（机械设计及理论专业论文）平面转弯带式输送机动态设计方法的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 平面转弯带式输送机动态设计方法的研究 摘要 带式输送机是现代散状物料运输的主要设备，它广泛用于冶金、化工、矿山、电站和港 口等：r 业领域。随着工业和技术的发展，对带式输送机的要求将进一步提高。带式输送机的 转弯问题是带式输送机发展到当代，为扩展其使用领域并取得技术与经济上的最佳效益而迫 睁j 解决的问题，这是扩大带式输送机适_ j 范围的重要方面。在输送机设计理论与方法的研究 中带式输送机的动态问题直接关系到输送机的设计、制造的技术水平，因此，各国( 或公司) 为使自己的产品在技术上领先，纷纷对此问题进行研究，但目前国内还没有将动态设计方法 应用于大型平面转弯带式输送机设计计算的实例。本文对此问题进行研究。 ( 1 ) 采用离散有限元模型建立了平面转弯带式输送机启、制动过程动力学模型。该模型 综合考虑了输送带的粘弹性特性、输送机运行阻力等与运动有关的参数的影响。所采j _ l j 的方 法是：将直线运行段输送带单元、转弯运行段输送带单元、拉紧装置单元、驱动装置单元的 动力学模型进行组合，得到一般形式的平面转弯带式输送机系统的动力学模型。该模型可表 达各种布羞形式及多段转弯的平面转弯带式输送机系统； ( 2 ) 应用具有无条件稳定的w i l s o n 口法对所建立的动力学方程进行了求解，以得到了平 面转弯带式输送机启动过程的位移、速度、加速度和张力，制动过程的位移和速度。该方法 适用于可控启制动带式输送机系统的动态设计； ( 3 ) 应j 1 ；j 编程语言v b 6 0 开发了平面转弯带式输送机动态分析软件详细说明了软件的 开发过程和使用方法。此软件可以对大型平面转弯带式输送机启制动过程输送带的位移、速 度、加速度和张力进行计算还可以分别计算出拉紧装置和驱动装置的位移、速度和力，绘 制出相应过程的变化曲线： ( 4 ) 应用平面转弯带式输送机动态分析软件对可控启动系统驱动的大型平面转弯带式输 送机进行了启、制动过程仿真分析，仿真对象为目前国内正在建设中的8 k m 平面转弯带式输 送机，通过计算机仿真得到了启制动过程输送机各部分参数的计算结果和变化曲线； ( 5 ) 应用信号处理技术对启动过程的尾部的速度、加速度和张力曲线进行了频率分析。 关键词平面转弯带式输送机，启动过程，动态设计，计算机仿真，有限元，数据处理，频 率分析 1 l - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ho n d y n a m i cd e s i g n m e t h o do fb e l tc o n v e y o r w i t hh o r i z o n t a lc u r v e s a b s t r a c t b e l tc o n v e y o ri st h em a i nd e v i c eo fm o d e ms c a u e r e dm a t e r i a ls u c c e s s i v et r a n s p o r t a t i o n i t1 s w i d e l ya p p l i e dt om e t a l l u r g y ，c h e m i c a li n d u s t r y , p o w e rp l a n t ，p o r ta n dm i n e w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h et e c h n o l o g i e s ，t h ed e m a n do ft h eb e l tc o n v e y o ri si n c r e a s i n g n o w , t om e e tt h en e e do ft h e b e s tb e n e f i t ，w em u s ts o l v et h ec u r v eo fb e l tc o n v e y o r , w h i c hi st h ei m p o r t a n tf a c tt ow i d e nt h e a p p l i c a b i l i t yo f t h e b e l tc o n v e y o r t h ed y n a m i cp r o b l e m so f t h eb e l tc o n v e y o ra r ed i r e c t l yr e l a t e dt o t h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r eo f t h eb e l t c o n v e y o r a sar e s u l t o f t h i s ，a l o to f c o u n t r i e so rc o m p a n i e s a r es t u d y i n gt h i sp r o b l e m b u tn o w a d a y st h e r ei sn oo n et oa p p l yt h ed