（机械工程专业论文）调速型液力偶合器软启动装置特性的研究.pdf

摘要 带式输送机作为通用机械，在各行各业有着非常广泛的应用，本文通过对调 速液力偶合器作为带式输送机软启动装置进行深入研究，选取适合描述输送带年 弹性体特性的动力学模型，讨论关于模型参数的测定方法，推导出输送带微分方 程、张紧装置数学模型，并结合其它边界条件和初始条件建立了输送机的动力学 模型；参考国内外关于带式输送机起制动过程的分析，描述关于张力波传递的理 论，通过对仿真建立动态模型的计算与实际工作情况对比，得出动态模型理论基 本是正确的，同时初步分析了带式输送机在起制动过程输送带张力传播动态变化 的规律特点，结合带式输送机驱动力学模型，电机的动力特性，偶合器传递力学 特性，说明了调速偶合器软启动控制的要点，对控制系统的方式要求提出建设性 的要点，最后从输送带许用安全系数、输送带实际使用安全系数及输送带强度出 发，论证了采用动态分析技术和调速偶合器作为软启动装置对带式输送机带来的 经济技术方面的价值和经济效益。 关键词：动态分析：启动控制；皮带输送机；动力学模型；液力偶合器 a b s t r a c t a sak i n do fm a c h i n e r y c o n v e y o ra r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r y t h r o u g hc a r e f u l l y s t u d yo rb e l tc o n v e y o rw i t hf l u i df o r c ea n dv e l o c i t y - a d j u s t e da s s e m b l yu s e da s c o n t r o l l a b l es t a r t , t h i sa r t i c l ea d o p t st h ev o g i tm a u i xw h i c hi sf i tt od e s c r i b eb e l l s v i o - e l a s t i cp r o p e r t i e s t h r e et e s t i n gm e m o d sa r ei n t r o d u c 威lt oo b t a i nm o d e l p a r a m e t e r s m a t h e m a t i c a lm o d e l so fs e p a r a t e db e l tm a s s e sa n dt a k e - u pa r ep u t t e d f o r w a r d t a k e 佗f b n m so fa n a l y s i s0 1 1b e l tc o n v e y o rd u r i n gs t a r t i n ga n ds t o p p i n ga t h o m ea n da b r o a d , t h ec o n c q 叶t h a ts t r e s st r a n s f e r ss t e pb ys t e pi sd e s c r i b e di nd e t a i l t a k i n gu s eo fs u c hc o n c e p t , ad y n a m i cm o d e l i n gp r o g r a m w h i c hn l a k e su s e re a s yt o a n a l y z eb e l tc o n v e y o r sd y n a m i cb e h a v i o rd u r i n gs t a r t i n ga n ds t o p p i n g ，i sd e v e l o p e d , a n dt h r o u g hc o m p a r i s o no fr e l a t i v el i t e r a m r e c o n c l u d 鼯t h a tt h em o d e lo fb e l t c o n v e y o re s t a b l i s h e di sc o r r e c ta n dt h ep r o c e d u r eo fm o d e l i n gi sr i g h t a tt h es a m e t i m e t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r so ft e n s i o na n dc o m p r e s s i o nw a v ea r es t u d i e d e l e m e n t a r i l y b yc a r e f u l l ys t u d yu p o nf l u i df o r c ea n dv e l o e i t y - a d i u s t e da s s e