（机械工程专业论文）大型带式输送机动态仿真模型研究与系统开发.pdf

攘要 带式输送机是广泛用于矿山 港口 码头 电厂 冶金 化工 建材 粮库 等工农业的连续输送设备 近年来 随着科学技术的发展 采用长距离 大带宽 大运量 凝带速的带式输送极输送数装物料己成为带式输送枫发展豹主淡 服有 蒂式输送祝设诗 选燮掰存在静缺酪逐步显露畿皋 茏其是凌起动 裁动韵态过 程产生的动载荷将直接影响到输送带的选择 挝紧装置的位鬣 驱动装置的位置 和驱动功率的确定等 佬们是带式输送机设计技术上可靠性和经济上合理性的核 心 因此对带式输送机的动态特性避章亍研究是保诞输送机在越动 制动过程中寻 求降低埝送謦窝其缝零帮终戆动载蘩 镬慧薅方寰褥裂霞亿黪熬要途径 论文黠 输送机的研究主要有以下几个方面 采用肖限元方法建立了带式输送机动力学模溅 该模型综合考虑了输遴带的 粘弹性 备部件的摩攘系数等与运动有关的参数影响 采用的方法是 分别对输 送带 控紧装置 驱动装嚣和铡动装震等单元建焱动力学方稷 获褥繁式输送撬 起动过鬏麓谁l 动过程串腔蒂各个位谶的经移 速度 热速度鞠麓张力 进褥进行 带式输送机系统的总体动力学分析 最后通过分析修正原有设计 使带式输送机 的设计更加优化 开发了带式输送机动态分析软件系统 该软件以v c 进行系统前端开发以 m a t l a b j 毪行嚣翡诗冀镑囊 嚣震m i c r o s o f ts q ls e r v e r 数摇疼工其建立与 系统相关的数据库表 系统操作简单 功能完备 能够输出带戏输送机系统任意 位置的动态仿真结果且可以进行二维图 三维图和动画效果擞示 并以w o r d 文 档形式输入全部参数 仿真分析结果 包括图形 予以保存和输出 关键词 带式输送租 粘弹性 动力学模型 动态分析 a b s t r a c t b e l tc o n v e y o ri st h ec o n t i n u o u se q u i p m e n tf o rs u c c e s s i v e l yw a n s p o r t i n gb u 墩 m a t e r i a l i ti sa p p l i e dw i d e l yt h ef i e l d so fm i n e p o r t d o c k p o w e rp l a n t m e t a l l u r g y c h e m i c a li n d u s t r y a r c h i t e c t u r a lm a t e d a la n dg r a i nd e p o r t e t c w i mt h e d e v e l o p m e n t o ft e c h n o l o g y l a t e l yt h eb e l t c o n v e y o rw i t hl o n gd i s t a n c e b i g b a n d w i d t h h e a v yl o a d a n dh i g hv e l o c i t yc a r r y i n go u tb u l km a t e r i a lb e c o m et h e m a i l 塔n l e 锄 f o m l e rd e s i g n s e l e c ta n du s eo f b e l tc o n v e y o ri sl i m i t a t i o n e s p e c i a l l yt h e d y n a m i cl o a dc a u s i n gi nt h ep r o c e s so fs t a r t i n ga n db r a k i n gw i l ld i r e l ya f f e c tt h e c h o i c eo f t h eb e l ta n dt h ep o s i t i o no f t h et e n s i o na p p a r a t u sa n dd r i v i n gu n i t t h ep o w e r c t c t h e ya r et h ec e n t r a lp r o b l e m si nt h ed e s i g no f b e l tc o n v e y o ls ot h eb e l tc o n v e y o r o ft h er e s e a r c ho nd y n a m i c si sa ni m p o r t a n tp a t ht oa n s u r et od e c r e a s et h ed y n a m i c s l o a do ft h eb e l ta n do t h e rp a r t si nt h ep r o c e s so ft h es t a r t i n ga n db r a k i n g a n di t p r o v i d e st h en e e do fo p t i m i z i n gu n i t a r yp r o j e c t n l er e s e a r c ho nb e l tc o n v e y o rh a s f i n i s h e ds e v e r a l 嬲p e c t s a d o p t i n g f i i l i t ee l e m e n tm e t h o d d y n a m i c sm o d eo ft h eb e l tc o n v e y o ri s f o u n d e d t h em o d ec o n s i d e r st h ee f f e c to ft h ev i s c o e l a s t i c i t yc h a r a c t e r f r i c t i o n c o c f f i c i e n ta n do t h e rp a r a m e t e rr e l a t e dw i t ht h eo p e r a t i n go fc o m b i n i n g 1 1 把m e t