )( e ) q 垒陆荤 ( h ) 图2 - 2 输送带动力特性的力学模型 f i g 2 - 2t h em e c h a n i c sm o d e lo ft h eb e l td y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c 上述模型的本构关系为： a ) 单一弹性元件 盯t e e ( 2 1 ) b ) m a x w e l l 模型 12 夸 啦 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 f = 一i 丁+ 一c r e 叩 c ) v o g i t 模型 口；e + ”生 出 d ) - - - 元件固体粘弹性模型 e ) - - 元件液体流变模型 r l r 2e - i e 2 7 7 1 ；= 舀( 叩i + r 2 ) + o e 2 f ) 四元件液体流变模型 曲三元件固体粘弹性模型 饵。+ ：) ；+ 盟。0 + 生盯 ，7 2，7 2 h 1 四元件固体粘弹性模型 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 即蚴枷+ e 2 e 3 e = 聋( 即即剐矗噎口t 屿p ( 2 _ 8 ) 通过输送带动力学特性的分析可知，判断某种模型是否适合于描述输 送带的力学特性，取决于该种模型的蠕变特性及松弛特性是否同输送带的 特性相似或一致。以下就这些模型的动力学特性加以分析，以选取适合的 模型： 1 单一弹性元件 单一弹性元件对于阶跃激励的响应： 13 。一b一吼警生吼 抖 盯 盟吼 p 毛一仉墨一玑e 一仉 一叶 盟仉 一e 太原理工大学硕士研究生学位论文 当施加恒力c l r = q ，h ( t ) ，响应e ( t ) 为： 啪一警丑e h ( f ) 当施加恒应变= e h ( t ) ，响应仃( f ) 为 盯( f ) = e e ( t ) = e e 。h ( t ) 蠕变柔量f o ) 和松弛模数e ( r ) 分别为： 舱 2 a l a x w e i l 模型 m a x w e l l 模型对于阶跃激励的响应： 当施加1 t 百- ；h 盯= 仃。h ( t ) ，响应e o ) 为： ) q ，( 去+ 1 。归( f ) 当施加恒应变s = e o h ( t ) ，响应盯( f ) 为 仃( f ) ；。，ee x p ( 一墨f ) ( f ) 蠕变柔量f ( t ) 和松弛模数e ( t ) 分别为： 3 v o g i t 模型 f ( f ) ：= 1 + 一1 f 1 s 叩 e ( f ) ：e e x p ( 一墨f ) 印 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 v o g i t 模型对于阶跃激励的响应： 当施加恒力盯= 盯。h ( ) ，响应s ( f ) 为： s ( f ) = 詈( 1 - e t ) h ( f ) 当施加恒应变；e h ( t ) ，响应盯( f ) 为： 蠕变柔量f ( t ) 和松弛模数e ( ) 分别为： 船孝瓣- e l 当施加恒力盯一q ，日o ) ，i r i f i j f 直e ( t ) 为： 删= - 击a o h ( t ) + 毒1 其中：露；里 当施加恒应变一h ( t ) ，1 1 ( a j f 直c r ( t ) 为： 删= 蔫+ 丧唧( 一警明删) 蠕变柔量，( f ) 和松弛模数e ( f ) 分别为： 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ，( f ) = 百1 + 击( 1 ) 刚= 罴+ 蠹唧c 一警r ， 5 四元件固体模型 四元件固体模型对于阶跃激励的响应： 当施加恒力盯= o q ，日o ) ，响应( f ) 为： 呻，。百a + 音+ 去”争。 舯彳= 坠生雩拦兹躞 b ； 皇! 墨j 仁1 + e 3 ) _ 3 c；(e,+e2+e3)r136(t)+e3(ei+e2)h(t) e l ( e l - i - e 3 ) 叩3 当施加恒应变= 。h ( t ) ，响应盯( f ) 为： 。( ) t 暑i + 【黜s 。一生b 1 】e 日r 舯小熊专等警攀钉 b ： ! 皇! 墨；羔垦 1 ( e 【+ e 2 + e 3 ) 叩3 ，e 1 ( e 2 + e 3 ) 叩3 j ( t ) + e l e 2 e 3 h ( t ) l ，= 一 1 ( e 1 + e 2 + e 3 ) 叩3 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 蠕变柔量f ( t ) 和松弛模数e o ) 分别为： 喇= 吕+ c 击+ 壶一 e o ) = 面c i l + 【羰一鲁】e 一目f 从以上各种模型对阶跃激励的响应、蠕变柔量及松弛模数可以看出， 单一弹性元件的蠕变柔量和松弛模数分别为1 e 和e ，不能反映出输送带 的动态特性，不适合作输送带的粘弹性模型；m a x w e l l 模型的蠕变特性是 线性的，松弛特性呈指数规律，这种模型不适合做输送带粘弹性模型；三 元件固体模型和四元件固体模型能较好地反映输送带的粘弹性动力特征， 它们的蠕变特性和松弛特性都具有指数规律，但是这两种模型的参数比较 难以测定，目前还没有成熟的测试方法和仪器，因此限制了它们在带式输 送机动态分析中的应用。 