串联盘式管道输送机动态设计及其实验研究论文.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 串联盘式管道输送机的动态设计及其实验研究 姓名：王庭臣 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：栾丽君;刘东才 20060301 辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 散状物料输送机械是起重运输机械中广泛应用的一种形式。为了适应运输不同 种类、不同块度及不同湿度物料的需要，以及满足不同输送场地、不同环保的要 求，国内外已经开发了许多种类的连续输送设备，串联盘式管道连续输送机是一 种新型的散料输送设备，它能满足对环境要求很高的输送任务，而且所占空间小， 效率高，运输成本低：它解决了粉体机械输送中重质粉料远距离输送的难题。 对串联盘式管道连续输送机输送系统进行了动力学及运动学分析以实现其动 态化设计。对传动系统进行了初步优化设计，确定驱动轮齿数的合适范围为5 8 。 利用离散化的方法建立了串联盘式管道连续输送机传动系统的动力学模型； 确定了串联盘式管道连续输送机传动系统是一个小阻尼振动系统，将传动系统的 非线性阻尼系统简化为线性阻尼，并被实验证明在一定的误差范围是可行的；串 联盘式管道连续输送机传动系统有载荷运行时是一个变阻尼、变输入力的非线性 系统，且物料的运行阻力在单元的不同振动方向上取值不同，很难用现有的解析方 法进行求解，本文创造了一种分步加载的渐进方法进行求解。 对串联盘式管道连续输送机进行了实验研究。对测试信号进行分析计算，从 振动试验结果可以看出，为了防止共振的发生，在计算驱动系统转频时，应考虑 驱动轮齿数的影响。 关键词动态优化设计；实验研究；串联盘式管道连续输送机：非线性。 望宝兰壁垫盎盎茎塑鲎焦迨盍 一 塾 a b s t r a c t s c a t t e r e dm a t e r i a l c o n v e y i n gm a c h i n e r yi s o n ei m p o r t a n tc o m p o s i n gp a r to f e l e v a t i n gm a c h i n e r y i no r d e rt o m e e ta n d t r a n s p o r td i f f e r e n tk i n d s , d i f f e r e n t l u m p i n e s s e da n dd i f f e r e n th u m i d i t i l ym a t e r i a l sd e m a n d ，a n di no r d e rt os e n dt o d i f f e r e n t t r a n s p o r t a t i o n sp l a c ea n dm e e td i f f e r e n tr e q u i r e m e n tf o re n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n s ，al o to fk i n d so fc o n t i n u o u sc o n v e y e re q u i p m e n th a v ea l r e a d yd e v e l o p e d b o t ha th o m ea n da b r o a d t h ec o n t i n u o u sc o n v e y e ro fd i s c - t u b ea s s e m b l yi san e w t y p e - o fs c a r e r e dm a t e r i a lc o n v e y i n gm a c h i n e r y i tm e e t st h et r a n s p o r tt a s ko fh a v i n g v e r yh i g he x p e c m f i o n sf o re n v k o n m e n t a n dt h ef l o o rs p a c ei ss m a l l ，w i t hh i g h e f f i c i e n c ya n dl o wc o s t st ot r a n s p o r t i ts o l v e st h ed i f f i c u l tp r o b l e mt h a th e a v yp o w d e r m a t e r i a lt r a n s p o r tt of a rd i s t a n c ei nt h et r a n s p o r t a t i o no f p o w d e r - b o d ym a c h i n e r y ih a v es e tu pt h ed y n a m i c sm o d e lo ft h ec o n v e y e rt r a n s m i s s i o nb yu s i n gt h e s c a t t e r e dm e t h o d , a n dh a v ec