（热能工程专业论文）大型带式输送机动态特性研究及其应用.pdf

华北电力大学博七学位论文摘要 摘要 带式输送机是散状物料实现远距离运输的高速度、自动化、连续性作业的 理想设备，已广泛应用于电力、冶金、化工、煤炭、矿山、港口和粮食等许多 部门。随着工业的需求，带式输送机向长距离、高速度、大运量、大功率等方 向发展，带式输送机的动力学问题也越来越多。这就需要系统研究带式输送机 的动态特性，实现在设计阶段预测和优化输送机的性能，从而使带式输送机在 经济上更加合理、在技术上更加可靠。 第一章介绍了大型带式输送机的发展，对目前国内外的研究状况进行了分 析，系统研究大型带输送机的动态特性是提高我国带式输送机设计水平及在国 际市场的竞争能力的关键所在。 第二章分析了输送带的静态和动态特性，建立了输送带的数学模型，通过 分析比较k e l v i n 和m a x w e l l 两种基本粘弹性模型的特点后，选定k e l v i n 模型作 为本文的输送带动力学单元模型。 第三章在带式输送机系统动力学分析的基础上，考虑了拉紧装置的刚度， 建立了带式输送机有限元模型，以及系统的运动微分方程。该模型可以对单驱 动、双驱动翻多驱动的带式输送机进行动态分析。 第四章提出了输送机寿命期内的总费用最低为输送机优化设计的目标。分 析了目前常用的几种带式输送机设计标准，选定c e m a 标准作为本文的计算依 据。计算并分析了带式输送机托辊间距对功率消耗的影响。在带式输送机翻转 段的设计上提出了一种新的设计方法。 第五章开发了大型带式输送机设计系统软件。本软件采用虚拟现实技术与 图形化建模技术实现带式输送机侧形设计、虚拟运行和虚拟监测功能模块系 统可以对各种工况进行静态计算和动态分析。实现在设计阶段预测和优化输送 机的动态特性，从而使带式输送机在经济上更加合理、在技术上更加可靠。 第六章以本文开发的带式输送机设计系统软件为工具，对一大型带式输送 机进行了静态设计，在正常启动、运行和停机等各种工况下对此输送机的动态 特性进行了全面的分析，说明本文开发的软件的可靠性及实用性。本软件已经 应用到工程实际中。 关键词：散状物料输送，大型带式输送机，动态特性，有限元模型 华北电力大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t b e l tc o n v e y o ri st h ei d e a le q u i p m e n tf o rh i g h - s p e e d ，a u t o m a t i o n ，c o n t i n u o u s o p e r a t i o n sf o rl o n g d i s t a n c et r a n s p o r t a t i o no ft h eb u l km a t e r i a l s ，w h i c hi sw i d e l y a p p l i e di ni n d u s t r i e ss u c ha se l e c t r i cp o w e r ，m e t a l l u r g y ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，c o a l ， m i n e ，p o r t sa n df o o d s t u f f s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a ld e m a n d ，t h ed e s i g n o fb e l tc o n v e y o ra i m sa tl o n gd i s t a n c e ，h i g hs p e e d ，g r e a tc a p a c i t ya n dh i g h p o w e r d i r e c t i o n s t h e r e f o r e ，t h e r ea p p e a rm o r ep r o b l e m si nt e r m so fd y n a m i c so fb e l t c o n v e y o r t h i sr e q u i r e ss y s t e m a t i cr e s e a r c ho nd y n a m i cf e a t u r eo fb e l tc o n v e y o rt o r e a l i z et h ep r e d i c t i o na n do p t i m i z a t i o no nb e l tc o n v e y o rp e r f o r m a n c ei nd e s i g n i n g s t a g e 。h e n c e ，i t w i l lb e c o m em o r er e a s o n a b l ei ne c o n o m ya n dr e l i a b l ei n t e c h n o l o g y f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h eb e l tc o n v e y o r ，a n da n a l y z e s t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d 。