v o g i t 模型的蠕变特性比较适合做输送带的蠕变特性研究，虽然其松弛 特性表现不出来，但由于在仅由两个基本元件构成的模型中，v o g i t 模型比 m a x w e l l 模型更能反映出输送带的动态特性，另外这种模型的参数e b 较容 易测定，更实用。在大功率输送机中，输送带多数为钢丝绳芯带，拉紧装 置多数是自动或重锤式，因而在运行过程中产生的松弛还是可以适当补偿 的。 比较以上所述几种模型，可以发现对复杂的力学模型进行定量描述和 动态分析，其数学处理过程相当繁琐，事实上往往由于模型参数的难以测 定或由于精确程度不够，导致动态分析结果与实际情况相差甚远；另外， 工程应用中也要求计算处理过程简单、经济。因此，依据以上分析，并结 合国内外有关输送带动力学特性研究的实际情况，突出反映输送带的粘弹 性特性，本文决定采用v o g i t 模型来加以阐述和分析。 17 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2v o g i t 模型的参数的确定 v o g i t 模型的参数包括二个：动力弹性模量e 和粘性系数卵，该模型的 测试方法主要有三种： 2 2 1 自由振动法 自由振动方法是将输送带的一端固定，另一端悬挂重物，并对重物施 加初始扰动，扰动可以是脉冲力或初始位移等，通过分析试样在瞬时扰动 作用下的振动衰减过程来求其动态粘弹性参数。测试原理如图2 - 3 所示。 图2 3 胶帝自由振动测试原理 f i g 2 3t h ep r i n c i p l eo ff r e ev i b r a t i o nt e s t i n gi nb e l t 出于输送带试样的质量相对于重物的质量可以忽略不计，一般情况下 可取m 一4 m ( m 代表输送带试样的质量；m 代表重物质量) 即可，这样 振动微分方程如下： bb e m x + 一 x + 一x = 0 l。l ( 2 - 9 ) 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 该方程的解为：工= c e 。s i n ( w t + ) 6 ；堕 2 州l w = 、舰e b _ 、( 2 r m i b ，, - 2 式中，b 胶带试样宽度，m ； m - - 悬挂重物质量，埏： l 胶带试样有效长度，m ； c 和尹。是和初始条件有关的参数。 如果初扰动为一位移，即f 一0 ，工= 工。，z ；o 则有： w 。a r c t g i c ；型! ：生 、 w ( 2 1 0 ) 阻尼的对数减缩比为： 6 ；土l n 土：里( 2 - 1 1 ) k t x 。+ k 2 m l 式中，x 。= x p ) ，x 。+ k = z ( f + 岛) t _ 一振动周期，s ； 2 t 于是可以得出： e ；( 2 _ 1 t ) z _ l m ( 2 - 1 2 ) 2 b 这种测试方法理论上比较麻烦，另外由于每次测试的结果可能相差较 太原理工大学硕士研究生学位论文 大，所以实际很少采用。 2 2 2 动拉伸测试方法 这种方法的原理是把胶带试样看成是一个弹簧、阻尼器、质量组成的 等效系统，如图2 - 4 所示。在胶带上施加正弦交变激励力，使其作强迫振 动，根掘汜录的应力一应变曲线，则可求得动态弹性模量和流变常数。确 定加载方式的宗旨是使实验尽可能地模拟带式输送机中胶带的受力情况， 根据标准i s o d p 9 8 5 6 规定，应变力幅值为其扯断力的4 ，初拉力为其扯 断力的0 5 ，试样最小拉伸应力应大于1 扯断力，加载频率为0 1 h z 。为 了消除或减少输送带永久变形对结果的影响，标准还规定弹性模量应根据 动力拉伸2 0 0 次时测得的应力与应变曲线来计算。实验表明，当拉伸循环 次数一定时，应力一应变曲线形成稳定磁滞回线。对不同输送带其形成稳 定磁滞回线的动拉伸次数不一样，在实测中还应根据具体情况而定。 f = r s i n t o t 0 ( b ) 图2 - 4 动拉伸试验原理 f i g 2 4t h ep r i n c i p l eo fd y n a m i ct e n s i o ne x p e r i m e n t 在测得了稳定的磁滞回线以后，弹性模量e 根据下式确定 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 e ：坐旦( 2 1 3 ) l b 关于流交常数，可借助于机械振动中粘性阻尼等效方法来计算，胶带 在拉伸时，其力学方程为： 王+ 塑王+ 丝z ：f s i n t o t( 2 1 4 ) 己l 4 式中，口一试样宽度，m ： 上一试样有效长度，m ； m 一试样质量，蚝； r 一激振力幅值，n ： ? 