o n f i r m e dt h a tt h ec o n v e y e rt r a n s m i s s i o ni sal i t t l ed a m p i n g v i b r a t i o ns y s t e m ，a n ds i m p l i f yt h en o n l i n e a rd a m p i n gs y s t e mo f t h et r a n s m i s s i o ni t st h e l i n e a rs y s t e m ，w h i c hi sp r o v e di ti sf e a s i b l eo nc e r t a i ne r i o rr a n g eb yt h ee x p e r i m e n t i te s t a b l i s h e st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no f t h ep r o d u c t s ih a v ed e s i g nm e c h a n i c se x p e r i m e n t , m o d ee x p e r i m e n ta n dv i b r a t i o n t e s t i n g e x p e r i m e n t a lp r o v i s i o no ft r a n s m i s s i o no ft h ec o n v e y e r i ta l s oc a l lb ef o u n do u tf r o m t h er e s u l to ft h et e s to fv i b r a t i o n , i no r d e rt op r e v e n tr e s o n a n c e ，w h i l ec a l c u l a t i n gt h e r o t a t i n gf r e q u e n to fd r i v i n gs y s t e m , s h o u l dc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ft h et e e t ho ft h e d r i v ew h e e l k e yw o r d ：t h ec o n t i n u o u sc o n v e y e ro f d i s c - r o b ea s s e m b l y ；d y n 舡n i co p t i m i z a t i o n d e s i g n ；e x p e r i m e n ts t u d y ；n o n l i n e a rd a m p i n g 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 1 绪论 l _ 1 选题的目的及意义 1 1 1 输送机1 , 1 0 】 散状物料输送机械是起重运输机械中广泛应用的一种形式。广泛应 用在港口、发电厂、冶金厂、水泥厂、粮食、化工等行业，主要用于运 输煤炭、矿石、水泥、粮食、药品、化肥、药粉及碳黑等。它一般由单 机或系统组成。散状物料运输机械系统通常由远距离运输、转载、挖取、 堆积等设备构成，为了适应运输不同种类、不同块度及不同湿度物料的 需要，以及满足不同输送场地、不同环保的要求，国内外已经开发了许 多种类的连续输送设备，其中运输散状物料的机械主要有普通带式输送 机、管式胶带输送机、气垫带式输送机、螺旋输送机、气力输送机、刮 板输送机、埋刮板输送机等。各种输送机有自己的优点，同时也有它的 缺陷。这些传统运输设备有的污染环境，有的振动强烈、产生很大的噪 声，有的生产效率低、能耗大。例如：胶带输送机和气垫带式输送机具 有输送物料种类广泛、输送能力范围大等优点，但它输送的物料暴露在 空气中，给环境造成较大的污染；管式胶带输送机能解决污染环境的问 题，但它的运输成本较高：刮板输送机和埋刮板输送机输送物料种类广 泛，能适应较恶劣的环境，但它的噪声大、振动强烈、效率低。螺旋输 送机能满足运输散料及粉料要求，不污染环境，但螺旋输送机的运输能 力低，输送距离小，适应地形的能力差。 目前，很多的粉体输送采用气体输送机。气体输送机在输送物料时 不污染环境，适应地形的能力好j 但输送距离受限制，输送的物料会有 一部分吸附管道壁上或过滤网上，时间一长会堵塞管道；气体输送要求 很高的气体压力，在强力的气流输送下，物料之间相互碰撞，会对物料造 成磨损，降低物料的粒度，同时降低物料的等级，而对于怕磨损的物料 很不合适。 串联盘式管道连续输送机是一种新型的散料输送设备。它能满足对 环境要求很高的输送任务，而且所占空间小，适应地形能力强，输送距 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 离大，不损伤物料，效率高，运输成本低。英国、澳大利亚、美国、德 国已经有了这种产品，国内还没有这种产品，对它的研究还刚刚起步。 因此本文选取串联盘式管道连续输送机进行研究，可以填补国内这方面 研究的空白。 