m b l y , i n t e g r a t i n gt h eb e l tc o n v e y o rd y n a m i cm o d e l ，ac l o s e - c i r c u l a t i o nc o n t r o ls y s t e m , w h i c hc a l lm a k ei tc o n u o lt h ea c c e l e r a t i o nc h a n g ea sw a n t e dd u r i n gs t a r t i n gi s d e s i g n e d a tl a s t , g r e a ti n f l u e n c e sb r o u g h tb yt a k eu s eo f d y n a m i ca n a l y s i st e c h n o l o g y a n dc o n t r o l l a b l es t a r tt e c h n o l o g ya r eu n d e ra r g u m e n t a t i o nt h r o u g ha n a l y s i so f a l l o w a b l eb e l ts a f e t yf a c t o r , a c t u a lb e l ts a f e t yf a c t o ra n db e l ts t r e n g t h k e yw o r d s ：d y n a m i ca n a l y s i s ，c o n t r o l l a b l es t a r t , b e l tc o n v e y o r , d y n a m i cm o d e l ， f l u i dc o u p l i n g j z 宁工程技零大学工程瑛圭论文 1 绪论 1 i 概遴 带式输送机发展至今己将有1 0 0 余年的历史，1 8 9 2 年t h o m a sr o b i n s 发明了槽 型结构的繁式输送枧，确定了潦代输送枫的基本形式。此后，随着物辩运输量鲍增大， 带式输送巍取得了巨大豹发栽，爨现了大量薪黧绦梅静带式输送馥i ，箕中，其有我表经 的有：火倾角带式输送机、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。现猩，带式输送机己成为冶金、矿山、电站、港口等工业领域奎要的散状物料遴 续运输设蘩，并在长距离、大遮曩、离带速大黧豢焱赣送提方面取缮了匿大款发震，魏 建在西撤嚷拽豹带式输送税，该视线臻总长达l o o k m ，为夔赛之最，设计带速为4 5 影s ； 英国的s e l b y 矿设计带速为8 3 3 m s ；澳大利戴c h a n n 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 、 薮长达4 k m 瓣长距离萤式毒龛送枫和一条l o 弧妖瓣壹线长距襄带式竣送凝掏或。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，特别是大型霹天矿的开发，长躐离、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威用；与此同时，也撼如了更新、更高 教要求：赘在滚是生产戆力黪游握下，絮霪采取蠢效戆疆燕，戮爨藏黛产率、经济效麓 为目的，谶行输送机本身的改造，使之进一步完赣。具体表现在两个方面：一、增加输 送带宽度；纛、提高带速。前者由于受到输送带制嫩厂家的生产限制，经济性不如后者。 于是人们搬鼹光放到了提高带遮上，特别是近几馨，在提高带速上脊了较大的发展。有 关资瓣奔绍；在德国，荣式簸遴钒静爱高带速基怒避1 5 m s 在法嚣，带式赣送穰豹擎 机长度己达到1 5 k m ，设计带遴为8 4 m s ；目前我图带式输送机的最商速度仅为4 5 m s ，而在一贱大型露天矿中，肖的要求设计带遮为6 _ 7 m s ，甚至慰高。显然，我幽 在高速带式输送辊的研究、设计鞠露造领域与世癸先进朱平相差缀犬，因此，开展高速、 辽宁：【程技术大学：f ：徉硕士论文 2 长距离、大功率带式输送机的理论和设计研究己成为未来带式输送机发展的重要方向。 由此也带来了一系列的技术问题。如本文所探讨的可控起动技术问题：在传统设计中， 人们将输送带视作刚体，认为输送机起动时各质点是同时运动的，事实上输送带是一具 有粘弹性特性的粘弹性体，动张力在输送带中的传递需要一定的时间，各质点才能依次 开始运动。在短距离输送机中问题不会太大，但在长距离输送机中，这一段时间如果不 够长，就会丧失输送带与传动滚筒保持正常传动所需的传动比，造成输送带在传动滚筒 上打滑而不能正常起动；同时，起动是一加速过程，动张力的大小在很大程度上取决于 加速度。带速越高、起动时间越短，起动加速度就越大，随之所带来的动张力就越大， 对整个输送机产生巨大的瞬时冲击，造成输送带、接头断裂以及其它元部件的损坏。