y n a m i cd e s i g nm e t h o dt ot h e d e s i g no fb e l tc o n v e y o rw i t h h o r i z o n t a lc u w e s s ot h i s p a p e rw o u l dm a k ear e s e a r c h o nt h e d y n a m i cd e s i g np r o b l e mo f b e l tc o n v e y o r ( 1 ) a d o p t i n gd i s c r e t ef i n i t ee l e m e n tm o d e l t oe s t a b l i s ht h es t a r t - u pa n db r e a k p r o c e s sd y n a m i c m o d e lo fb e l tc o n v e y o r t h i sm o d e lc o n s i d e r st h ev i s c o u sc h a r a c t e ro fc o n v e y o rb e l t ；m o v e m e n t r e s i s t a n c eo fc o n v e y o ra n dt h ep a r a m e t e r sh a v ee f f e c t so nm o v e m e n ts y n t h e t i c a l l y t h em e t h o di t a d o p t si s ：w ef i tt o g e t h e rt h ed y n a m i cm o d e l o ft h ec o n v e y o rb e l tu n i ti nb e e l i n e - r u n n i n gs e g m e n t , t h ec o n v e y o rb e l tu n i ti ns w e d e r u n n i n gs e g m e n t ，t a k e u pe q u i p m e n tu n i t , d r i v ee q u i p m e n tu n i t a n db r e a ke q u i p m e n tu n i tt og a i nt h ed y n a m i cm e c h a n i c a lm o d e lo f t h en o r m a lt y p eb e l tc o n v e y o r s y s t e m t h i sm o d e l c a l le x p r e s sa sa l lk i n d so f a r r a n g e db e l tc o n v e y o r s y s t e m ( 2 ) u s i n g t h ew i l s o n0m e t h o d ，w h i c hc a n k e e ps t e a d yi r r a l i o n a l l y , t os o l v et h eb e l tc o n v e y o r d y n a m i ce q u a t i o n ，w ec a ng e tt h ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o na n dt e n s i o no ft h es t a r t u p p r o c e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n ta n dv e l o c i t yo ft h eb r a k ep r o c e s s t h i sm e t h o di sa d a p t e dt o t h e d y n a m i cd e s i g no fc o n t r o l l a b l es t a r t - u pa n d b r e a kc o n v e y o r s y s t e m ( 3 ) e x p l o i t i n gt h es o r w a r ew 曲v b 6 0 ，w h i c hi s t h eo n et oa n a l y z et h eb e l t c o n v e y o r d y n a m i c a l l y a n di n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n ta n dt h eu s i n go ft h es o f t w a r e t h es o f t w a r ec a n c a l c u l a t et h ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o na n dt e n s i o no fb e l ta n dt a k e u pd e v i c ed u r i n gt h e s t a r t u pp r o c