t h ed e e pr e s e a r c ho nd y n a m i c b e h a v i o u r so fo u rc o n v e y o rb e l ti st or a i s et h el e v e lo fb e l tc o n v e y o rd e s i g ni nt h e i n t e r n a t i o n a lm a r k e ta n dt h ec o m p e t i t i v e n e s so ft h ek e y t h i s p a p e ra n a l y s e s t h es t a t i ca n dd y n a m i cb e h a v i o u r so ft h eb e l t ，a n d e s t a b l i s h e st h ed y n a m i ce l a s t i cm o d u l u s b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e k e l v i na n dm a x w e l lv i s c o e l a s t i cm o d e l t h ef o r m e ri ss e l e c t e da st h ec o n v e y o rb e l t m o d e la si tc a nm o r er e a l i s t i c a l l yr e f l e c tt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o n v e y o rs y s t e m o nt h eb a s i so ft h ed y n a m i c sa n a l y s i sf o rt h eb e l tc o n v e y o r ，s t i f f n e s sf a c t o ro f t a k e u pd e v i c ei st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h e nf i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t ht h r e e d r i v ep u l l e y s ，a sw e l la st h em o v e m e n td i f f e r e n t i a ls y s t e me q u a t i o nw a se s t a b l i s h e d ， w h i c hc a nc o n d u c td y n a m i ca n a l y s i so nt h ea b o v es y s t e mp a r a m e t e r s t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h eo b je c t i v e st h a tt h el o w e s tt o t a lc o s td u r i n gt h e l i f e - s p a no ft h ec o n v e y o ri st h ea i mo fo p t i m i z i n gd e s i g nf o rc o n v e y o r i ta n a l y z e s o f t e n - u s e dd e s i g ns t a n d a r d so fb e l tc o n v e y o ra n dc h o o s e sc e m as t a n d a r da si t s b a s i s i td i s c u s s e dt h ee f f e c t so fi d l e rs p a c i n gs e l e c t i o no nb e l tc o n v e y o rp o w e r c o n s u m p t i o n an e wd e s i g nm e t h o di sd e v e l o p e db a s e do nt h ed e s i g no fb e l t c o n v e y o rt u r n o v e r i td i s c u s s e dt h e e f f e c t so fi d l e rs p a c i n gs e l e c t i o no nb e l t c o n v e y o rp o w e rc o n s u m p t i o n as e to f l 盯g e - s c a l ec o n v e y o r d e s i