一激振力频率，h z 。 粘性元件循环一个周期的能量损失为： z f 争 m 动拉伸时胶带试样当量质量的位移规律为： x = x s i n ( c o t 一妒) ( 2 1 6 ) 贝u 有：x = c o x c o s ( o ) 一妒) d r = t a x c o s ( t o t q a ) d t ( 2 - 1 7 ) 将x 、d x 两式代入a w 式中，可得出： ：2 2 b r x 2 ( 2 1 8 ) 2 l 动拉伸每循环一周的能量损耗，相当于交变力每循环一次所做的 功，可用磁滞回线的面积s 表示，令s = 职可得到阻尼系数： ”；竺丝( 2 1 9 ) ”2 2 2 b x 2 l 2 一 滞后时间( 流变参数) 百由定义碍： 2 】 太原理二l 大学硕士研究生学位论文 f ：旦 e ( 2 - 2 0 ) 动拉伸测试方法需在动态试验机上完成。由于其加载特征、即加载频 率、幅值和时间的延续性，所以能较好模拟胶带的实际工况，因而这种方 法是比较好的。 2 2 3 波动法测试 所谓波动法就是根据弹性波在胶带中传播速度来间接测定胶带的弹性 模量的方法。这种方法对胶带不容易测试，而且只能测得弹性模量，很难 测出阻尼系数。因此一般不采用这种方法。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章自动拉紧装置的动态分析方法和模型的建立 3 1 自动拉紧系统结构的研究 3 1 1 自动拉紧系统的结构及其工作原理【1 4 皮带运输机液压拉紧装置自动控制系统是根据皮带运输机在启动和正 常运行时对拉紧力的不同需求，经合理的胶带张力模型分析研究而设计的。 该装置主要由液压泵站、拉紧油缸、蓄能站、电气控制箱及附件五大部分 组成。下面以d y l 型输送带自控液压拉紧装置为例作重点介绍。 结构组成如图3 - 1 所示，拉紧油缸通过油缸支座固定在地基上，再通 过钢丝绳2 将拉紧小车1 与拉紧油缸活塞杆上的动滑轮及定滑轮相连，液 压泵站、蓄能站及电控箱不需要做地基，水平安放即可，仅要求安放地点 不落煤水。 其工作原理如图3 2 所示，电动机驱动油泵2 ，压力油经由手动换向阀 5 和液控单向阀6 进入拉紧油缸8 的活塞杆腔，拉紧油缸作为执行机构直 接对拉紧小车1 0 实施拉紧。 输送机起动阶段的拉紧力由溢流阀3 调定，稳定运行阶段的拉紧力由 溢流阀1 3 调定。这2 个阶段由测速装置控制，并由隔爆电磁换向阀1 2 进 行切换。由于溢流阀1 3 的调定压力比溢流阀3 的调定压力低，所以通过电 液有序控制，满足输送机起动时拉紧力比稳定运行时大的要求，即输送起 动时拉紧力自动增加，输送机稳定运行后，其拉紧力又自动降低到原定值。 在输送机运行过程中，输送带的张力随时发生变化，此时拉紧站的拉紧油 缸和蓄能站能及时响应，确保输送机在稳定运行时的张力恒定，从而实现 太原理工大学硕士研究生学位论文 了带式输送机输送带的自动拉紧。 l234 图3 - 1d y l 型输送带自控液压拉紧站布置图 f i g 3 1a r r a n g e m e n td i a g r a mo fa u t o m a t i cc o n t r o lh y d r a u l i c s t r a i ns t o po fd y l t y p ec o n v e y i n gb e l t 1 一拉紧小车；2 一钢丝绳；3 一定滑轮座；4 - - 动滑轮； 5 一油缸支座：6 - - 拉紧油缸；7 一电控箱：8 - - 液压泵站： 9 一蓄能站；l0 - - 轨道；1 1 - - 输送带 过去依靠胶带改向处吊一重达3 5 t 的重物来使胶带保持一定的张紧状 态，胶带张紧度不能任意调节，容易在运输量不断变化时造成胶带打滑， 胶带磨损严重。在胶带胶头检修过程中，需花费大量的人力将重物拉起使 胶带松驰，既浪费入力，又增加了检修时间。改用皮带运输机液压拉紧装 置自动控制系统很好地解决了上述问题。 该套装置具有以下特点： ( 1 ) 自动调节拉紧力根据输送机的工况及对输送带张力的不同要求， 可以任意调节输送机起动时和稳定运行时的拉紧力，起动时的拉紧力比稳 定运行时的拉紧力大1 4 1 5 倍。电液系统一旦调定后，即按预定程序， 保证输送带在理想状态下自动工作。 2 4 蔫 蔫 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于拉紧站的拉紧力可以根据需要自动调节，所以输送机在稳定运行 时的张力明显降低( 一般可降低1 5 3 0 ) ，在输送机基本参数不变的情 况下，可以降低输送带的强度等级，并能减小输送机的功率，因而能减少 设备的初期投资及运行费用。 图3 - 2自控液压拉紧站系统图 f i g 3 2t h es y s t e md i a g