e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n ta n dv e l o c i t yo f b e l td u r i n gt h eb r a k ep r o c e s s ，d r a wt h ec h iv e a c c o r d i n g l y ( 4 ) u s i n gt h i s s o f t w a r em a k eas i m u l a t i o na n a l y s i sa b o u tt h es t a r t - u p p r o c e s sa n db r a k e p r o c e s so f a n8 k ml a r g eb e l tc o n v e y o rw i t hh o r i z o n t a lc u r v e s w eg e tt h ec u r v e so f t h er e s u l t ( 5 ) u s i n g t h es i g n a l d e a l i n g t e c h n o l o g yt ot h ec u r v eo f v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o na n dt e n s i o ni nt h e s t a r t u pp r o c e s sa n d m a k e a 丹e q u e n c ya n a l y s i s k e yw o r d sb e l tc o n v e y o r w i t hh o r i z o n t a l c u r v e s ，s t a r t - u pp r o c e s s ，b r a k ep r o c e s s ，c o m p u t e r i m i t a t i o n ，d y n a m i cd e s i g n ，d p , f r e q u e n c ya n a l y s i s - i l l - 声明 本人声明所承交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究结果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一起工作的同学对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 本人签名： 孑一d 日期。 训卒2 、j 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的目的与意义 带式输送机是现代散装物料运输的主要设备，它广泛用于冶金、化工、矿山、电站和港 口等工业领域。随着丁业和技术的发展，对带式输送机的要求将进一步提高。带式输送机的 转弯问题是带式输送机发震到当代，为扩展其使用领域并取得技术与经济上的最佳效益而迫 切解决的问题，这是扩大带式输送机适用范围的重要方面。目前国内大型带式输送机有较大 的市场需求，其中有待建和扩建的大型露天煤矿中的十几座连续开采工艺大型带式输送机， 以及应用在水泥、港口、冶金等工业领域的大型带式输送机，其中包括天津物流中心9 5 k m 平面转弯输送机。 随着科学技术的发展，我目的带式输送机运输占运输系统的比重越来越大，带式输送机 的优点越来越显著。以往的带式输送机，一般采用直线布置形式，但由于建筑物、河流、丘 陵、地形、铁路、公路等障碍物的限制，必须将线路分成若干直线线段，而且在转载过程中 由于物料的碰撞与冲击产生扬尘污染环境，使物料块度变小而降低物料的经济性例如煤和 煤粉的市场价格相差近一半。另外，物料的冲击加快了输送带的磨损，严重时还会造成击穿 输送带，容易使输送带发生撕裂。平面转弯带式输送机的出现克服了上述问题。带式输送机 的弯曲运行，使得输送机线路的起点和终点间不能直接用直线连接时，可以采用一种弯曲的 运行线路以绕开障碍物或不利地段，实现了少设或不设中间站从而减少了带式输送机的搭 接、减少了驱动装置的投资，而且还可以减少粉尘污染，节省设备，降低初期投资与运转费 用以及简化供电系统，提高经济效益。 在大型转弯带式输送机的研究方面，国外已有三十多年的历史，已经取得了很多成果， 有多个国家研究己达到了实用的程度。随着我国加强能源、港口、建材、矿产的建设，采用 大型的带式输送机运输势在必行，而为了适应工业领域的需要必须提高我国带式输送机的设 计水平，本课题以平面转弯带式输送机为研究对象，解决大型平面转弯带式输送机的设计计 算问题。 1 2 平面转弯带式输送机及其理论研究发展概况 1 2 1 平面转弯带式输送机的发展概况 虽然我国对平面转弯带式输送机研究的较早，并在1 9 5 9 年就出现了平面转弯带式输送 机，但由于理论工作没有跟上，应用发展并不快。其主要原因是用户对这种输送机的认识不 够，而且目前国内尚没有可以借鉴的成熟应用的平面转弯带式输送机。 在国外，转弯带式输送机已在露天矿、地下煤矿的弯曲巷道、水电站建设工程、干线输 送以及其他生产系统中推广使用f ”。1 9 6 3 年法国在修建巴黎地铁工程中首次设计安装了一台 转弯带式输送机用于运输土方，机长7 0 0 m 。