g ns y s t e ms o f t w a r ei s d e v e l o p e d t h e s o n w a r ea d o p t sv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g ya n dg r a p h i c a lm o d e l i n g t e c h n o l o g yt o r e a 量1 z es l d e - s h a p e dd e s i g na n d d y n a m i cm o d e l i n gs u b r o u t i n e t h es y s t e mc a n c a r r v o u j h e s 。a 1 ca n dd y n a m i ca n a l y s i sf o rv a r i o u s o p e r a t i n gs i t u a t i o n sa n dr e a l i z et h e ，甜k n 粕如p t i m i z a t i o no fd y n a m i cp e r f o r m a n c eo nb e l tc o n v e y o rp e r f o r m a n c e h e n c e ，t h e b e l tc o n v e y o rw i l lb e c o m em o r er e a s o n a b l ei ne c o n o m ya n d r e l i a b l ei n k e yw o r d s ：b u l ks o l i d sh a n d l i n g ，l a r g e - s c a l e f i n i t ee l e m e n tm o d e i h b e l tc o n v e y o r ，d y n a m i c sb e h a v i o r ， 晕i肌批 n o a ” 比 1 e 陇 曲眦 脚 m 叭时 u e a y ， 仙k 培 t j r“n 科要 e h 一n 忙 刚耋=霎恤薹 c r 斌 培 d m 地 m 眦 ”m e 蛔咖咖嘲 慨j 兰叫 刚眦州 帅 咖 黔即舭 ： q p b 潞 a 眦h 矾 n n 陀 础 蚰 一 r c e 强 肚嘶 斌础篡罴 恤 叫 ；耋；詈 ， a w y h b 畋m 栅孤 a k 以 蹦 观 i。l 1 t 确看 濉硪 f l 吾 眦 声明尸 只月 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文大型带式输送机动态特性研 究及其应用，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本 学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研 究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：壹址日期：q 墅! ! 堕 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盟 日期：垒! ：堑：! 聊签名：皱 华北电力大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 大型带式输送机及其发展现状 带式输送机是散状物料实现远距离运输的高速度、自动化、连续性作业的 理想设备，带式输送机自l7 9 5 年被发明以来，经过两个世纪的发展，已广泛应 用于电力、冶金、化工、煤炭、矿山、港口和粮食等许多部门。当今，无论从 输送量、运距、经济效益等各方面来衡量，在很多场合，采用输送机都有着比 汽车、火车更为优越的性能【l 五】。 带式输送机是火力发电厂运输煤炭和灰渣的主要设备。位于煤矿附近的坑 口火力发电厂，国外多采用带式输送机代替铁路、公路运输，这种方式避免了 装车、卸车作业，简化了流程、节省投资、管理也较方便。对燃料采用水路运 输的发电厂，对距燃料产地较近的发电厂，应考虑采用长距离带式输送机或汽 车运煤的可能性【3 】。煤在港v i 上船使用带式输送机比汽车运输节省大量的投资， 而且效率也高，卸煤码头如果使用带式输送机直接将煤送入厂区也同样可以简 化流程、提高效率，只是有些电厂距离码头较远，这就需要建长距离的带式输 送机。 据不完全统计，我国现有带式输送机2 0 0 万台，其中，锅炉上煤约4 0 万台， 煤矿1 2 0 万台，火力发电厂l6 7 座，每厂3 k m 折合1 万台，建材厂和水泥厂6 千个，平均每厂5 0 台，共计3 0 万台，港口码头约1 万台，不包括卸船机和散 货装船机等1 4 】。 大型带式输送机具有大运量、长距离、高带速等特征，多采用高驱动功率 和强力输送带( 主要是钢丝绳芯输送带) 垆】。 目前带式输送机的发展趋势主要集中在长距离、高速度、大运量、大功率 等方向，其特点将得到充分的发挥，更具有现代物流发展意义，与传统的直线 输送机搭接、汽车等其它运输工具相比具有明显的优点 4 - 5 1 ： ( 1 ) 环保效益显著 物料在密闭的罩子内运行，彻底解决了沿途运输过程中的粉尘污染；其平 稳的运转，极大地降低了噪音污染；在头部转运点，物料转运所产生的粉尘采 用除尘设备清除，因此长距离带式输送机是输送散状物料最佳的环保设备。 ( 2 ) 经济效益好 由于长距离带式输送机其水平转弯的特点，相对于普通输送机减少或者取 l 第一章绪论 消了中间环节，相对于汽车运输可连续输送。因此其经济效益主要表现在如下 几个方面：一是人工费用低，由于长距离带式输送机设备集中、供电单一，容 易实现全自动化，输送机运行的全过程处于中央控制室的计算机监视之中，因 此只需要几个运行人员控制和巡视；二是能耗低，由于长距离带式输送机相对 于普通输送机取消了转接点，另外输送机绝大部分时间处于满负荷的连续运行 而极少空转，因此其能耗大都做了有效功且效率高，而不像汽车运输那样存在 回程空运而消耗能耗；三是维护费用低，与其它运输设备( 如汽车) 相比，长距离 带式输送机所用的零部件与普通输送机完全相同，其零部件简单，经久耐用， 便于维修。带式输送机总的运输费用比汽车低，随物料提升高度的增加运营费 用降低的更大【5 j 。文献 7 和 8 】比较了汽车运输和带式输送机运输的情况。 表1 1 对年运量2 5 0 0 万吨的项目就普通带式输送机运输、长距离带式输送机运 输、汽车集港运输三种运输方案的运行费用进行了比较。 表1 1 运行费用比较1 9 1 普通带式输送机长距离带式输送汽车集港运输 项目 运输方案机运输方案 方案 运行费用( 2 5 0 0 万吨年)3 7 5 5 ( 1 5 元吨) 3 6 2 5 ( 1 4 5 元吨)2 0 0 0 0 ( 8 元吨) 人工管理费( 8 万元人年)2 0 0 ( 2 5 人)1 2 0 ( 1 5 人)含在运费中 备品、备件费( 万元) 7 2 1 56 5 0含在运费中 预提大修费年( 万元) 2 2 0l l5含在运费中 日常维护费年( 万元)8 57 0含在运费中 其它( 万元) 1 0 09 0含在运费中 年运行费用小计( 万元) 5 0 8 1 54 6 7 02 0 0 0 0 ( 3 ) 可靠性高 带式输送机不受天气等外部环境的影响，一天2 4 小时内根据需要可随时运 行，保证用户需要。 ( 4 ) 安全性高 带式输送机运输是在一个密闭的罩子里，而操作运行人员在中央控制室， 不会接触运行中的输送带，同时输送机本身有自动保护装置，对人员安全性较 高，而不像汽车运输那样，受人为因素影响较大，安全性较低。 2 华北电力大学博士学位论文 ( 5 ) 使用范围广 大型带式输送机除适用于所有的带式输送机适用的行业外，而且随着电力 行业坑口电厂的逐步推广建设，大型带式输送机必将成为其最主要的输送方式 之一。 大型带式输送机作为一种高效、 是无可比拟的，已在世界广泛应用； 性价比高、环保的现代散状物料输送设备 其优越性必将得到充分的发挥。 提高单机效率和生产率一直是人们追求的目标，随着散货物料搬运技术在 理论和应用上的不断发展，目前国外单机长度最长的带式输送机是z i s c o ( 津巴 布韦钢铁公司) 装备的15 6 k m 越野带式输送机【lo j ；澳大利亚西部c h a n n a r 铁矿 的2 0 k m 越野带式输送机【l 卜1 2 j 代表着现代带式输送机的发展水平，该输送机系 统包括一段长为1 0 3 k m 、曲线半径9 k m 、弧长达4 k m 的越野带式输送机和一条 长为l0 1 k m 的直线长距离带式输送机，该系统为降低运行阻力树立了新的标准； 文献 13 】将10 m s 以下定义为低带速，将l0 - 2 0 m s 定义为高带速，并论证了高 带速在技术上及经济上的可行性，高带速在已经投产的带式输送机中还少有应 用，文献【1 4 】中的最高带速可以达1 2 m s ，但仅是为了实验用，实际运行还是低 带速；智利一下运输送系统由3 台带式输送机组成，总装机功率达2 5 0 0 0 k w 5 j ； 国内江苏景阳水泥厂的一台带式输送机单机长度16 k m f j 引，是目前国内单机长度 最长的带式输送机。近年来，我国在大型带式输送机的设计应用方面也有了很 大的进步，但与国外先进技术相比还有差距。 1 2 输送机设计的关键技术 1 2 1 设计标准 带式输送机的设计通常采用标准的计算方法，如： ( 1 ) 德国的d i n 2 2 1 0 1 标准【17 】； ( 2 ) 美国输送机制造协会的c e m a 标准【7j ； ( 3 ) i s 0 5 0 4 8 国际标准【1 8 】： ( 4 ) 我国2 0 0 3 年发布的d t i i ( a ) 型带式输送机设计手册【1 9 】等。 在这些标准和设计方法中，都假议输送带为不可伸展的，这就意味着用牛 顿刚体动力学可以推导出在启停过程中施加到输送带上的力，从而可以计算出 输送带的应力，有了输送带的应力，输送带最大伸长量就可以求出，这种决定 输送带弹性响应的方法为准静态( 设计) 方法。 第一章绪论 用这些标准设计的低运量、短距离带式输送机，设计结果较为合理，运行 特性也可以接受。然而，对于长距离、大运量、高带速及复杂地形的大型输送 机，会使在普通带式输送机中存在但影响不大的问题突显出来，如投资费用过 高，选用的电机功率过大，选择的输迸带安全系数过大，输送机系统振动和运 行稳定性等。