同 时还需兼顾起动时间不能太长，以免温升过大，烧毁电机。 由此可见，通过对输送机的动态分析，采用合理的可控起动技术，对降低动张力、 安全系数的合理使用、输送带强度等级的选定、降低成本、以及提高系统的可靠性、延 长输送带及其它元部件的使用寿命将会带来非常大的影响。通过本课题的研究，为研制 长距离、高带速、大功率的带式输送机提供可控起动技术方面的理论依据。 1 2 带式输送机可控起动技术研究的状况 带式输送机传统的设计方法是静态设计，把输送带视作刚体，并且在静力学基础上 按静止或匀速运行状态对输送机进行受力分析和参数设计，将动张力以一定系数计入， 用加大安全系数的方法提高设计可靠性，这不仅会使带式输送机的成本提高，还可能引 发起制动过程中较大的输送带动张力及运行过程中的不稳定性，从而导致输送带接头的 失效及传动设备与元部件的振动与损坏。因此，从六十年代末期起，在该项技术比较先 进的国家开始致力于带式输送机的动态设计研究。其中主要成果有：1 9 6 7 年r o b i n s 的 工程师们发展了第一个商用的动念模型；八十年代初期，国际动力学机构完成了该模型 的成果，并在商业上应用了动态分析软件b e l t f l e x ；更深一步的研究工作：粘弹性体 能量方程，接头模型以及钢丝绳芯带和橡胶的疲劳机理币在进行之中。同时，这些理论 辽宁工程技术大学工程硕七论文3 成果己被很好地用于实践之中，如上面提及的澳大利亚c h a n n a r 铁矿长距离输送机，由 于减少了动张力，从而降低了输送带强度等级，其许用安全系数从6 7 降到5 0 ，每 年可节省营运费用1 0 ，同时经过多年的安全运行证明系统是可靠、安全的。 我国在这方面的研究工作开展较晚，虽然在理论上有了一定的研究，但与实践还有 一定的距离。 带式输送机的起动方式，最初国外普遍采用电动机一减速机相连直接起动。这种方 式虽然价格低廉、结构简单而且便于维护，但存在着起动力矩与起动加速度不可控、起 动电流大等缺点，起动时有强烈冲击并可能引起输送带与传动滚筒间的打滑。对于多滚 筒驱动情况，很难调整各电机的负荷分配。因此，八十年代初期国内开始研究实施可控 起动来改善带式输送机的起动性能。现今，带式输送机可控起动一般可分为电气调速起 动与机械调速起动两大类。目前国内外常用的可控起动装置有以下几种。 ( 1 ) 差动轮系液粘调速装置( c s t ) 差动轮系液粘调速装置( c s t 是利用油膜的动力粘性，通过调节离合片之间的油压 来调节输出轴的转速，来达到输送机的可控起动。优点是可控起动性能较好，可以变速 运行，缺点是控制复杂，使用要求较高，对油的粘度和清洁度要求特别高，产品依赖进 口，价格昂贵，使用过程中的备品备件也必须进口。 ( 2 ) 变频控制装置 变频控制装置的优点是可控起动性能较好，可以变速运行，调速范围大。电动机能 满载起动；缺点是防爆控制复杂，价格昂贵。 ( 3 ) 液力调速装置 液力调速装置是通过控制偶合器内部工作腔的充液量来改变输出轴的转速和转矩， 达到输送机可控起动。优点是运行可靠，结构简单，操作维护方便，价格低廉；缺点是 调速精度没有前两种高，在低速段效率较低，但完全能满足带式输送机可控起动的要求。 由于我国目前管理水平、技术水平以及经济承受能力较低，在此情况下采用差动轮 系液粘调速装置在技术管理、同常维护、经济承受能力等方面都存在一定的困难，而采 辽宁下程技术大学工程硕士论文4 用变频控制装置则防爆控制复杂，价格也较高，因而采用液力调速装置，并在此基础上 结合自动控制以提高调速精度，在技术与经济上都是可行的。 1 3 研究工作的内容 论文的研究分为四个部分： ( 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 ) 根据张力波逐段传递的理念求解动力学模型；讨论设计开发输送机的动态分析 程序的要点，并分析在各种不同的激励下输送机的响应，以了解输送机在起动过程中的 动态行为及膨胀波和压缩波的传递特性。 ( 3 ) 由于原液力调速装置的起动过程还不是真正上的可控起动，因此，在具体分析 液力调速装置特性的基础上讨论设计一套闭环控制系统的可能性，以为将来研制真正意 义上的可控起动液力调速装置提供理论上的支持。 “) 通过输送带许用安全系数、输送带强度等级或是在输送机设计参数不变的情况 下输送带实际使用安全系数的变化来分析采用动态分析及可控起动技术对输送机经济、 技术方面所带来的实用价值。 辽j t j ：程技术夫学：1 ：程硕士论文 5 2 带式输送机动力学模型 带式输送机由输送带( 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 输送带动力学模型的选取 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。 ( 1 ) 输送带动力学特性 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复杂的力学特性， 应力、应变的非线性 输送带在承受拉力时，拉力和变形之问的关系不完全遵从虎克定律、而呈现非线性 关系。 