运量3 0 0 t h ；1 9 7 0 年阿尔及利亚扎山铁矿投产 了一条转弯带式输送机，单机长度为2 3 8 5 m ，通过两处平蕊转弯地段，高差为一1 2 1 m ，运输 铁矿石。运量为1 0 0 0 t h ：1 9 7 8 年南非投产了一条长3 。5 k m 的运煤转弯带式输送机；1 9 8 0 年 法国在太平洋新客里多尼亚梅阿镍矿敷设了条转弯带式输送机，机长为1 1 1 2 k m ，高差达 5 5 7 m ，最大坡度为3 0 ，运量5 6 0 t h ，用以运输镍矿石；1 9 8 1 年印度尼西亚在扩建雅加达 机场工程中建成一条长6 8 5 k m 的转弯带式输送机，将碎石从采石场运至海滨修建机场跑道。 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 该机带宽为8 0 0 r a m ，带速为3 m s ，运量为1 0 0 0 v h 。法国、前苏联、奥地利、德国、美国等 国家都很重视水平转弯带式输送机的理论研究和实验。法国、德国已设计建造多条水平转弯 带式输送机，投产顺利，运行正常，经济效益良好。 表1 1 国外主要的平面转弯带式输送机的主要参数 投产时间国别机长，m带宽弯曲半径 带速( m s ) 提升高度 运量( t h ) 壬e r a m 1 9 6 3法国7 0 08 0 07 0 0l7+ 33 0 0 1 9 7 0阿尔及利亚2 3 8 51 0 0 05 0 02 51 2 11 0 0 0 1 9 7 4英国6 4 9 21 1 5 0 ( 1 1 处) 258 1 3 1 9 7 6 原联邦德国 1 2 3 2l 0 0 01 4 0 033+ 1 8 78 0 0 1 9 7 7法国2 7 4 01 0 0 04 0 0 0 3o + i 1 2 0 0 1 9 7 7 原民主德国 1 4 0 02 0 0 04 0 0 052 4 1 9 7 8南非3 5 0 01 0 5 04 0 0 04 01 2 5 0 1 9 7 9法国1 3 5 06 5 05 0 0l7+ 7 53 0 0 】9 8 0美国】1 2 08 0 0 r 4 处) 3 6- 5 5 75 6 0 1 9 8 1 印度尼西亚 6 8 5 08 0 06 0 0 03 o+ t 21 0 0 0 1 9 8 2南非5 2 0 07 5 0 3 0 0 1 9 8 2澳大利亚7 8 2 01 0 5 04 0 0 0 4 5 0 04 1 2 0 0 0 1 9 8 3 赞比亚 1 1 3 8 59 5 04 0 0 0348 5 0 】9 8 3加拿太5 5 4 71 0 5 06 0 0 06 0 j 8 0 0 1 9 8 4瑞士2 4 9 08 0 06 0 0 - - - 2 0 0 0305 0 0 1 9 8 5美国3 3 8 58 0 01 2 0 0 - 1 8 0 029 7 5 0 1 9 8 5 印度 1 4 5 5 01 1 5 02 1 5 0 7 0 0 04 51 8 0 0 1 9 8 5土耳其8 5 0 01 0 0 0 ( 多处) 453 4 01 0 0 0 j 9 8 6澳丈利亚3 9 9 28 0 0r l 处)4 4 7 6 0 1 9 8 6 加拿大 3 0 4 81 1 5 0 ( 1 处) 2 81 5 0 0 1 9 8 7美国1 9 3 5 51 2 0 0 ( 2 处) 431 6 3 3 1 9 8 8加蓬6 0 3 38 0 01 0 0 0408 0 0 1 9 8 9懊天利豆1 0 1 8 01 0 5 09 0 0 04 l2 2 0 0 1 9 9 2津巴布韦1 5 3 0 07 5 0 6 0 0 04 66 0 0 1 9 9 2巴布亚新几内亚4 1 69 1 53 5 016+ 2 64 5 0 法国工业设备公司( 简称r e i ) 和原联邦德国贝库姆的博伊墨尔机器厂是设计建造转弯带 式输送机最多的企业。世界最长的两条转弯格式输送机一新客里多尼亚梅网镍矿转弯带式输 送机( 机鲢为1 1 2 k i n ) 和印度尼西亚雅加达机场扩建工程使用的转弯带式输送机( 机长为 6 8 5 k i n ) ，均由r e i 公司负责总体设计、提供机械设备和安装调试。原联邦德国b e u m e r 机器 厂与几所大学合作，在转弯带式输送机设计理论研究方面处于世界领先地位，对曲线导向、 各种分力计算和转弯线路工艺设计等方面进行了大量研究和试验。原民主德国的转弯带式输 送机大多由国营布斯韦尔措大公司承担工程设计及制造。该公司也十分重视弯曲线路设计的 理论研究，在设计转弯输送机之前，必须先在样机上进行实验，取得所需的技术参数后才进 行：【：程设计。他们设计的转弯带式输送机距离都比较短，但十分实用，建设周期短，见效快， 2 东北走学硕士学位论文第一章绪论 经济效益好。表1 1 列出了国外主要的平面转弯带式输送机的主要参数。 1 2 2 平面转弯带式输送机研究理论的发展 对于平面转弯带式输送机，一些人从不同方面对萁进彳亍了研究。g e t o o k e r 2 “提出弯曲 段形状是一条悬链线；孙可文教授推导出弯曲段形状为一螺旋线( 3 0 l 。这些研究具有理论意义， 而实际意义不火，因为在实际的输送机设计和使用时，一般从实际安装角度考虑都按圆周线 安装。