1 1 2 串联盘式管道连续输送机概述 串联盘式管道连续输送机最初是由英国工程师r o b e r t w a l k e r 发明 的，在1 9 5 0 年后半年，他被要求去帮助设计一个工厂，要求需要一个费 用不高的输送机输送大豆物料。在市场上，他没找到合适的运输设备， 因此，他开始设计一个简单的输送系统。他制作一个样板机，由一个绳 子串联一个木制圆盘，在管道内运行，运行效果良好。因此，他和他的 同伴及他的妻子开了一个公司，为输送粉料物体修改设计，并申请了专 利。第台输送机f l o v e y o r 首先在1 9 6 2 年p e r t h 农业部展现过。 在1 9 6 4 年，他和他的同伙改变成联合公司：p r o d u c t i o nm a c h i n e r y c o p t yl t d ，这个公司经过4 0 多年有了很大的变化，它的产品在世界各 地广泛销售，并且用途广泛。但对这种设备的理论研究还非常少，如图 1 1 是国外几张现场应用照片 s - 9 l 。 图1 1国外现场应用照片 f i 9 1 1t h ep h o t oo f t h ea p p l i c a t i o na ta b r o a d 它的工作原理是：在封闭的管道内用钢丝绳或钢链串联起来的圆盘 作为牵引机构运输物料的。它满足对环境要求很高的输送任务，而且占 地面积小，效率高，运输成本低：串联盘式管道连续输送机的适用范围 较广泛，除了一般粉状，颗粒状，弹丸状及脆性材料外，还可输送象二 兰主三垒i 坠垄兰塑主兰垡! 篁查 ! 氧化钛，氧化钙，炭黑，氧化铁，硅石等重质材料。粉体物料在三维空 间内沿封闭管道直线移动，输送机布置灵活，形式多样，可水平布置、 竖直布置、倾斜布置及z 型布置。垂直单机输送距离可达二十米左右。 它对物料无破坏作用，设备的运行维护简单，清理方便，系统具有自清 理功能。它解决了粉体机械输送中重质粉料远距离输送的难题 1 - 1 6 。 我国对这种设各的研究还刚刚起步，还处于理论研究和试验阶段。 上海市化工装备研究所生产的管链式粉体输送机，其牵引链采用的是链 环，最大输送长度达到2 0 m ，高度达1 0 m ，生产能力低，能量消耗大， 已在上海四家化工厂应用，但他们的设计还处于模仿阶段。 1 2 设计方法国内外发展历程 1 7 世纪以来，数学与力学的发展和结合，使人们上升到运用经验和 数学计算来解决设计中某些问题的时代1 3 】。1 8 世纪( 工业革命) 到1 9 世 纪是科技发展的重要时期，出现了较多的复杂机械，但此时还没有形成 系统的设计理论和方法来指导机械设计。借助图纸进行设计是在2 0 世 纪初才形成的，当时的设计较多的还是依赖才能和经验，运用一些基本 的设计计算，也借助于类比、模拟和试凑等方法。因此产品的完善周期 较长，从发明到实际成功地应用，往往需要几十年或上百年。随着科技 发展和设计方法的形成及设计理论的充实，产品完善周期也逐渐缩短。 如蒸汽机从发明到应用经历了】o o 年；电动机用了5 7 年；电子管用了 3 1 年；汽车用了2 7 年：电视机用了t 2 年：晶体管用了5 年：近代的激 光技术仅用了1 年【1 9 】。 六十年代初，英国政府明确提出要改善产品设计，并以政策和财政 来支持推广设计新技术。联邦德国工程师协会( v d i1 曾于1 9 6 3 年召开了 一次“关键在于设计”的会议。1 9 8 3 年出版了一本“设计作为科学”的文 集。经过二十多年的努力，全体工程师协会成员共同合作，制订了一系 列有关设计的指导性文件，如：技术产品的方案性设计、技术系统和产 品方法学、产品设计人机工程学、工业产品模块化设计、精密机械工业 造型设计以及其它设计规范、设计目录和设计守则等r 曲。2 。 美国在第二次世界大战末期，为了加强对设计的指导，成立“工业设 兰主兰堡坠垄兰堡主兰堡垒查! 计委员会”。到1 9 7 2 年改为“设计委员会”。1 9 8 5 年美国科学基金会召开 了设计理论和设计方法研究的目标和优化项目的讨论会，制订相应的政 策以提高产品的竞争能力。美国机械工程师学会每年召开一次“设计自 动化会议”，每次会议都有创新内容。 日本设计领域吸收美国关于自动设计和c a d 的技术，将机械设计过 程看作是一个完整的系统，将设计看作是技术、经济、美学、人机学的 一体化整体，并激励推广和采用新技术，从而大大提高了机械产品在国 际市场的竞争力。 近年来在国际上召开了一系列与设计有关的国际会议。如1 9 8 0 年在 英国朴次茅斯召开的“设计研究会议”，1 9 8 1 年在意大利罗马召开的“国 际工程设计会议”，1 9 8 2 年在英国伦敦召开的“设计政策会议”等等，发 展到最近，每年开会一次。这些会议的议题是探讨设计的新理论和新方 法。 我国机械设计的发展经历了一个曲折的过程。1 9 5 8 年以前，所谓设 计，主要是照抄前苏联的图纸进行仿制。长期以来我国采用传统的“三 段设计法”，即方案设计( 初步设计) 、技术设计、施工设计。其中起决定 作用的方案设计通常是根据提出的设计任务的技术要求，找样本、专利、 图纸、研究报告等资料，然后靠设计者的经验进行，其本质是经验性的， 以模仿为主，局限性很大。到了6 0 年代初，开始加强了新产品的开发 设计与实验研究工作，从而使设计从仿制和经验设计逐步走向试验研究 和计算分析阶段。1 9 6 5 年在全国召开了机械产品设计革命化工作会议， 会议上将设计工作提到“生产技术中的第一道工序”的高度，并总结了一 条：“试验、研究、设计、制造、安装、使用、维护”的“七事一贯制”的 方法。