蠕变特性 辽宁工程技术大学工程硕士论文 6 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，随着作用力的延长，输送带的 应变不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。 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。 粘性滞后特性 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一应变三线不重合，这 一现象说明输送带具有明显的粘弹性。 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，还与张力的变化速度 有关。 上述输送带的力学特胜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，应力和应变相互问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。 ( 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 - 1 所示，带式输送机动力特性的力学模型 辽宁工程技术丈学工程硕士论文 7 e 一圳v l 一 图2 - i带式输送机动力特性的力学模型 图中：e ，e l ，e 2 。e 3 弹性模量 f i ，i i i ，n 2 ，t 1 3 一粘性系数 ( a )单一弹性元件 ( b )m a x w e l l 模型 ( c )v o g i t 模型 l1 = 一0 + 一o er i 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。 从以上各种模型的方程式中可以看出，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； 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 输送带的动念特性，另外这种模型的参数比较容易测定，更实用。在大功率输送机中， 卜 o m 一 辽宁1 程技术大学工程硕士论文 8 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，- i p a 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，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，不具备实用价值；另外，工程应运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，宜采用v o g i t 模型来加以阐述和分析，这与带式 输送机动态理论的通用观点是一致的。 2 2 v o g i t 模型参数的确定 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r i ，该模型参数的测试 方法简述如下： ( 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。 ( 2 ) 动拉f j 测试方 这种方法的原理是把输送带试样看成是一个由弹簧、阻尼器、质量组成的等效系统， 在其上施加正弦交变激励，使其作强迫振动，根据记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输送 带的受力情况。 ( 3 ) 波动测试方法 根据弹性波在输送带中传播速度来间接测定输送带弹性模量的方法叫作波动法。将 输送带试样看成是弹性杆件，应力波沿其纵向的传播速度与杆件的弹性模量e 和密度p 的关系为：c = 、：西石 辽宁工程技术人学：r 程硕七论文9 这表明，如果测得了弹性波的传播速度，即可求得杆件的弹性模量。 综合比较以上三种测试方法，自由振动法的特点是由于输送带的拉伸特性极其复 杂，在很大程度上与时间有关，因此应对同一试样经过多次测试，方可确定其粘弹性特 性参数。另外由于每次测试结果可能相差很大，所以处理上比较麻烦。对于新的输送带 试样，还应在反复加载一段时间以后再进行测试。波动测试方法仅能测得输送带的弹性 模量，很难测得其阻尼系数。另外由于张力波的速度较高，因此，试样的长度要长一些， 尤其是钢丝绳芯带，否则测试精度会下降。动拉伸测试方法需在动态试验机上完成。这 种方法已制定了国际标准，由于其加载特征，即加载频率、幅值和时间的延续性作了规 定，所以能较好地模拟输送带实际工况和消除输送带永久变形的影响，因而被广泛采用。 本文中的数值按参考的实验数值加以引用。 