目前使用的标准和设计手册提供的设计参数是保守的，常常采用 较大的安全系数来考虑可能导致永久失效的一些其它影响。即便如此，由于输 送带的振动过大、运行失稳、启停张力变化急剧、粘结层欠效、输送带的撕裂 等现象仍会出现，使得输送带损坏，托辊和输送带的磨损率过高。 目前在带式输送机设计阶段进行动态设计还没有实现，常用的方法是对静 态设计结果进行动态分析，然后对不合理的静态设计进行修改直到动态分析满 足要求。 1 2 2 动态分析 近年来，带式输送机动态研究在国际国内己得到业内人士的认可。这方面 的研究，开始于2 0 世纪6 0 年代的前苏联，主要在简化的力学模型上进行解析 分析，提出了第一个带式输送机非稳定状态运行期间动态分析的计算公式，具 有重要的理论意义，但实用价值不大。7 0 年代初，德国汉挪威工业大学的h f u n k e 2 0 1 等人进行了以行波理论为基础的动态分析方法的研究上作l2 j j 。8 0 年代 初，澳大利亚的a h a r r i s o n 在输送机启动、制动以及输送机模型等方面作了对 大量的研究工作 2 2 - 2 4 】。美国n o r d e l l 2 5 】等提出真正意义上的关于带式输送机质量 和弹簧模型的论述，将有限元的概念引入到模型中来。我国在带式输送机动态 特性研究方面起步较晚。 19 8 9 年，李云海提出了带式输送机横向振动的理论分析及稳定性条件i f 2 叫； 9 0 年代后，宋伟刚5 - 6 1 、侯友夫【27 1 、李光布【2 8 1 在带式输送机的力学、数学模型 方面进行了许多研究工作。 过去二十年多年里，许多研究工作者将带式输送机，用各种各样的线性模 型来描述或者至少是便于数学计算的模型。在动力学分析中，由于输送带大变 形和粘弹性的并存，使非线性问题变得十分突出，己达到了不能忽略的程度， 而且许多不稳定的工程实例，使得它们的动态特性无法用简单的线性特性来解 释，所以本文采用非线性理论研究输送机的动态特性。 1 2 3 启动和制动特性 按通用带式输送机标准和规范，带式输送机的启动和制动加速度为 0 1 0 3 m s 2 ，但这一数值不适应长距离的带式输送机。经动态分析可知：长距 4 华北电力大学博士学位论文 离且线路复杂的带式输送机，最好采用具有可控启、制动功能的驱动装置，从 而控制输送机按理想的启、制动速度曲线启动和制动，以减小输送带及承载部 件的动态载荷。对于长距离普通带式输送机，常采用的启、制动驱动方法有以 下几种： ( 1 ) 刚性启动 刚性启动是相对于软启动而言的，驱动装置一般包括电机、传动机构、驱 动轴和驱动滚筒，在驱动装置中没有可控制启动时间和力的装置。这种启动方 式比较适用于短距离、运量小的带式输送机，因为产生的应力波不大，且成本 较低。但对于长距离、大运量的带式输送机而言，刚性启动会在输送带中形成 很大的应力波，严重时会导致输送机飘带、打滑和撒料，甚至造成机械设备和 输送带的损坏。 ( 2 ) 软启动和制动 软启动可控制启动和制动的加速度，保证启动和制动过程平稳、可控，消 除和减少动态应力，一般适用于长距离带式输送机【2 9 枷】。 国内一些电控设备研究单位开发的交流电动机软启动控制器，大多以反并 联的晶闸管组为开关，以软启动交流调压方式限制电机的启动电流，以使该电 机拖动的机械传动系统平稳地过渡到额定转速。 利用限矩型液力耦合器和调速型液力耦合器可以实现输送机的软启动。液 力耦合器是利用液力传递力矩，来改善传动品质和启动特性的装置，由电动机 带动偶合器的泵轮快速旋转时，通过中间液体介质的传递，使偶合器涡轮的转 速上升，从而实现负载软启动。我国生产液力耦合器的技术已相当成熟，避免 了依靠进口的现象，成本相对较低。 ( 3 ) 可控启动和制动 目前，工程上具有可控启动和制动功能的驱动装置，主要有c s t 和交流变 频调速。 c s t ( c o n t r o l l e d s t a r tt r a n s m i s s i o n 可控起动传输) 是由美国的r o c k w e l l a u t o m a t i o n d o d g e ( 罗克韦尔自动化道奇) 公司研制开发的一种新型机、电、液一 体化产品，是由多级齿轮减速器、湿式线性( 液粘) 离合器、液压系统及控制系统 组成。平行轴式c s t 为多级齿轮减速器，第一级是斜齿轮，而第二级是行星齿 轮；湿式、线性离合器由多个动片和静片交叉组合而成。 c s t 设计的目的是用来平滑地启动高惯性负载，例如重载带式输送机。c s t 第一章绪论 的输出力矩是由液压系统控制，通过改变加在离合器上的液压力来改变输出力 矩，c s t 几乎考虑了带式输送机对驱动系统的各种要求，性能完善，安全可靠， 是长距离、大运量、线路复杂的带式输送机的理想驱动装置。c s t 具有设定启、 制动速度曲线自动跟踪控制功能、过载保护功能、多机平衡功能和低速验带功 能。采用c s t 可降低3 0 的基本输送带张力，传动效率可提高1 3 ，输送带的 安全系数可降低1 9 ，但安全度不变。