到了7 0 年代初，开始建立了机械产品的研究及测试基地。到8 0 年代初再次召开机械产品设计工作会议，开始在国内介绍一些国际上的 先进技术与方法。同时计算机引入设计领域，对设计工作的发展起了很 大的推动作用 1 9 - 2 2 1 。 到目前为止，科学工作者提出了各种各样的设计方法，有代表性的 方法【18 。5 0 l 有：全生命周期优化设计i ts - 2 7 1 、虚拟设计【2 0 1 、并行设计、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 面向产品质量的功能化设计( q f d ) 、智能设计、创新设计、动态设计 4 1 - 1 0 8 1 等。这些设计方法一般只能考虑产品综合质量的某一个方面，或少数几 个方面。新产品的研究与开发、老产品的改造，以及装备基地的建设都 离不开产品的设计工作，产品的设计是产品研究与开发过程中十分重要 的环节。它对产品设计质量的影响起着至关重要的作用，它决定了产品 “先天性优劣”这一至关重要的本质特性，据统计，产品设计对产品质量 的贡献率可达7 0 。因此，有的专家把“产品设计工作”看作是产品质量 的“灵魂”。 许多科技工作者为了提高产品的设计质量，曾经进行了大量的研究 工作。对各种设计方法进行了深入的研究，取得了许多有益的成果。在 许多产品的设计中，取得了很好的效果。如果在这个基础上，再从宏观 角度出发，采用综合设计法开展对产品的设计工作，这将在较大范围内 更能满足产品对其总体质量的要求。 1 3动态设计及实验研究 1 3 1 动态设计 机械动态设计的目的是希望所设计的机械设备在投入生产后能处在 较理想的状态下工作，不仅能获得满意的工艺指标，还要求机械设备能 可靠地工作，同时应满足工作寿命的要求。 具体地说，机械动态设计通常包括以下广义的和狭义的两类目的 3 2 - 4 0 ： 广义的：在初步设计过程中根据以往经验、理论和试验研究成果来 选择和计算机器的运动学和动力学参数，确定机器及其零部件的型式、 形状和尺寸，以便获得良好的工艺指标，保证机器安全可靠运行。在初 步设计完成后，通过模型试验或实际机器试验，检验机器的动态特性， 对设计结果进行校核和修改。 狭义的：在完成初步设计后，对所设计的机械结构进行建模，研究 与分析其动态特性，并在可能情况下进行试验分析，检验其动态特性， 辽宁工程技术大学顽士学位论文 6 进而对机械设备的图样进行审核、修改或重新设计。 而机械设备动态设计的一般理论和方法通常包括以下四个方面的内 容： ( 1 ) 按初步设计图样或实物进行动力学建模 在动力学建模过程中，通常要完成下面一些工作： 1 ) 根据实际机器及其零部件的结构特点，简化为可用于动力学分析 的动力学模型。 2 ) 根据实际机器及其零部件实际工况，确定作用于其上的载荷谱。 3 ) 对于一般机械系统，要根据实际机器及其零部件的实际工况，确 定该系统的有关振动参数：质量、阻尼与刚度。对于结构件，则应将该 结构按照有限元方法划分为可获得足够计算精度并可供分析的计算单 元。 4 ) 建立系统的动力学方程式。 ( 2 ) 计算机械系统的动态特性： 按照所建立的动力学模型计算该机械系统的动态特性，并对初步设 计进行审核。所谓机械系统的动态特性通常是指该机械系统的固有频 率、振型以及在激振力作用下的响应，这些将为机械动态设计提供必要 的基础数据。机械系统动态特性的分析，通常包括： 1 ) 根据动力学方程，计算该系统的固有频率。 2 ) 计算与系统固有频率相对应的振型。 3 ) 计算在指定载荷作用下的响应。 4 ) 计算构件上各部位的静应力与动应力。 ( 3 ) 对机械结构进行动力修改 根据初步计算结果和实验得到的数据，对系统进行动力修改，通常 包括以下内容： 1 ) 确定修改准则，找出应修改的问题。 2 ) 对结构的外载荷进行修改。 3 ) 对结构物理参数( 质量、阻尼、刚度) 进行修改。 4 ) 对结构的动态特性( 特征值和特征向量) ，即固有频率、振型和 辽宁工程技术大学硕士学位论文7 响应进行修改。 5 ) 最后对动力模型和对所设计的结构进行修改，以满足工艺指标、 工作方便和可靠性的要求等。 完成上述动态设计通常采用解析法、数值法和实验法。最理想的是 将这些方法结合起来，做到理论与实际紧密结合。 1 3 2 实验研究 实验研究包括实物试验或模型试验与试验建模，通常包括以下内容： 1 ) 选用适当的试验方法。 2 ) 测定所设计机器及其零部件的模态参数和动态特性。 3 ) 依据实验数据，对系统的参数进行识别。 4 ) 对机器的初步设计进行审核。 东北被国家定为装备制造业工业基地，而东北现有的企业大多数是 老国有企业，他的设备设计及加工大多沿用老的理论体系，跟不上世界 先进制造业的发展，因此在装备制造业中，着重加强现代设计理论与方 法的应用，同时结合高新技术的采用，从而提升装备制造业整体技术创 新能力。机械产品的质量上水平，首要的任务是保证产品的设计质量。 我国要成为现代制造业的基地之一，最重要的任务是：要集中力量用现 代设计理论与方法来指导新产品的开发，使现代机械产品具有较高的工 作可靠性和安全性、较优良的技术性能和使用性能、较短的生产周期、 较高的经挤性、足够的工作耐久性( 工作寿命) 等，使我国生产的机械 设备具有较高档次与水平，在国内外的市场竞争中将能立于不败之地。 