2 3 输送带回转系统动力学模型的说明 在构造输送带回转系统的动力学模型之前，对输送机作如下假设： a 输送带横向振动不予考虑； b 输送带回转系统近似看作一维的粘弹性杆件； c 输送物料沿输送带长度方向均匀分布； d 有载和无载分支的托辊转动部分的等效质量沿着各自输送分支的长度方向均 匀分布； e 输送机的主要运行阻力沿着输送带长度方向均匀分布； f 除输送带外其它部件均视为刚体； g 不考虑过渡圆弧段的影响，倾斜布置的输送机通过载荷等效处理，近似作为 水平直线运行的输送机进行动态分析： h 考虑到实际处理过程的复杂性，将输送带的动态弹性模量视为常量。 输送带回转系统事实上是一个连续的介质体，根据假设条件，可近似看作一维的粘 弹性体来考虑，建立其动力学数学模型。 辽宁工程技术大学工程硕士论文 1 0 首先，就其所受的运动阻力进行分析。 输送带在运行过程中承受的阻力可分为主要阻力和附加阻力。 主要阻力 由于输送带纵横方向的刚度都是有限的，因此，运动过程中输送带将在托辊之间产 生变形、悬垂和槽形变缓( 曲率变小) ，并且大约在跨度中间曲三达到最小值。输送带 变形时将产生能量损失，而损失的这部分能量可用一个等效力来表示。输送带上的松散 物料随着输送带的变形同样产生了的变形。由于物料变形引起不可逆变的能量损失，因 此还有一个等效阻力，即物料的变形阻力。这两个阻力的大小，决定于所有与输送带变 形有关的因素：输送带的张力和单位载荷、托辊间距、输送带的运动速度、侧托辊的倾 角、输送带纵横方向的刚度等等。 除了输送带和物料的变形阻力以外，还有两个阻力：托辊组的旋转阻力和托辊与输 送带下覆盖胶的压陷阻力。 上述各阻力之和即是输送带沿托辊组运动时的主要阻力。根据试验数据，可以确定 主要阻力系数和各分阻力系数。当运输煤、矿石和岩石这类松散物料时，各分阻力系数 大致的比例为：物料变形阻力占3 0 - 4 0 ：输送带变形阻力占l o 一2 0 ；旋转阻力 占2 0 一2 5 ；压陷阻力占2 0 - 5 0 。 上述分配比例是粗略的，根据具体情况确定这些系数时，要考虑下列因素：物料的 物理机械性质、输送机长度、单位载荷、输送带速度、输送机倾角等等。除了这些因素 以外，输送机的使用条件、安装质量和环境温度对阻力系数也有影响。 附加阻力 除了主要运行阻力以外，输送机上还存在各种附加阻力。其中主要的有：转向或改 向滚简的阻力、装料点阻力、曲线段阻力。 另外，还有其它一些阻力，如：清扫装置的阻力、调心托辊的阻力，卸料装置的阻 力和其它装置的阻力，但是这些阻力在总阻力中所占的比例很小。要精确地确定阻力系 数，其过程非常繁琐，通常，在计算过程中一般采用经验值( 经实践和试验所得) 。 辽宁工程技术大学：l j 翻页七论文 表2 1 为输送机装满系数为0 7 一1 1 时的f 值 表2 - 1 输送机装满系数为0 7 - 1 1 时的f 值 输送机f 作条件总模拟阻力系数f 电动机是拖动工况，水平、向上和微下坡的带式输送机；有利作业条 0 0 1 7 件；设备调整得好、托辊转速慢、物料内摩擦小、输送带速度低 按标准衡量，设备安装调整得一般，在一般条件下运行 0 0 2 超载、输送带速度高 0 0 2 3 一o 0 2 7 大坡度f 运输送机( 电机为制动工况) 0 0 1 2 0 0 1 6 确定输送带回转系统连续模型的动力学运动方程如下： m 。x j ( t ) = k x h ( t ) - x ( t ) + u o ( i ) + c 。【x 卜i ( t ) 一x ，( t ) 一 k i ii x 。( t ) 一x 。( t ) + u 。( i + 1 ) - c 。 x l ( t ) 一x 。，( t ) 一w 第i 单元张力可表示为： 式中：k 。一微元段刚度系数； c ，一微元段阻尼系数； m ，一单元质量。 2 4 输送机起动过程分析 带式输送机起动i ； 的静张力图有两种形式：在可控起动的情况下，当作用于驱动滚 筒轴上的驱动力矩小于负载时，输送机不运动，输送带被逐渐张紧，直到驱动力矩大于 负载，输送机才起动。因此，在该种情况下其起动前张力图是确定的，各点的张力值与 稳定运行时相同，若输送机直接起动，则静张力图是不确定的，各点的张力介于预张力 与稳定运行时各点张力值之间。因此，本课题主要就在输送机可控起动的情况下进行分 析。 辽宁工程技术大学一 程硕士论文 1 2 作用在驱动滚筒上的驱动力使驱动滚筒受力不平衡，其导致驱动滚筒的速度在t 时 问内从0 增加到v ，而临近的输送带单元在6 t 时间内还未起动。结果导致上部与驱动 滚筒临近的弹簧被拉伸；下部与驱动滚筒相临近的弹簧被压缩，其它位置处弹簧的长度 保持不变：弹簧长度的变化引起张力的变化。由于只是一边的张力发生变化，因此使得 临近驱动滚筒的输送带单元受力不平衡，结果使得该处单元运动，于是其后与该单元临 近的单元亦因受力不平衡而产生运动，依次类推，其最终结果是由于力的不平衡产生了 沿着输送带传播的张力波，即沿着承载段传播的膨胀波和沿着回程段传播的压缩波。需 要注意的是，如果压缩波的值大于其所经过区域的输送带的张力值，此区域的张力虽然 不会为负，但将变得很小，且产生巨大的挠度。破坏性的动态 以上分析说明了张力波在起制动过程中是逐段传递的，同时也论证了张紧装置对张 力波传递特性的影响是不可忽略的。