尽管实际运行时，输送带的中心线略偏离圆周线。在弯曲段输送带和物料并不能保证 完全按设计的曲线进行，k j c r i m m e r 和f k e s s l e r 1 6 1 用可能出现的两种极限位置进行了设计 计算。山东矿业学院对空闫转弯即在平面转弯的同肘在垂直方向上也有坡度变化的输送机进 行了一些研究1 3 0 | ”1 。德国的g s c h u l z 将水平转弯曲段的承载分段对称地、精确地分成单元， 可对任意一个这样的输送带单元进行垂直于输送方向作用的输送带动态力的分析，计算出了 平面转弯输送几的输送带张力l i “。 在输送机设计理论与方法的研究中带式输送机的动态问题直接关系到输送机的设计、制 造的技术水平，因此，各国( 或公司) 为使自己的产品在技术上领先，纷纷对此问题进行研究。 输送机的动力学研究开始于2 0 世纪6 0 年代。前苏联的i i a h k p a t o b 和! , m i d t p i i e b p j 等人 首先开始研究带式输送机的动力学问题，由于当时的工业装备水平和学术传统所限，前苏联 的研究l _ = 作主要集中在简化的力学模型上进行解析求解，因而虽具有重要的理论意义，但实 用价值不大。德国的汉诺威工业大学的v i e r l i n g 、o e h m e n 、f u n k e 等人进行了一系列的研究 工作，到1 9 7 3 年形成了以行波理论为基础的动态分析方法【7 j ，并开始实际应用。澳大利亚的 h a r r i s i o n t ”】，美国的n o r d e l l t ”1 ，波兰的t w z u r t “，以及南非，加拿大【2 】等国也开始了研究 工作。在国内东北大学宋伟刚老师也对此闫题进行了一系列系统的研究”l j _ l ”j ，采用了具有无 条件稳定的w i l s o n 目法对其进行求解，提出了基于功率跟踪控制方法的动力学逆问题的求 解方法，该方法适用于可控启、制动带式输送机系统的动态设计。但目前国内还没有将动态 设计方法应用丁大型平面转弯带式输送机设计计算的实例。 目前我国由于没有实际工程经验加之理论研究不足，国内还没有一条自行安装的大型 平面转弯带式输送机。因此应用可靠的设计参数和计算方法对平面转弯带式输送机的张力计 算进行深入的研究，不仅具有理论意义，而且具有实际意义，将推动平面转弯带式输送机的 发展。 1 3 平面转弯带式输送机的结构 平面转弯带式输送机是通过将输送带的内曲线抬高和将托辊安装倾斜角等措施，使输送 机运行时产生一个向外的离心力来克服由转弯造成的输送带张力的向心台力，从而保证输送 带的转弯运行。这种平面转弯带式输送机可实现输送带运行的自然变向，避免采用特殊结构 的专用输送带。 1 3 1 实现转弯的措旌 平面转弯带式输送机除转弯的曲线段外其他部分的结构及设计方法与普通直线运行带 式输送机完全相同。带式输送机的运行是由驱动装置提供驱动力通过传动滚筒牵引输送带而 实现的。输送带既是承载体也是牵引体。在输送带的张力作用”f ，普通直线带式输送机的输 送带单元的受力如图】1 ，其隔端张力作用在同一直线上，单元上的各力是平衡的。弯曲段输 送带单元的受力如图1 2 ，单元两端的张力方向有一夹角，输送带单元的台力不平衡，将产生 一个向心力。 - 3 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 r + t 图1 - 1 直线输送带受力单元 f i g 1 1 p u l l e de l e m e n to fs t r a i g h tc o n v e y o rb e l t t 图1 2 弯曲输送带受力单元 f i g 1 2 p u l l e de l e m e n to f c u r v i n g c o n v e y o rb e l t 平面转弯带式输送机托辊组结构与布置的特点就是要产生一个向外的离心力，以平衡输 送带张力的向心合力。为达到这样的目的，在设计中一般采用下面的措施。 1 ，抬高输送带的内线 平衡向心力的虽有效的方法是利用输送带和其上承载物料的重力产生向外的离心推力。 此离心推力的获得可以通过将输送带在转弯段的内侧曲线抬高一个角度。如图2 3 ，此时的输 送带和物料的重力产生指向曲线外侧的离心推力。 图1 3 内曲线抬高角和托辊槽角的构成 f i g 1 3 t h es t r u c t u r eo f s u p e r e l e v a t i o na n g l ei ni n n e rc u r v e a n dt r o u g ha n g l eo f t h ei d l e r s 输送带弯曲段的内侧边所形成的曲线称为内曲线，另一侧称外曲线。内曲线抬高就是将 托辊支架底面的内侧抬高一个角度，安装成与水平面有一夹角，这个角称为内曲线抬高角。 2 托辊倾斜安装 将转弯处托辊组的内侧沿输送带运行方向前移，使托辊组的轴线与输送带中心线的法线 方向产生一夹角。如图1 4 所示，托辊组b 相对输送带安装的角度为e 。这个角度类似普通 直线带式输送机的前倾，但又与前倾角不同。前倾托辊是托辊组的两侧托辊的外边都沿输送 带运行方向前移，而此处的倾斜安装，托辊组外侧的托辊却相对输送带运行方向后移，且中 间托辊也有倾斜。 当托辊组倾斜安装时，输送带速度v 与托辊周边的线速度v 。