1 4 本文的主要研究内容 本文利用“3 + 实验研究”综合设计法，对串联盘式管道连续输送机进 行理论及实验研究，得到串联盘式管道连续输送机结构设计及设计理 论，并根据设计的结果加工成样机，反过来检验设计的合理性，为串联 盘式管道连续输送机从设计理论到产品的转化打基础。为此本文主要做 了以下工作。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 ( 1 ) 串联盘式管道连续输送机的静态设计理论三 根据散立体力学理论，对串联盘式管道连续输送机的中间直线段， 弯曲段运行阻力特性进行分析；分析输送传动系统的速度、加速度变 化规律；确定串联盘式管道连续输送机的布置方式，牵引钢丝绳的张力 分布规律；确定串联盘式管道连续输送机最优驱动轮齿数。 ( 2 ) 串联盘式管道连续输送机的动态设计 利用离散化的方法建立串联盘式管道连续输送机传动系统的动力 学模型，并确定了模型中各个参数的计算方法；对串联盘式管道连续输 送机传动系统进行模态分析。在u n i g r a p h i c s 软件上建立驱动轮、轴及 其他关键零件的三维模型，在三维模型上进行有限元分析。 ( 3 ) 串联盘式管道连续输送机的实验研究 设计驱动轮扭矩测试系统，实现输送系统在运转过程中的扭矩测量； 设计串联盘式管道连续输送机传动系统的实验模态测试及振动测试系 统：对实验信号进行处理。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 2 串联盘式管道连续输送机力学特性研究 2 1 串联盘式管道连续输送机的结构及工作原理 图2 1串联盘式管道连续输送机结构示意图 1 管道2 钢丝绳牵引机构3 串联盘4 驱动轮5 从动轮& 出料口7 进料 口f i 醴1s k e t c h m a p o f m ec o n v e y e f 咖c t u r e 串联盘式管道连续输 送机被设计传输粉料和颗 粒状物料。所有的物料在 管道内通过移动元件的驱 动来输送的。这个基本的 移动元件是一个钢丝绳组 件，钢丝绳组件是由串联 盘以相等的间距固定在钢 丝绳上，钢丝绳组件绕过 两个特定形状的驱动轮。 如图2 1 为串联盘式管道 连续输送机结构示意图。 它是用牵引机构( 钢丝绳 或链节12 将一个个串联 盘3 等间距的串联起来，在管道( 钢管或铝管) 1 内运行并环绕过驱动 图2 2 串联盘式管道连续输送机模型 f i 配2t h em o d e l0 f r l v e y c 轮4 和从动轮5 ，形成连续运输设备。右侧是重载段，左侧是空载段。 物料经进料口进入壳体和驱动轮之间，在驱动轮带动钢丝绳运行时，安 圣主三堡坠查童翌主堂竺垒查 ! ! 装在钢丝绳上的串联盘将物料刮走，物料在管道内堆积在串联盘3 上， 在驱动轮4 的驱动下将物料高速向上输送，在出料口处将物料抛出。这 样物料在整个运输过程中始终处于密封状态，避免了污染环境，能以不 同的角度运输。 为了验证串联盘式管道连续输送机由钢丝绳牵引的结构可行性，我 先制作了一个2 米长的模型如图2 2 ，经实践证明这种结构是可行的。 2 2 散粒体的力学性质 散粒体是介于固体和液体之间的中间状态，它与固体不同的是：散 粒体具有流动性；仅在一定的范围内能保持其形状；具有对挡护面产生 压力的性质；不能或不大能低抗拉力；低抗剪切力的能力取决于作用的 压力。液体与散粒体所不同的是：液体具有更大的流动性；没有固定的 形式：低抗剪切力的能力更小。 散粒体颗粒按照材料、大小和形状可以是同样或不同样的，所有三 个尺度具有同阶或不同阶，表面为光滑或粗糙的。颗粒可处于弹性状态 或塑性状态，并具有一定的强度。散粒体颗粒的形状可以是极不相同的。 颗粒之间的间隙称为孔隙，其中可能由空气、水或某种胶结物质所充填。 散粒体的容质是指1 米3 散粒体的质量。散粒体的容质与颗粒的密 度、孔隙率和孔隙充水程度有关。 散粒体产生内摩擦力的原因是：一些颗粒陷入其它颗粒的深凹处而 互相咬合在颗粒之间的接触面上直接产生滑动摩擦力和附着力。散粒体 的内摩擦力等于其内摩擦角的正切值【5 3 划】。即 f = t g 声 其中 f 一内摩擦力( k g ) ； 毋一内摩擦角( 度) 。 散粒体的内摩擦角与散粒体单个固体颗粒之间的静的干的外摩擦 角有本质区别。散粒体对固体的摩擦角不能超过散粒体的内摩擦角。当 散粒体处于密实状态时，摩擦阻力是由于散粒体颗粒的突出棱角擦破接 触面的结果面产生的。如果散粒体结构松散，那么散粒体的各个颗粒在 辽宁工程技术大学硕士学位论文 运动时将改变相互位置，在这种情况下，摩擦阻力与颗粒沿着滑动面滚 动有关。 目前，在散粒体力学中经常用两种力学模型： 一种是粘性散粒介质。利用整体( 连续的) 介质作为实际散粒体的 主要计算模型，它具有低抗拉力和剪力的能力，但不能超过内摩擦力和 粘聚力的极限。 另一种是粒状介质。即由相互接触的形状规则的固体颗粒组成的介 质，颗粒的相互作用服从于概率法则。没有粘聚力的介质称为理想散粒 体。没有内摩擦力的介质称为理想塑性散粒介质。目前基本上把散粒体 作为整体介质。整体散粒体介质模型的优点在于它能够利用把应力看作 为内力强度的概念，并能够采用微分平衡方程式，其形式如同工程上已 经惯用的，它们是弹性力学理论和塑性力学理论中所采用的。