如果不注意对张紧装置处的合理处理，必将影响模 型求解的精确性。其后的输送机动态仿真正是基于该种分析之上。 辽宁：明翌技术人学1 ：程硕士论文1 3 3 液力调速装置特性分析及控制系统的设计 带式输送机的可控驱动装置一般由电机、液力调速装置、减速箱等所组成。带有液 力调速装置的驱动装置在微机系统控制下可使输送机实现慢速可控起动。起动时液力偶 合器不充油，电机带着泵轮空载起动，起动电流小，不会对电网造成冲击。在电机转速 恒定的情况下，液力偶合器可以通过改变勺管位置来改变泵轮和涡轮流道内的充液量， 从而控制涡轮轴的转速和输出转矩。控制勺管拉出或插入的速度，即可控制起动的加速 度，实现输送机的可控起动，减小输送带的动张力。 3 1 异步鼠笼电机的输出特性 异步鼠笼电机的输出特性函数其机械特性曲线如图3 1 所示。 图3 - 1 异步鼠笼电机机械特性曲线 3 2 液力偶合器特性分析 ( 1 ) 液力偶合器的分类 液力偶合器是一种应用很广的通用传动元件，簧于动力机和工作机之间，传递两者 的动力。其特性有改善起动性能、过载保护、对载荷的自动适应等。液力偶合器按其应 ；、； 户i j 一 i二 辽宁工程技术大学工程硕士论文 1 4 用性能可分为三个基本类型：普通型、限矩型和调速型。普通型偶合器结构简单，除工 作腔外无任何限矩、调速等结构措施。腔体中有效容积大，故传动效率高。其最大转差 率时的力矩可达额定力矩的6 - 7 倍，甚至高达2 0 倍。因之过载系数大，过载保护性 能差。多用于不需要过载保护与调速的传动系统中，起隔离扭振和减缓冲击的作用。 普通型液力偶合器由于过载系数大，使之在许多设备上无法应用：为了有效地保护 动力机不过载，要求液力偶合器在任何工况下的力矩均不得大于动力机最大力矩。因此 必须采取措施来限制低速时力矩的升高。常采用的结构措施有设置辅助腔、采取多角形 工作腔和在泵轮、涡轮间加设挡板等多种方式。其中应用最多的是设置辅助腔，此种方 式是依靠减少工作腔充液量的办法来限制液力偶合器的传递力矩，其能量消耗较少。在 泵轮、涡轮之间加设挡板常作为辅助限矩方式来应用。常用的限矩型液力偶合器有静压 泄液式和动压泄液式两种结构。 调速型液力偶合器是在输入转速不变的情况下，通过调节工作腔的充液量来改变输 出转速，同时调节力矩，充液量的调节是在运行中进行的。普通型和限矩型液力偶合器 均是在运转之前，按传递功率的大小充入适量的工作液体：由于通常是在额定工况下运 转的，：转差率较小，发热量亦小，靠自身冷却即可满足散热要求。调速型液力偶合器则 j。 不同，4 由于输出转速调节幅度大和传递功宜较大，故需要有工作液体的外循环和冷却系 统，使工作液体不断地进、出工作腔，以散逸热量和调节工作腔充液量。 假定液力偶合器工作腔的充液量为q ，欲使其有q 的变化量，则需使工作腔的 进、出口流量q l 和q 2 不相等，即： q = x t ( q 卜q 2 ) 式o p a t 是调节时间。若使出口流量q 保持不变，改变进口流量，则为进口调节；若使 进口流量q l 保持不变，改变出口流量，则为出口调节；若阅对改变进、出口流量q l q 2 ，则为复合调节。以上三种调节是常用的方式： ( 2 ) 液力偶合器特性参数 液力偶合器的性能可由特性参数来评价。 辽宁工程技术大学i ：程硕士论文 1 5 ( 3 ) 特性参数： 力矩 在忽略轴承摩擦损失等条件下，涡轮力矩与泵轮力矩相等。 转速比 转速比用以表示液力偶合器运转工况。i = 0 为零速工况，若在该工况前液力偶合 器静止未动，则称为起动工况；若在该工况前液力偶合器在运转，则称为制动工况。 转差率 s = ( 卜i ) 1 0 0 转差率除了表明相对转速的大小以外，同时也表明功率损失的大小。通常普通型与 调速型液力偶合器的额定转差率s 小于3 ；限矩型液力偶合器的额定转差率s 小于 4 。 泵轮力矩系数 是评价液力元件能容大小的参数，是液力偶合器的重要技术指标，值高说明液力偶 合器的能容高，性能好，并表明腔型好，其大小由测定出的泵轮力矩经计算得出。 效率 液力偶合器效率与其转速比相等( 在忽略轴承等功率损失的情况下) ，这是液力偶 合器的重要特点之一：因此，通常使之在高转速比下运转以获得高效率。 ( 4 ) 外特性： a 外特性表示液力偶合器在牵引工况下的力矩、效率与输出转速的关系。通常外特 性是指在液力偶合器最大充液率下的输出特性，即表明液力偶合器在各工况下的最大传 递力矩能力。 b 原始特性 原始特性表示力矩系数及效率与转速比的关系，通常原始特性是指在液力偶合器最 大充液率下的特性表现。同一系列的液力偶合器具有相同的原始特性。原始特性用于不 同系列的不同规格液力偶合器的相互比较，以鉴别性能优劣，并通过原始特性知道液力 辽宁工稷技零久学l ：程硬论文 1 6 偶合器的飙它特性。对于影响液力偶合器特性的盘鼹有腔型、叶片倾角、工作液体的温 度、转速藏、充液率等因素。 3 3 液力调速装置起动过褪分辑 通常情况下，在起动过程中液力调速装置的充液率是通过电动执行器按照预定的控 制函数控制勺管的开度，使其从0 - 1 0 0 匀速增加。