c s t 的不利之处在于：增加了液压系统的 维护工作；对于爬坡带式输送机，必须设置较大的低速轴制动器和逆止器。 交流电动机变频调速是用电力拖动控制带式输送机软启动的方法之一，具 有调速范围宽、精度高等优点。它是通过连续改变异步电动机定子电源的频率， 从而调节电动机的输出转速。目前工业用的变频器规格范围很宽，基本采用了 矢量调速技术，使受控电机呈现优良的调速特性和满意的负载能力，能满足带 式输送机加速度和减速度的要求。 1 3 大型带式输送机动态特性分析技术及其发展状况 早期的动态特性研究中将输送带作为弹性体。由于输送带覆盖层具有粘性 体的特性，后来的研究将输送带作为粘弹性体。粘弹性体的模型有m a x w e l l 模 型和k e l v i n 模型。些研究将输送带简化为m a x w e l l 模型，大多数研究将输送 带简化为k e l v i n 模型。但是，这两种模型都有其局限性，假定模型参数不随时 间变化，对输送带的模拟都不完全，因此必须加入附加元件。采用复合模型可 求得载荷作用时间很短时和无限长时的最终变形，并且随着复合元件数的增加， 模拟的效果和精度就越好。但是，元件数的增加会使模型的力学方程复杂，不 利于实际计算和分析。而且，复合元件的模型参数不易获得，因为模型参数实 际上是随时间变化的1 2 1j 。 过去二十年多年，许多研究工作者将带式输送机，用各种各样的线性模型 来描述或者至少是便于数学计算的模型。在动力学分析中，由于输送带大变形 和粘弹性的并存，使非线性问题变得十分突出，已达到了不能忽略的程度，而 且许多不稳定的工程实例，使得它们的动态特性无法用简单的线性特性来解释。 纵观起来，对于带式输送机系统的研究，在理论分析方面，采用线性动力 学理论进行研究的较多，而采用非线性振动理论分析研究的极少；在系统设计 方面，采用传统设计方法的较多，而采用现代设计方法的极少。 1 3 1 国外带式输送机设计系统 国外已有多家工程设计公司致力于带式输送机设计系统的研究，并开发出 6 华北电力大学博士学位论文 各具特色的满足不同应用要求的设计系统。 美国c d i 公司主要从事带式输送机的设计和咨询工作，在国际输送机设计 领域处于领先地位，主要业务范围包括机械设计、水平曲线设计、动态分析和 控制系统设计、设备调试及试运行等等【1 0 - 1 2 , 3 1 - 4 8 1 。 澳大利亚的h e l i xt e c h n o l o g i e sp t yl t d 专门从事工程软件开发，已开发出一 系列工程管理、投资分析的软件系统，如输送机设计、管道网络分析、泵的选 型和v 型输送带链的驱动设计等【4 9 1 。 o v e r l a n dc o n v e y o rc o ，i n c ( o c c ) 是美国一家专门从事散料运输的咨询公 司，开发出的静态分析软件( b e l ta n a l y s ti i ) 矛1 动态分析软件( d y n a m i ca n a l y s t ) ， 为用户提供带式输送机系统设计、工程和运行评估【5 0 确】。 1 3 2 国内带式输送机技术研究现状 近二十年来，我国带式输送机有了很大的发展，。对带式输送机的关键技术 研究和新产品开发都取得了可喜的成果。输送机产品系列不断增多，开发了大 倾角、长距离新型带式输送机系列产品，并对带式输送机的关键技术及其主要 部件进行了理论研究和产品开发，应用动态分析技术和中间驱动与智能化控制 等技术，成功研制了多种软启动和制动装置及以p l c 为核心的可编程电控装置。 目前，国内多所高校和科研机构在进行带式输送机的研究，辽宁工程技术 大学在有限元分析、启制动曲线、水平转弯及断带检测等方面进行了研究【5 卜7 1 ； 东北大学对托辊运行阻力随带速变化进行了实验研究，用于带式输送机设计和 动态分析，分析转弯部分的导向力和阻力，得出转弯段输送带运行的阻力计算 方法，采用离散模型建立系统的动力学方程，开发平面转弯带式输送机动态分 析系统【7 2 1 4 】；上海交通大学在带式输送机纵向振动理论与横向振动理论的基础 上，提出了带式输送机的动态设计方法以及该方法与计算机技术相结合的设计 决策支持系统【7 5 77 1 。 随着研究工作不断深入，带式输送机动力学性能研究积累了大量的宝贵经 验和资料，利用新的设计手段研究带式输送机动力学模型的时机已经成熟。带 式输送机的技术关键是动态设计与监测，它是制约大型带式输送机发展的核心 技术。 1 4 带式输送机动态分析所解决的主要问题 带式输送机动态分析最重要的特点就是改变了以前各部件独立设计研究的 模式，以输送机各部件协同工作的最佳方式为最终目标，把输送机作为一个有 7 第一章绪 论 机的整体来进行综合分析，寻找最优的组合模式与控制策略，在经济、可靠的 条件下，提高输送机的整体工作性能。 动态分析在现代带式输送机设计中的作用主要有如下几方面： ( 1 ) 计算输送机在运行中输送带动张力的峰值大小及出现的条件。输送带动 张力的峰值一般是其正常运行张力的几倍甚至十几倍，而按照以往静态设计的 方式计算出来的张力值比实际值要小得多，因此只能靠加大安全系数来保证输 送机的安全运行。在没有可靠的分析工具的情况下，采用经验方法确定其安全 系数往往取得过大，这势必造成成本的上升、投资的浪费。 ( 2 ) 分析输送带在运行中的振动特性规律。振动是导致输送带动张力上升的 主要原因，也是造成断带事故的罪魁祸首，摸清其规律对有效控制输送带动张 力有着重要意义。 ( 3 ) 研究边界条件对输送带振动规律的影响。输送带的边界条件是指一切影 响输送带动态特性的内部条件与外部条件，如驱动装置、拉紧装置、托辊、载 荷等。分析研究这些边界条件的变化对振动的影响，并寻找优化输送带振动特 性的最佳边界条件的形式；性能与经济的综合指标上达到最优。 1 5 本文主要研究内容 本文依托中国华电工程( 集团) 有限公司在天津港散货物流中心设计施工的 天津港煤炭长廊胶带机，以c e m a 标准为依据，开发集静态计算、设计选型与 动态分析等功能于一体的大型带式输送机设计系统。 主要研究工作如下： ( 1 ) 分析输送带应力与应变之间的关系，建立输送带动力学模型。 ( 2 ) 应用粘弹性系统理论，建立输送机系统有限元动态分析模型，研究采用 w i l s o n - 0 法计算输送机输送带动力响应的方法。 ( 3 ) 以输送机寿命期内的总费用最低为输送机优化设计的目标。分析带式输 送机托辊间距对功率消耗的影响。研究带式输送机翻转段的设计方法。 ( 4 ) 综合运用图形建模、系统仿真、动态分析与虚拟设计等技术。开发带式 输送机计算及设计分析系统。 ( 5 ) 对目前国内带宽最宽、运量最大的天津港煤炭长廊带式输送机进行静态 设计和动态分析。 8 华北电力大学博十学位论文 第二章输送带的动力学模型 输送带是带式输送机的关键部件，也是决定输送机整机性能的核心部分， 其中输送带的动力特性是带式输送机动态设计和分析的基本问题。 输送带的主要功能是承载与运输物料，这要求它本身要有足够的强度与抗 冲击能力。同时，在输送机整机系统中，输送带的费用约占输送机全部设备费 用的一半，希望能正确掌握输送带的动力特性，在保证安全的前提下尽量降低 输送带的安全系数，以降低输送机成本。因此，输送带设计强度的确定变成了 一个优化问题，问题求解的准确性则依赖于我们对输送带在各种外界条件下行 为特性的了解程度。 以前，由于对输送带在运动状态下的特性缺乏准确的了解，设计时只能采 用静态设计方法，即静强度加安全系数的方法，为提高其可靠性，常取较大的 安全系数，国标安全系数一般取10 【78 1 。随着运送距离的加长、运量的增大、速 度的提高，动应力将明显增加，单纯地依靠提高安全系数已无法解决，迫切要 求对输送带本身动态特性进行深入的研究，为降低成本提高经济性提供可靠的 保障。 2 1 输送带的静动特性 输送带的静动特性实际上就是它的物理特性。 带式输送机所用输送带由带芯和覆盖层两大部分组成。目前，主要有两种 输送带可供选择：一种为整芯输送带，另一种为钢丝绳芯输送带，其覆盖层的 主要成分是各种橡胶和塑料，其特性为粘弹性，力学性能比较丰富，对输送带 特性有明显的影响。带式输送机出现的初期，由于运送长度都不大，输送带在 理论研究中是被作为弹性体甚至是刚体进行处理，研究的结果基本上可以指导 生产实践。当运送距离越来越长时：这种假设与实际情况的差距也越来越大， 有时甚至完全行不通，这时必须考虑覆盖层材料的影响，这使得一种更接近于 输送带本质特性的粘弹性被引入了输送带的数学模型。 2 1 1 输送带的静特性 静特性是指输送带在无限缓慢的外力作用下经无限长时间后所表现出的静 应力与静应变之间的关系，由力学特性可知 e = 导 ( 2 1 ) g 9 第二章输送带的动力学模型 f = c r , a ( 2 2 ) 式中，e 。一输送带静弹性模量； 西一静应力； 乞一静应变； f 一外作用力； 彳一输送带有效横截面积。 在带式输送机计算中，覆盖胶的弹性模量是单位面积上的受力值，如n c m 2 ， 而带芯及输送带整体的弹性模量常用单位宽度上的受力值，如n c m 或 n ( 层c m ) ，这时作用力f 为 f = 吼召或f = o , b z( 2 3 ) 式中，b 一输送带有效宽度： z l 输送带层数。 2 1 2 输送带的动特性 输送带是由橡胶覆盖层与钢丝绳芯或织物芯组成的，它在受到外力作用时， 所表现出的力学特性不仅仅是上面所分析的那一种静力学特性，而且还具有很 复杂的动力特性，即应变不但与应力大小及加载历史有关，还与时间、频率、 温度及材料特性有关，具体表现在： ( 1 ) 应力应变的非线性关系 由图2 1 可见，输送带即使在承受缓慢的拉力作用时，拉力和变形也不完全 服从虎克定律，而是呈现比较明显的非线性特性，其动态弹性模量也不是一个 固定值，而是应力盯的函数，即e d 钡砷。 ( 2 ) 滞后特性 由图2 1 可见，当给输送带施加作用力和减少作用力时的应力应变曲线是不 一致的，即所谓的滞后特性。需要说明的是新输送带滞后特性比旧输送带要严 重，而且还不够稳定。不过经反复施加载荷和卸去载荷后这种滞后现象就会稳 定下来，并出现萨0 ，铲0 现象，见图2 一l 中的虚线。 ( 3 ) 蠕变特性 所谓蠕变特性就是指输送带在所受作用力大小不变时，其伸长与时间有关 的特性，如图2 2 所示，当所研究的输送带较短时，这种特性对启制动过程的影 l o 华北电力大学博士学位论文 响可以忽略不计。 