利用关于 连续性的假定，就可以用一个统一的计算模型代替所有各种各样的散粒 体，模型的性质可以用少数的由试验确定的常数来表征。 2 3承载段的力学分析 2 3 1 中间承载单元的力学分析 按力学性质分，利用串联盘式管道连续输送机运输的物料可看成是 散粒体，在本文中，我们主要研究散粒体的整体状态，因此可以用沿着散 粒体任意断面连续分布的力来代替散粒体单个颗粒接触点上实际的力。 散粒体的应力p 如下式计算 p 2 面 其中 p 一作用在单元面积以上的内力( n ) 。 串联盘式管道连续输送机中的散状物料是圆柱状的，所受应力是轴 对称问题。因此可以在圆柱坐标下来研究问题。串联盘式管道连续输送 机中间承载段的结构是：在圆形管道中，散状物料装在承载圆盘上，承 兰! 三垦! ! 查垄兰塑主兰堡笙查 ! ! 载圆盘被牵引绳( 链) 串联起来并牵引，拖动散状物料向上运行，我们取 出一个单元段( 即两个串联圆盘之间的一段) 进行分析。 l l 图2 3 动态下柱状散粒体受力分析 f i 9 2 3r e c e i v i n gf o r c ea n a l y s i so f s c a t t e m d m a t e r i a li np o s tf o r mu n d e rd y n a m i cs t a t e 如图2 3 所示，在两个串联圆盘之问的一段物料的受力状态相当于将散 状物料装入一个带活塞及活塞杆的管体中，在活塞杆力f 的作用下，活 塞推动物料向上运动；同样取如图2 3 所式的圆柱坐标，取距表面z 处厚 度为出的圆柱体为单元体( 忽略活塞杆所占物料的面积) 进行应力分 析。 单元体受垂直方向的应力、+ ao - ：，径向应力c r r 、重力4 b 及 壁面摩擦力彳凡。由于物料向上运动，所以4 凡方向向下。我们沿着散 粒体的运动方向z 轴列平衡方程， d f z 2 0 口：及( + d o z ) 在z 轴的合力为： d 如和：一( c r z + d 酬孚= _ 等岳： 单元体重力d g 在z 轴的合力为：d 2 i 1 兀d 2 y d z 壁面应力盯，对单元体产生的摩擦力为 d f , 2 盯，n d , u d z d f z 2 d 如+ d ，g + d 耳 ，掣个i，v7jjo，f i山专t个| _专、； ，tt、摹粤il ，亨百l ，矿1 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一丢兀d 2 d crz+!兀甜一坷7c脚dz=00rz 4 dy d z= 一 i 兀 + 一兀 十盯，丁cu 卢d z 一 其中 d 一串联盘直径( i n ) ； y 一物料比重( n m 3 ) ； 脚一壁面对物料的摩擦系数； d f g 一单元体重力d g 在z 轴的合力； d 凡一壁面应力q 对单元体产生的摩擦力； 整理得 d 6 , 一鲤：。 d zd 令o r = k o z 代入( 2 1 ) 式得 d o , 一4 1 a l 田, v d zd 。 解微分方程( 2 2 ) ，微分方程 分离变量后得 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 2 ) 属于一阶可分离变量微分方程， 竺! ：d z y + 4 1 a k o z 两端同时积分得 告m v + 争= z 两端取自然指数整理后得 旷岳( e 警一1 ) ( 刎 由于散状物料的摩擦特性，认为所研究截面处的静压力仃z 小于垂 直压力，且o r o r ：= | ，k 值取决于散状物料的内摩擦特性，七= t g 伊，驴 为散粒体的内摩擦角。当、k 、d 、y 一定时，根据方程式( 2 3 ) 可 画出如图2 4 所示的关系曲线。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 图2 4 动态下a 、盯，、与z 的关系曲线 f i 醇4t h ec o n c e r n e dc u r v eo fd - 、盯ra n dz 得到这样的结论，通过管道输送散状物料， 段物料的高度不能太大。 2 3 2 中间承载单元所需牵引力的计算 从图2 4 中我们 可以看出，当物料的 特性一定时，c r z 、盯， 取决于z 的大小，随 着物料深度z 的增加， c r z 、盯也随着呈指数 增加，而盯，越大。盯， 就越大，导致壁面摩 擦力越大，反过来使 垂直方向的压力变得 更大。因此我们可以 要把物料分段运输，并且每 根据上节研究的结果，当活塞上部物料的高度为h 时，物料作用在 活塞表面的压应力为 = 去( e 警_ 1 ) 活塞表面所受的压力为 n = 岳( e 警- 1 ) 刚。= 嚣( e 警_ 1 ) ( 2 4 ) 推动活塞所需的牵引力也为n 。我们将式( 2 4 ) n 与h 的关系用图 2 5 表示出来。 从图2 5 中可以看出，牵引物料所需的牵引力凡与物料的装载高度h 呈指数关系，当h 达到一定值时，凡会迅速增加；因此利用串联盘式 管道连续输送机运输高度为h 的物料时，应把日分成合适的h 分段运 输，h 值应根据物料的性质及管道的直径来确定。 