的方向不同，夹角为e + 它们之间的相对速度为a v ，方向指向转弯的中心。由于a v 的存在，使输送带和托辊之间产 生一个沿托辊组轴向的阻力f j ，此力可分解为沿曲线的法向和切向分力b ，酢。法线 方向的分力e ，是离心摩擦推力该作用力将平衡输送带张力产生的部分向心台力，e 是 对输送机运行的阻力。这种结构的输送机只能沿一个方向运行。托辊倾斜安装也可以三个托 一4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 辊分别安装不同的倾斜角。 图1 4 托辊安装倾角的构成 f i g 1 4 t h es t r u c t u r eo f i n s t a l l e do b l i q u i t yo nt h ei d l e r s 3 增大托辊组的槽角 增大托辊组的槽角有利于增加物料的输送量。实践证明，槽角的增大有助于输送带的居 中自动调节，降低输送带的跑便程度。因此，加大槽角有助于带式输送机转弯曲率半径的减 小，它是输送带居中自动调节的重要措施。 4 下分支托辊组的结构 输送机下分支的托辊组一般用两个托辊组成v 型结构或单个平托辊。当采用平托辊时为 增加托辊与输送带问的横向摩擦力，所采用的方法是在两组托辊之间的输送带上设置压辊， 以提高输送带和托辊之间的摩擦力。 5 承载托辊组采用五托辊的结构 五托辊托辊组具有增加托辊组的槽深、增加物料的承载量、减少冲击力等优点。在水平 转弯带式输送机的转弯处设置五托辊托辊组可以增大托辊的槽角、提高输送带居中自动调节 能力。然而这种结构使输送机的结构复杂化，需增加设备投资。 另外，为防止输送带的过大偏移在侧托辊的外侧增设侧立辊来限制输送带的偏移。这 是一种备而不用的措施，如果这种措施经常发生作用，将失去自由导向平面转弯的意义，同 时也加速了输送带的磨损，使输送带的寿命太幅度降低。 1 3 2 转弯处托辊组的结构与设置方式 为了实现上述的措施，在实际设计时采用的主要结构形式是下面的几种。 1 吊挂结构 吊挂结构是通过支点将托辊组吊挂起来使托辊组的工作位置随载荷的变化具有适应 性。图1 5 是国内井下煤矿平面转弯带式输送机所采用的结构，该结构是应用巷道的顶板作 - 5 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为吊挂支点，当转弯不平衡时，由吊挂杆的摆动，可产生输送带位移的反作用力，以保证力 的平衡。 移的 掣 ii 噩 n 毽 f 。唧 辩形l r - 一 f k e s s l e r 也是采用吊挂结构【3 0 】。如图1 6 所示，此结构不仅使偏转时支点产生输送带偏 圈1 6 支点吊挂结构 f i g 1 6 t h es t r u c t u r eo f h a n g i n go nt h ef u l c r u m 反作用力，而且可以改变托辊组内曲线抬高角。吊挂结构尽管可以使输送机的转弯变得可靠 但却使转弯处的结构复杂化。相应需增加设备的投资。 2 弹性支撑结构 图1 7 是前苏联弯曲带式输送机中使用的托辊组的断面图。内曲线一侧通过弹簧压向外 曲线方向，使空载输送时内曲线抬高角加大以增加空载时的离心推力。而有载时由于物料 的重力作用使内曲线拾高角变小，以适应有载时物料重力分力不至于过大。该结构的特点是 通过托辊组的弹簧支撑能够产生自动适应各种不同载荷的内曲线抬高角。但此结构尚有许多 f 7 题没有解决，例如：由于弹性支撑所引起的振动问题。 3 内曲线设置托辊 一6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 内曲鞠 井曲筑 ，7 7 7 7 7 7 7 7 丁7 7 7 7 一刀7 图1 8 内曲线侧增设一托辊 f i g 1 8 a d d e du ui d l e ri ni n n e rc u r v e 4 平面转弯托辊的一般结构 事实上，前面的几种转弯结构都可以归结为图1 9 的特殊结构形式。它是自由导向的平 面转弯的托辊结构的一般形式。这里采用的方法是将托辊组的内曲线抬高一个y 角，同时把 各托辊的轴线与运行方向设成一定的夹角s l ，岛，岛，来实现平面转弯的导向。 圈1 9 自由导向转弯的一般结构 f i g 1 9 t h e g e n e r a ls t r u c t u r eo f c u r v i n gw i t hf r e eg u i d e - 7 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本文的主要内容及方法 带式输送机的启制动过程的合理设计是带式输送机设计的重耍内容。输送机各元件的受 力状况都是在启制动过程中达到晟大或晟小所以分析输送机各元件的最大受力应对输送机 的启制动过程进行动力学分析。标准的设计方法中采用的是将输送带看成是刚体对输送机进 行动力学分析。对于大运量、长距离的大型带式输送机，刚体动力学的分析方法已不能满足 设计要求，计算结果存在较大的误差，已经失去了输送机的固有动力学特性。因而，对于大 型带式输送机必须采用较为精确动态过程的动力学分析方法。 