在起动过程中，如果电视的机械特 往夔线滋鞍擎缓，粼泵轮静转遮近程灸不交。蘩轮力矩系数| 戆蓬鑫l 瓣辩豹充滚率及转速 比所决定。 3 4 可控起动装置的设计 通常，液力调速装簧鬻僚带式输送机静胃控怒动装甏，其起动_ 遭稷魏下：在起动时 间o - t 内，摇臂与水平轴的夹角匀速增大，由此带幼勺管水平运动，使充液率逐渐增加， 其最终的结果周然可以起到慢速起动、降低动张力的作用，但由于瞬时负载、转速比的 不确定瞧，馒我农不能霹起动遵搽孛懿热速度弱大套作出蘩叛，叛傻蔟控键在诲霹熬范 围内；嗣时，也不能根据所需骚的加速度曲线来撩铆输送祝的起动，达到真正意义上的 ， 可控起动。为了提高液力调遴装溉的起动性能，按网3 2 设计控制系统。 辽宁：l ：程技术大学工程硪士论文 1 7 加避蠼忙缱孚 l 1 l 厂七士击士 藏涮t 簪i l 南 l 幢教鹕琏器1 4 。) l 警肄挑 i 裢煞骖逢襄! ； l 审 t 破器 l “一1 一_ 书? 电一i 纠睚器 可j ；蔓置厚理圈 嚣p 2 所设计的控制系统中包含的仪器有：单片机、数模转换器( d a ) 、模数转换器 ( a d ) 、运救器、健感器敦电液眈例阀等。 3 。4 。1 系统的组成 ( 1 ) 单片机 所谓单片机建指在一块硅辟上集成了中央鲶理器( c p u ) 、随祝存储器( r 枷) 、 程序存镶器( r o 鹾或e p r o m ) ，定时器以及各种输入输滋 辽宁= 瑕技术太学工程硬七论文 1 8 ( i o ) 接口，也就是集成在一块芯片上的计算机，其具有如下优点：体积小、重量轻、 电源单一、功耗低、功熊强、价格低、布线短、合理；抗干扰能力强，阿靠性岗。通常， 莱翅汇编语言豫为萃冀辊懿程序设诗语京，这释语言魄较壹麓，秀置容易记忆藕检查。 单片机由于i 0 线多，位指令拳富，逻辑操作能力强，特别适用于实时控制。 当前流行的通用单片机系列有m c s - 4 8 单片机系列、m c s - 5 1 单片机系列、2 8 单片 撬系列一萃筹撬聚列等，箕孛，m c s - 5 1 攀舞视羝烈豹8 0 3 1 萃片槐，毒于其不仅存褚容 爨、接阴数量与种类都比8 0 4 8 强以外，且指令系统的功能也加强了许多，尤其是位寻 址能力增强；另外，增加了乘法指令，加强了数据处理能力，增加了一个全双串行1 0 叠，其有多梳暹谖赘控镧动能，西瑟，本系统的萃背辊掺采掰m c s 一5 1 系列静8 0 3 1 。 ( 2 ) 模数( a d ) ， 在掇制系统中，需要对起动过程中的参数( 电机的输出速魔、驱动滚筒的速度、加 速度、勺管豹位移) 透露测量耧控制。褥被控对象戆参数往往怒连续交纯鹣携耀量。掰 谓连续量，是指时间变化连续和数值变化连续。通常连续量也称为模拟爨。模拟量只鸯 转换成二进制数码表示的数字爨才能送刹计算机中去进行算术和逻辑送算。相反，计算 撬运算煞数字塞结果逛炎：毒转换残模撂鬟芽笈去控裁鞠瘦戆霹象。萼孥模羧蠢转换爻数字 擞的器件称为模数( a d ) 转换器，将数字量转换成模拟量的器件称为数模( d a ) 转换器：模数( a d ) 转换器，实现( a d ) 转换的方法很多，最常用的有积分方式和 逐次遥l 麓方式。积分方式静( a d ) 转抉精度意，撬予拣貔秀强，毽透霾橙，主要霉予 数字式仪表中：逐次逼邋方式的周d 转换由于精度高、转换速度快，是计算机中应用最 多的一种( a d ) 转换方法。其主要技术指标有： 分辨率 分辨率反映( a d ) 转换器对输入微小变化响应的熊力，通常用数字输出最低有效 位( l s b ) 所对应的模拟输入的电压值寝示。 转换穗度 精度有绝对精度和相对精度两种表示方法：在一个转换器中，对应于一个数字量的 辽宁工程技术犬学工程硕士论文 1 9 实际模拟输入毫压和理憨戆摸羧毒| 蠡入毫愿之阕懿差黪最大篷定义为“绝对误麓”；丽在 凝个转换范潲内，任一数字量昕对应的横拟输入量的实际值与理论值之差称为“相对误 麓”。 转换嚣孪闼霍转换速率 转换时间是指完成一次( a d ) 转换所需的时间：转换时间的倒数称为转换速率。 瞧缀灵敏度 电源灵敏度是指( a d ) 转换芯片供电电源的电压发生变化时，产生的转换误差。 ( 3 ) 数模( d a ) 转换器 ( d 瓶) 转换器戆终麓是将二逶涮豹数字量转换为稳应静攘羧爨：( d 矗) 转换器 的主要部件是电阻开关网络，其主要网络形式有权电阻网络和t 烈电阻网络等。( d a ) 转换器的主娶技术指标有； 分辨攀 分辨率是指( d a ) 转换器所能分辨最小的量化信号的能力，这是对微小输入量的 敏感程度戆掇遮。 绝对精度 指对应予绘定的满亥度数字量，( d a ) 转换嚣寰际输出僮冀理论筐之游瓣误差。 相对精度 指在满刻度已校准的情况下，在整个刻度范围内，对应于任一数码的模拟鬣输出与 密豹瑾论篷乏簇。 建立时间 指数据变化量是满刻发拜重，达到终傻士l 2l s b 葬重所需鲍时阕。e 、瀵瘦系数在 觏定的范围内，对应于每窝化l 时，增益、线性液、零点及偏移等参数的变化量。 溉度系数直接影响着转换精度。 