姗 舢 舢 一 舢 一 姗 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 s 5 0 0 皇4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 + 牵引力 00 1 0 20 30 4 0 50 60 70 8 0 91 h ( x ) 图2 5f h 与h 的关系曲线 f i 9 2 5t h ec o n c e r n e de l l r v eo ff ha n dh 2 4 输送系统运行阻力的确定 串联盘式管道连续输送机输送系统运行阻力包括物料运行阻力、牵 引钢丝绳及圆盘重力、圆盘与管道壁的摩擦力、弯曲段阻力。我们以垂 直布置的串联盘式管道连续输送机为例讨论各项阻力的计算方法【1 - 5 】。 2 4 1 物料运行阻力 在直线段，当串联盘在钢丝绳的牵引下载着物料上行时，每个圆盘上物 料的运性阻力为w h 既= 盖( e 警_ 1 ) ( 2 5 ) 整个输送机上物料的阻力为赡 其中 。面u d 3 7 ( e - 矿_ 1 ) h h 一单个串联盘上物料高度( m ) ； 日一整个串联盘输送机输送高度( m ) ： ( 2 6 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 三 一 串联盘问距( m ) 。 2 4 2牵引钢丝绳及圆盘重力 由于串联盘输送机上圆盘等间距布置，重载段及空载段的牵引钢 丝绳和圆盘重力相互抵消，因此由牵引钢丝绳和圆盘重力引起的运行阻 力为零。 2 4 3 圆盘与管道壁的摩擦阻力 圆盘与管道壁接触，二者之间的摩擦力属于滑动摩擦力w o ： w o = 2 n l h l 其中 一密封材料作用于管道壁的压力( n ) ； ，一密封材料与管道壁的摩擦系数。 2 4 4 弯曲段阻力 在弯曲段，串联盘不与管壁接触，而与转向轮接触，因此此阶段的运 行阻力主要是轮轴轴承转动阻力w w w w = ( f 2 + f 3 ) 扛 w w = 2 n 丘 其中 乃、乃一分别为钢丝绳与驱动轮( 或转向论) 相遇点和分离点 钢丝绳的拉力( n ) ； 力一轴承转动摩擦系数； 2 5 牵引能力的分析 2 5 1 布置方式 串联盘式管道连续输送机根据用户需求可以有如图2 6 布置方式。 根据现场空间条件，每种布置方式可采取的驱动方式有头部驱 动，尾部驱动，头尾同时驱动等。当输送能力相同时，采取不同的输送 方式和驱动方式，串联盘输送机的运行阻力不同，牵引钢丝绳的张力分 2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 布不相同，串联盘输送机的牵引能力也不同，下面就几种典型的驱动方 式进行分析，以得出牵引力的计算模型，钢丝绳的张力分布规律及钢丝 绳的强度验算准则。 2 5 2 垂直布置头部驱动 ( a ) 垂直布置( b ) 水平布置( c ) 倾斜布置 ( a ) v e r t i c a la r r a n g e m e n t( b ) h o r i z o n t a la r r a n g e a n e n t ( c ) s l o p i n ga r r a n g e m e n t 图2 6 串联盘输送机的布置方式 f i g 2 6 t h ea r r m a g i n g w a y o f t h e c o n t i n u o u s c o n v e y o r o f d i s c - t u b e a s s e m b l y 2 5 2 1 阻力的计算 4 图2 7 垂直布置头部驱动示意图 f i 9 2 7 t h ed r ：啦o f v e f l i c a l a r r a n g e m e n t d r i v i n g o f f h e a d p a r t 其中 轮分离点，其张力为n ，2 点为钢丝绳 与转向轮相我们根据逐点计算法计算出钢丝绳 各主要点张力，以便求出弯曲段阻力脚。1 点 为钢丝绳与驱动遇点，其张力为乃，3 点为钢 丝绳与转向轮分离点，其张力为f s ，4 点为钢 丝绳与驱动轮相遇点，其张力为n 。各点张力 如下计算 f 2 = f i + w i 一2 f s = f 2 + w w f 4 = f 3 + p 3 4 电动机牵引力f f = n f i = w i 一讪+ w 3 4 2 段运行阻力阢一j w l f g 娶+ w o l 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 g 一每组盘及绳重( n ) ； 当耽一2 是负值时，2 点钢丝绳张力最小，为保证输送机正常运行， 应给2 点一个预紧力，预紧力可通过作用在转向轮轴上的张紧力见给 出。 f 2 = f 3 = 圭f z 4 段运行阻力既4 耽一4 ：g xi l l + w o + 平稳运行时总阻力w 即等于所需牵引力f g r = f = - - g _ h l _ h + 2 n x f h l + z 眦+ o 譬+ 器声一1 ) 等 当聊。是正值时，1 点张力最小。根据上述分析可知4 点张力为最 大值。整理得 f = 形= 2 兄止+ 2 n x f x h + 器。