本课题以转弯带传动动力学与控制问题为研究内容，开发出了平面转弯带式输送机的动 态分析软件，可以计算出长距离转弯带式输送机最佳结构的各种参数，启、制动过程中输送 带各点的位移、速度、加速度变化情况，还可以计算出在各种工况和负载状态下整条输送机 在线路上、下分支的胶带张力，为输送机的正常运行提供依据。最后运用数字信号处理技术， 对各种运行状态下尾部加速度的计算结果进行频谱分析，得出其变化规律。 本论文的主要内容是： r i ) 平面转弯带式输送机起、制动的力学模型的建立：采用离散有限元模型对直线运 行段输送带单元、转弯运行段输送带单元、拉紧装置单元、驱动装置单元、制动装置单元分 别建立力学模型通过他们根据不同布置形式的组台得到带式输送机系统的动力学方程： r 2 ) 确定动力学模型的主要参数； ( 3 ) 采用基于功率跟踪的动力学逆问题计算方法； f 4 1 动态分析软件的设计：包括软件的总体结构和起动、制动计算程序设计； 6 1 动态分析软件的应用实例：通过具体的应用实例进一步说明软件的使用方法； f 6 1 运用信号处理技术对尾部速度、张力和加速度曲线进行频率分析。 8 一 东北大学硕士学位论文第二章平面转弯带式输送机的动力学分析 第二章平面转弯带式输送机的动力学分析 2 1 平面转弯带式输送机动力学模型概述 带式输送机的动力学的研究开始于2 0 世纪6 0 年代。到目前为止国内外很多同行都对此问题 进行了研究【7 l 【1 瞄”u 3 1 1 1 7 】f 2 9 】1 2 2 心，东北火学的宋伟刚教授对此动力学及仿真过程作了系统详实 的研究m 1 。然而对于平面转弯带式输送机的动力学分析及仿真问题国内未见有文献报导， 国外的研究也很少。本文将在文献口9 】的基础上，对平面转弯带式输送机的启、制动过程进行 动力学分析及仿真研究。 带式输送机是一个复杂的机电系统它是由闭环的承载输送带、托辊、驱动装置、拉紧 装置、改向滚筒构成的系统。驱动装置提供输送带运行的驱动力：拉紧装置给系统提供必要 的拉紧力：改向滚筒给输送带导向：托辊的作用是减小输送带的挠度。在输送机系统的启、 制动过程中，主要影响因素是： ( 1 ) 输送带的力学性质及其动力响应： ( 2 ) 输送机的运行阻力； f 3 ) 驱动装置的机械特性及其控制方法； ( 4 ) 输送机的起、制动的工况： f 5 ) 拉紧装置的动力响应； f 6 ) 输送机的线路和载荷状况。 在建立输送机动力学方程时作以下假设： ( 1 ) 在动态过程中输送带可看作是具有几何变形的杆： ( 2 ) 物料在承载段均匀分布； ( 3 ) 托辊的旋转部分的等效质量在承载和回程段上沿带纵向均匀分布； ( 4 ) 运行阻力在承载段和回程段在输送带纵向均匀分布。且阻力系数与带速成线性关系； ( 5 1 将驱动装置、拉紧装置和改向滚筒都看成是刚性的： ( 6 ) 缠绕在滚筒上的输送带段，按剐性考虑并忽略质量。 输送机上作为承载和牵引元件的输送带是由橡胶和钢丝绳构成的，将输送带按粘弹性处 理【4 2 】。在对输送带的粘弹性参数的研究中，考虑到输送带的粘度的影响、输送带中张力、 速度的传播，目前采用的粘弹性模型都是具有蠕变特征的k e l v i n - v o i g t 模型，考虑输送带挠 度对刚度的影响采用等效的刚度等效刚度与输送带的刚度、输送带的张力有关。 对于粘弹性体输送带进行动力学分析的主要方法有两种。一种是解析法，解析法的特点 是可以直接通过解析解对输送机各参数的影响进行分析，但是对于复杂的偏微分方程无法通 过解析法求解，只能在经过较大的简化后求出解析解，因而这种方法一般不能对输送机系统 进行定量分析，特别是线路复杂的输送机。另一种是数值解法，数值解法虽然不能显式地表 达方程中各参数的影响，但可以通过图形显示技术分析系统中各参数的影响，同时数值解法 这一有效的数学工具可以处理复杂的输送机系统动态过程问题。数值解法所采用的方法都是 基于有限元方法进行的。本文采用的是基于离散模型的有限元方法。 本文在对平面转弯带式输送机的研究中同样采用具有蠕变特征的k e l v i n - v o i g t 模型，采 用数值解法对起进行动力学分析。在建立平面转弯带式输送机的动力学方程之前我们先对 起转弯部分进行一些必要的分析。 9 - 东北大学硕士学位论文第二章平面转弯带式输送机的动力学分析 2 2 平面转弯带式输送机转弯处的限制条件 为保证平面转弯带式输送机自由导向的弯曲运行，转弯处的输送带应满足力的平衡条件、 应力和应变的限制条件以及不离开托辊等条件。 1 弯吐处力的平衡条件 如图2 。1 当输送带运行到弯曲处时，输送带张力的合力j 沿曲线的法线方向指向内侧， 此合力使输送带产生向内跑偏的趋势。由于在弯曲段设置内曲线抬高角，由物料和输送带重 力产生的向外的推力j 、托辊设置倾角产生的输送带和托辊间的离心摩擦力f 。、转弯时的 离心惯性力f ，均指向外侧，使输送带产生向外运动的推力，它们与e ，平衡，实现输送带 的自动对中调惰。在输送带上还作用与运行方向相反的阻力j 0 和托辊对输送带的支持力 只，。因此，输送带转弯运行时，应满足 + f 6 + + f o = 0 ( 2 1 ) 其中，力的正方向为离心方向。 上式中，离心摩擦力b 与物料和输送带的重力分布、摩擦系数等因素有关；b 为输送 带和物料转弯运行时的离心惯性力，因转弯曲率半径相对与惯性质量的数量级较大，所以其 量值很小，计算对可以忽略不计。 