图2 - 1 输送带应力和应变关系 ( 4 ) 松弛特性 图2 - 2 输送带的蠕变特性 松弛特性指输送带拉伸到一定长度后，将其两端固定，输送带应力随时间 变化的关系，如图2 - 3 所示，从图中不难看出应力是按照指数规律衰减的，并且 在一定时间后稳定下来。 ( 5 ) 动态弹性模量 输送带在拉力作用下的变形与拉力大小及其变化频率有关，在一定的频率 五( 一般在2 h z 以下) ，输送带弹性模量与其张力之间的关系如图2 4 所示。 0 |一r 。 图2 - 3 输送带松弛特性 2 2 输送带的数学模型 2 2 1 粘弹性模型 0 f 图2 4 输送带弹性模量与张力 由上面分析可见，输送带的动力特性具有明显的粘弹性特征，所以建立输 送带的动力学模型就是建立相应的粘弹性模型。弹性和粘性是连续介质两种基 本的性质，各在一定条件下独自反映了材料关系的一个方面，理想弹性模型和 理想粘性模型是反映这两种性质的理想模型，通常称为简单模型，输送带的力 学关系可以用这些简单模型的各种组合来构成，又称虎克弹性模型，通常用理 想弹簧表示，如图2 5a ) ，其力学方程为虎克定律。当受单向拉伸时表达式为： 第二章输送带的动力学模型 o r 2 s e n 式中，广弹性体应变； 盯一弹性体应力； 如一弹性体单位宽度弹性模量。 理想粘性模型又称牛顿粘滞体模型，通常用阻尼 器表示，如图2 5b ) ，阻尼器内活塞在粘滞液体中的 移动速度与所受阻力成正比关系，反映了粘性介质内 一点的应力与该点处应变率成正比关系的性质，表达 式为 a )b ) 图2 5 理想粘弹性模型 仃= 驴 ( 2 5 ) 式中，仃粘性体内的应力： 7 广弹性体粘滞系数； 害一应变率。 利用简单模型可以组合成各种复杂模型，从而建立各种材料的力学方程， 但是进一步的研究发现，许多实际材料的性质并不能用简单的组合模型来描述， 而且采用复杂的组合模型又常遇到数学上的困难。 2 2 2 两种粘弹性模型 2 2 2 1m a x w e l l 模型 m a x w e l l 模型又称松弛模型，它是由线性弹簧和阻尼器串联组成，如图2 - 6 a ) 所示，作用在两元件上的应力相同，而总应变为两个元件应变之和，即 占= 占7 + s ”或营= 占+ 叠” ( 2 - 6 ) 式中，占，、s ”分别为线性弹簧和阻尼器的应变。 考虑到线性弹簧有叠= 了o r 和阻尼器有舌”= 旦，则式( 2 6 ) 可以写成 e nr 6 - d r s 。了+ 一 ( 2 - 7 ) e 8 r 、。j 。 式( 2 7 ) 可改为： 盯+ 衍= 刁叠( 2 - 8 ) 1 2 华北电力大学博十学位论文 式中，f = r l e s = 1 6 ，f 一流变常数，万一阻尼系数。 若物体获得初始应变后总应变保持不变，如图2 - 6b ) ，即营= 0 ，式( 2 - 8 ) 成为 仃+ r 6 - = 0 ( 2 9 ) 积分上式，并由初始条件t = 0 ，盯= o r 0 得 盯= o r o e 驯7 = o r o e 一厨 ( 2 1 0 ) 式( 2 1o ) 表示，m a x w e l l 模型在保持总应变不变的条件下，发生应力随时间 衰减的松弛现象，如图2 - 6c ) 所示。 ，羔 予 ：宁 a ) f 占0 d l 盯 d c ) 若物体获得初始应力吼后保持应力不变，即方= 0 式( 2 8 ) 成为 o r o = r g ( 2 - 1 1 ) 上式表明应变率为常数，即应变随时间成比例地增长，因此，变形随时间 无限地发展，即 弘o r p o + 盟 ( 2 1 2 ) 也b r 2 2 2 2k e l v i n 模型 k e l v i n 模型又称非松弛模型，它是由线性弹簧和阻尼器并联组成，如图2 - 7 a ) 所示，两个元件的应变相同，而总的应力为两个应力之和，即 o r = o r + 仃”= e b e + 7 7 叠 ( 2 - 1 3 ) 若在，= 0 时，瞬时地加上应力仃= o r o 并保持不变，则由式( 2 - l3 ) 可得 e s c + r i g = o r o ( 2 1 4 ) 积分上式，得 型模 ew f xam6 - 2 ，图 b 第二章输送带的动力学模理 f = 争( 1 _ e - s t ) 也口 当t - - - 。o 时，应变趋于一个稳定值。 a ) 占 o q e | d 图2 7k e l v i n 模型 b ) ( 2 1 5 ) 2 2 3 输送带动力学模型的确定 根据上面分析可见，k e l v i n 模型可描述物体的蠕变和弹性后效现象，酃突 然卸载时变形不是瞬息消失，而是在一定时间间隔内逐渐减小，在旅加载荷的 瞬间，k e l v i n 模型的初始变形等于零，以后弹簧的伸长受到阻尼器的限制，但 随时间的增加，粘性元件逐渐伸长，使得弹簧也逐渐伸长，直到弹簧的弹性效 应完全发挥出来，所以这种模型能模拟粘性材料对应力的响应，雨不能模拟对 应变的响应，从输送带结构来看，输送带的弹性主要由带芯材料决定，而粘性 基本上由橡胶材料决定，这种模型能反映出带芯和覆盖层橡胶变形致的特征 ( 否则，带芯与橡胶会剥离) 。 而对m a x w e l l 模型来说，当把变形保持定值时，应力逐渐趋