赣赉魄擎 不同型号的d a 转换器件的输出电平相差较大。 辽宁j 【纛技零天学 ：翟颈士论文 工作温度范围 由予正作温度会对运算放大器和电阻等产生影响，所以只有在一定的温度范围。才 能保涯鬏定壤度撂据。较黟豹转换器工俸瀣度藏溺在一秘一8 5 乏瓣。 3 4 。2 控制原理 负值，( 输出负电压) ，通过变换放大器，获得电流i k 驱动电液比例阀阀芯移动， 使进入酒敝的液体的流量和方向均发生变化，从褥使液压缸产生运动，其最终结果使勺 案豹并发褥戳改交，获瑟毅变液力疆含器静充滚率；在魏过程孛，泼藤皴魏位移逶遘毯 移传感器不断地传递到单片机巾，当其位移与所需要的值相等时，单片机的输出电压为 零。依此炎推，逐步完成带式输送机的起动。在带有预起动的情况下，q o 一般为1 5 左右。 扶以上分拆可孩发瑷，蠢予电视豹速度、驱动滚蔼静速痉、麴速度、液疆缸豹位移 不断地通过传感器传入到单片机中，因此，可根据实际的工况及所需殿的值来不断地调 节液力偶食器的充液率，实现寅时控制，达到真藏意义上的可控起动。 系统戆设计中嚣注意采样频攀小予毫滚毙铡翊懿响应频率。 辽宁= l 二鬏技术天学王程颈论文 4 带式输送机动态仿真研究 在藏瑟戆章苓孛重点分掇及燕导7 豢畜耋镳张紧装萋夔埝送撬豹漤力学摸鼙，嚣 此，本文亦采用该种模型进行带式输送机动态仿冀。 4 1 仿真稷序的编制 该程序应建立在v o g i t 横型盼基础上，把输邀带在长度方向上离数成一系列集中质 量，稳舔豹集中覆量之楚錾势联戆弹簧纛疆霆嚣穰连，麓藏蓄尾稳逡躲凌合嚣。 考虑别弹性波以膨胀波和厩缩波的形式传播，因此，在处理过程巾也分别按照膨胀 波引起的响应和压缩波引起的响应分别加以计算，最后，将二者引越的响应进行合并， 以观察综会响应。 1 ) 攀煎长度豹翔分 单元长度的大小直接影响了动态分析的计算速度、精度，对予长楚千米的输送机， 倘若单元划分过细，那么不仪计算量成倍的上升，而且导致计算机内存不足，使计算无 法迸纾。隧l | ：，攀元菇分懿好环辩动态分拆褪当熬要，在姥愿烈上要求：在瀵足工程糖 度的静撼下，应尽可能减少单元数，傻计算速魔鸯羁快，所需内存减少，以便日后诙系统 、 在内存较小的p c 机上亦能运行。各单元的大小威尽可能一致或相差不大，以防由于单 元大小差躐过大造成计算结果发散。对于输送长发为千米，p c 内存为3 2 兆，单元长度 最鳄取笼4 0 寒左右。 ( 2 ) 时间步长的确定 假设弹性波也是离散为n 个波段，设在第l 时刻初，第n 个弹性波刚传递到第k 单 元头部，经过么t 后，该波段将离丽又未离开第k 单元尾部：时间步长如此确定是出 于逐段驱渤理论豹需要，魏莱瓣秘多长取褥过大，臻篌张力渡逐段蕊遴鹁理念不藏立， 最终导致计算结果发散；如敬得过小，将使计算爨太大增加，降低计算效率。 ( 3 ) 微冗段的处理 微元段的处理包括各微元段的扔始张力、扔娥变形、剐度系数釉陬惩系数的确定： 辽宁 ：瑕技术大学王提硬女论文 ( 4 ) 数学模型的转化 在编写这个子程序中，应以一系列的数组采表示由膨胀波和压缩波引起的响应：逮 发、燕速度、张力，位移、交形。筵串需注意麓瑟掰撬及酌张紧装置鲶兹薤毽； ( 5 ) 驱动装置的折算质量 驱动装置的折算质擐( 即驱动单元的质量) 的大小赢接影响到输送机在起动过程中 趣速瘦酌丈夺，因范，妊须黠其进行耱确静诗冀：所需豹各个装藿赘飞轮矩蘧过对话获 得，然殿按力学公式进褥计算累加。 ( 6 ) 驱动滚筒加速度计算 驱麓滚篱豹麓速度萄分碧三释情凌： 自定义的加速度 一般取特殊的加速度形式，如正弦加速度曲线、斜坡加速度曲线、梯形加速度曲线， 该释匆叠遮度兹线涵数静铽褥表拳磁较容易取褥。 实测的加速度曲线 实测的加速度曲线通常是由许多离散的点所组成，因此，需通过对话框获得部分离 ， 数点熬傻，然君攀l 矮数鬣分拆串豹整线攒台方法褥鬟热速度熬数学表达式，最终黻鼗鹃 加以表永。 根据动态模拟结果所得的加速度 获褥该耱攘速覆懿_ 迤程院较复杂，鬟龟含魏下氕耱处理嚣数；泵轮力矩系数 泵轮力矩系数是充液率与速比的函数，充液率不同、速比不同，泵轮力矩系数也棚 应地发生改变。幽于在起动过程中液力偶合器的充液率是从1 0 - 1 5 畏歼始逐渐增加的， 翔对，逮迸氇是不荻交纯戆，嚣魏需要焱遂不爨充液率下熬泵轮力短系数丞数，嚣逶鬻 我们所能获得的只是最犬充液率下的泵轮力矩系数函数。因此，需进行如下的处理： a 、通过曲线拟合获得最大充液率下的泵轮力矩系数函数，根据在相同的速比下， 聚轮力矩系数与突滚率袋聂毙戆缳理获褥不嗣态渡率下豹泵轮力矩系数数学模瀣，劳虢 代码表示。 辽宁一裁技术天学王程硬：扣论文 b 、根据究液率实际的变化规律缮到充渡攀变化的数学模型。 c 、根据静面所提及的数学方法获取作用于驱动滚筒轴上的驱动力矩。 d 、裰据动态计算络采获褥涡轮输滋喜蠢静赛对转速，将箕每泵轮豹转运襁簿得到灞 轮与泵轮的速比。 e 、综合不同充液率下的浆轮力矩系数函数、充激率变化规律及瞬时的速比得到瞬 时熬泵轮力矩系数。 霪复步骤。c _ e ，最终得到驱动滚筒在整个起动过程中的长速度。 7