内 圈2 1 平面转弯处的力学模型 f i g 2 1 m e c h a n i c a lm o d e lo f t h eb e | ta tt h eh o r i z o n t a lc u r y e 在实际运行过程中，输送带通常不能完全处于理想的对中位置，而是有一定的偏移量 但偏移量不能超过内侧或外侧的极限位置。因此当输送带处于内侧或外侧的极限位置时 必须满足相应的条件： 当输送带向内侧偏移时，应满足 f w + f g l + f m 0 当输送带向外侧偏移时，应满足 c 十f ：。+ f k 0 其中，角标f 表示向内偏移，角标d 表示向外偏移。 1 0 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 东北大学硕士学位论文第二章平面转弯带式输送机的动力学分析 2 输送带的应力应变的限制条件 在输送带的弯曲段，外侧的输送带的伸长量要大于内曲线侧，为保证输送带的寿命输 送带外曲线侧的应力、应变不应超过许用值。另外，由下输送带内外侧的伸长量不同而引起 内侧凹陷的程度不能太大。 3 外侧托辊上的输送带不离开托辊 曲率半径过小时，有可能使外侧托辊上的输送带瓢起而离开托辊，于是产生附加的向心 力，使输送带易丁向内跑偏。因此在设计水平转弯带式输送机时，应保证外侧托辊上的输送 带不离开托辊。 2 3 平面转弯带式输送机转弯处的受力分析 根据转弯处的限制条件对转弯段的单元进行受力分析，这里按三托辊组上分支来考虑， 如图2 2 所示取转弯弧段中一个托辊间距口。的小弧段输送带为分离体，分析其受力情况。设 弧段对应的圆心角为a a 则a a = 口。风，其中风为曲率半径。输送带上所受的力包括： 输送带的张力，r + 一t ：运行阻力e ，；转弯运行的离心惯性力f n ；输送带和物料的 重力置：，( i = 1 , 2 ，3 ) ；各托辊作用于输送带上的支撑反力r 。，f ：，a n ，；各托辊作用 与输送带上的离心摩擦力r ( f = 1 , 2 ，3 ) 。为了简化计算，这里先忽略输送机倾角。 1 径向的力平衡关系 在此单元上，物料与输送带的总重力为 = q c j b o t o g = q o 日g p o a a t ( 24 ) 其中：g 输送带和物料的单位长度质量，单位为k # m ，且q c a = q g + q 。 + 心 峨l 崛3 图2 2 平面转弯处受力图 f i g 2 2 f o r c e dg r a p ho f t h eb e l ta tt h eh o r i z o n t a lc i t f v e 在输送机运行时，由于料内曲线的抬高使托辊槽角发生变化以及使输送带偏移，此处载 荷在托辊上的分布也与直线运行的输送机不同，设作用于内、中、外三个托辊上的重力分别 东北大学硕士学位论文第二章平面转弯带式输送机的动力学分析 为兄，( f = 1 , 2 ，3 ) ，定义重力分配系数为 a p k 。= _ z 1 i 了 g i ( f = 1 , 2 ，3 ) ( 2 5 ) a g 重力分配系数表示了物料和输送带的重力在三个托辊上分配的比例关系，它们之间的关系是 3 k = l i = l 作用在各托辊上的重力为 圪，= k 。g 风d ( j = 1 , 2 ，3 )( 2 6 ) 没二个托辊的安装倾角均不相同，分别为( f = 1 , 2 ，3 ) ，它们的倾斜方向如图2 1 3 ，则各托 辊与输送带摩擦产生的横向摩擦力为 兀，= 地时kc o s c i ( f _ 1 , 2 ，3 )( 2 7 ) 其中芦，为摩擦系数。 设三个托辊的槽角分别为 ( f _ 1 , 2 ，3 ) ，其中丑2 = 0 。为了表达方便，这里的旯2 与一般 的槽角的定义不同，如图21 3 所示。这样 ，= - 。wc o s ( + y ) 一，s i n ( 2 j + ，) ( f = 1 , 2 ，3 ) ( 2 8 ) 其中，为内曲线抬高角。将民。代入上式，得 峨= 面石万k i q 再a b g p 丽o a 丽z ( f = l ，2 ，3 ) ( z ，) 2 ，切向力的平衡关系 上分支承载时的运行阻力为 只= 詹【g r o + g g 日】p o a c t 其中g 月。上分支托辊单位长度等效质量。 托辊设置倾斜产生的阻力为 幔= 儿崛s i n 6 将上面两式相加并代入a f k ，得 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 出j = + 峨- 纠q r o + q c , n 】+ 心喜k 磊面再丽：, 警u 3 塞惫了而- i i 。7 , - i s i n 铂风口 = 】l 7 1 ，一、7 1 。， 2 4 输送带动态过程的运行阻力 输送机运行时，其运行阻力包括主要阻力、倾斜阻力和托辊前倾阻力。倾斜阻力是由物 料提升或下降产生的阻力，倾斜阻力在已知物流的情况下可准确地计算，前倾阻力是输送机 的一种特种阻力，它由为防止输送带跑偏将托辊设置成前倾产生，前倾阻力可以采用标准中 的计算方法进行计算j 。 输送机的主要阻力包含由摩擦产生的部分在处理时将其看作摩擦阻力，前倾阻力也是 由托辊和输送带之间的摩擦产生的，我们知道物体间的摩擦阻力是和物体间的相对运动方向 有关的，由摩擦产生的阻力的方向决定于物体问的相对运动方向；倾斜阻力的方向是重力沿 一1 2