警- 1 ) 譬 ( 2 - 7 ) 2 5 2 2 牵引能力分析 串联盘式管道连续输送机摩擦驱动的驱动原理是：串联盘等距离 固定在牵引钢丝绳上，钢丝绳绕经驱动轮时进入轮槽，驱动轮在驱动系 疲蘑 i财 彭 7 一=尘 4 图2 8 头部驱动轮示意图 f i g 2 8t h ed m w n go f f i g u r eo f d r i v i n gw h e e l 统带动下旋转，通过轮槽与钢丝 绳的摩擦产生牵引力，在驱动轮 上开有口，以便串联盘随钢丝绳 绕经驱动轮时不与驱动轮干涉。 如图2 8 为驱动轮结构示 意图，当驱动轮以角速度吐) 旋转， 钢丝绳绕经驱动轮时，部分成圆 周缠绕，一部分是直线缠绕，因 此牵引钢丝绳的运动是变速直线 运动，并以驱动轮转动一个t , 。角 为周期，由图2 8 可知，钢丝绳绕经驱动轮与驱动轮接触弧段所对应的中 z 心角0 l 。= f 一甲) z ，为驱动轮被分割成离散的圆弧段个数，覆丽 拉公式，驱动轮与钢丝绳之间的摩擦牵引力 f 窜一f l ( e “t - - 1 ) f ，。乃一酌，三f z r g 争+ 刚 2 三兄+ g 争一2 x ，旦l 阶c 主蹦g 睁2 ，警，p 如却 p j 一钢丝绳与驱动轮绳槽衬垫之间的摩擦系数 为保证串联盘式管道连续输送机正常运行，应使f 蕈 矽，又考 虑起动时的动载荷及一定的安全系数 f 蘑2 ”形 f 2 9 1 n 是动载荷安全系数 2 5 3 垂直布置尾部驱动 ( 1 ) 阻力的计算 当串联盘式管道连续输送机垂直布置尾部驱动时，张紧装置作用 在转向轮轴上，张紧力为乃 转向轮 3 4 驱动轮 图2 9 垂直布置尾部驱动示意图 l 驱动轮分离点2 - 转向轮相遇点 3 _ 车 向轮分离点4 驱动轮相遇点 f i g 2 9t h ed r a w i n go f d r i v i n go l le n dp a r t v e r t i c a la r r a n g e m e n t 图2 1 0 底部驱动轮结构示意图 f 远2 - 1 0t h ed r a w i n go f g t ”o f d r i v i n gw b e e ! e n dp 耐e n dp 缸 兰! 兰垦! ! 查查兰璺主兰堡垒墨竺 凡f 3 = 1 f z f j = f 2 + w w f i = f 2 一w h g x 旦l 一 f 4 = f 3 + w o g x 譬 整个输送机在匀速运行时的总阻力w w = f - - f 1 = 2w o + w h + w w = 4 n x f x - 等+ 陇+ 器。竽一1 ) 譬 ( 2 1 0 ) ( 2 ) 牵引能力分析 根据欧拉公式，驱动轮与钢丝绳之间的摩擦牵引力 f 犀= 乃一一1 ) = 哇乃一一g 等一w o ) 矿叫 = 圭如一篆。警一t ) 譬一g 等一2 叮兰 _ 归一) c 2 川， 为保证串联盘输送机正常运行 f 蘑 w fa t = 以w ( 2 1 2 ) 垂直或倾斜输送时，最好采用头部驱动，这样可以降低最大张力 点张力峰值。 2 6 输送系统运动分析 2 6 1 牵引钢丝绳速度分析 串联盘管道连续输送机用钢丝绳串联的串联盘由驱动轮驱动。驱动 轮如图2 1 0 旋转时，钢丝绳绕经驱动轮时部分成圆周缠绕，一部分是直 线缠绕。驱动轮是通过电机、减速器来驱动的，驱动轮做匀速转动，因 此牵引钢丝绳的运动是变速直线运动，并以驱动轮旋转一个轮齿所对应 的中心角a 。为周期。我们可做如下分析，设：驱动轮传动的角速度为， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 1 驱动轮节圆半径为r ，设z 为驱动轮齿数，驱动轮转动一个轮齿所对应 的中心角为俚。，所需时间为 2 9 z c o ，称为一个啮合周期。在一个啮合周期中，随着驱动轮的旋转，驱 动轮2 点3 点中间的圆弧段经过啮合起始点4 的过程中，即旋转角从o 位。一p ，钢丝绳速度恒定，可用式u 2 r c a 表示。当驱动轮继续旋转，1 点 2 点中间的直线段经过啮合起始点a 处这段时间，钢丝绳的运动速度将 发生变化，当l 点2 点的中间点到达a 点时，运行速度逐渐减小达到最 小值，u = r c o c o s ( c p 2 ) ，当驱动轮继续旋转时，运行速度逐渐增大达到最 大值，u = r c o ；以3 点进入啮合点爿的瞬间为时间起始点，钢丝绳的速 度u 在一个啮合周期中可用下式计算： 1 2 = r e 0 = u 。0 f ! 盟 珊 u ：r c o c o s c o ( t 一旦迎1 1 型s f s ! ! 二! ! ! 0 ) o u ：r o c o s c o ( 鱼一f ) 鱼，坚f 鱼( 2 1 3 ) 以上是钢丝绳在一个齿距之间速度变化情况，可以看出钢丝绳在绕 经驱动轮一周内速度成周期性变化，串联盘式管道连续输送机驱动轮具 有不同齿数时牵引钢丝绳速度变化规律如图2 1 1 所示。 d 6 齿 4 齿 2 齿 tt 图2 1 l 在一个啮合周期中驱动轮齿数不同时牵引钢丝绳速度、加速度变化规律 f i g 2 11t h el i g u r so f v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o na b o u tt h ed r i v es t e e lr o p e 兰主壁查垄兰翌主茎堡垒查丝 2 6 2 牵引钢丝绳加速度分析 串联盘式管道输送机牵引钢丝绳运行的加速度可通过对速度求