h o d i st h em o d eo f t h ec o n v e y o rb e l t i n gu n i t t e n s i o na p p a r a t u s u n i t d r i v i n ga p p a r a t u su n i t a n d b r a k i n gd e v i c e u n i ti sf o u n d e ds e p a r a t e l y t h e nt h ed i s p l a c e m e n t s p e e d a c c e l e r a t i o na n dd y n a m i ct e n s eo f b e l tw i l lb eo b t a i n e di nt h ep r o c e s so f s t a r t i n ga n d b r a k i n g p a s sa n a l y s i sa m e n dp r i m a ld e s i g n t h ep r o j e c ti so p t i m u m 砀es o f t w a r eo f d y n a m i ca n a l y s i so f t h eb e l tc o n v e y o ri se x p l o i t e d 力矗ss o f t w a r e u s e sv ct oc r e a t et h ef r o n ts y s t e ma n du s e sm a t l a bt oe m u l a t et h ee n d a n du s e s m i c r o s o f ts o ls e r v e rd a t ab a s et o o lt of o u n dt h ed a t at a b l e i ti sh i g h i n 垃l l i g e n ta n de a s yt oo p e r a t e t h ed y n a m i cp a m m e t e 璃o ft h eb e l tc o n v e y o ra r e o b t a i n e di nr a n d o mp o s i t i o n t h ed y n a m i cp a r a m e t e r si sd i s p l a y e di nt w o d i m e n s i o n p i c t u r ea n dt h r e e d i m e n s i o np i c t u r e a tl a s t a l lt h ea n a l y s i so f r e s u l t s i n c l u d i n gf i g u r e a n dp a r a m e t e rw i l lb es a v e da tw o r di o u r n a ls h e c ta n de x p o r t e d k e yw o r d s b e l tc o n v e y o r v i s c o e l a s t i c i t y d y n a m i cm o d e l d y n a m i ca n a l y s i s 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 前言 i 1 课题的研究背景 带式输送机自发明以来 经过两个世纪的发展 已广泛应用于矿 山 港口 码头 电厂 冶金 化工 建材 粮库等行业 近年来 随着科学技术的发展 采用长距离 大带宽 大运量 高带速的带式 输送机输送散装物料己成为带式输送机发展的主流 无论从输送量 能源消耗 生产效率 维护量 经济效益等各方面来衡量对比 在很 多场合 采用带式输送机来输送散状物料 都有着比汽车 火车及其 他运输工具更为优越的性价比 因此其在许多领域得到广泛应用 由于设计手段的落后 传统的带式输送机设计方法将输送带简化 为刚体 认为输送带各质点同时加 减速 事实上 输送带是具有粘 弹性特性的粘弹性体 速度 加速度 张力在输送带中的传递需要一 定的时间 因此 在输送机全长上输送带各点的速度 加速度 张力 具有动态特征 是时间的函数 这种动态特性对于低速 短距离的带 式输送机表现的不明显 因此早期对这一特性的研究也未引起足够的 重视 随着带式输送机向着长距离 大带宽 大运量 高带速的方向 快速发展 输送机的动态特性表现日益突出 尤其是在各种整机控制 方法和启动控制装置不断出现 使带式输送机面临一系列的动力学问 题 主要问题之一 起动和制动过程中输送机的动载荷问题 问题之 二 在长距离的运输过程中 由于输送带属于粘弹性材料 因此难以 建立准确的输送带模型及获取相应的性能参数 问题之三 驱动装置 起动和制动过程中驱动力矩及输出曲线的准确描述 这些问题对输送 机的正常 平稳运行都有很大的影响 从国际上看一些理论已经在实 际生产中得到了应用 但是从国内来看 我们的设计分析技术还比较 落后 许多关键理论和现场实测技术需要进一步研究 才能使带式输 送机设计和应用赶上甚至超过世界发达国家 而且由于国外对许多关 键理论和关键技术严格保密和封锁 使得我们必需依靠自己的努力 才能在理论和技术上发展本国大型带式输送机设计和制造技术 因此 建立一个考虑全面因素的动态分析系统 并应用于生产实践中 己成 为当今带式输送机发展研究需要迫切解决的核心问题 否则 将制约 带式输送机的发展和应用 本课题是根据我公司产品发展的需要 与东北大学联合开发带式 输送机动态仿真系统 特别注重实际的应用性 把一些设备的实际应 用情况考虑进来 尤其对于长距离 大带宽的带式输送机 由于驱动 装置的复杂性 胶带材料的粘弹性 多点驱动启动的顺序性等 都不 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文2 能很好的掌握输送机的真实情况 统 既可以避免选用大功率电机 因此开发合理实用的仿真分析系 减速机 大带强的胶带 导致整机 制造成本和运行成本提高 又可以缩短设计周期 进行系统优化 同 时增强企业在市场中的竞争力 1 2 带式输送机的发展现状 1 2 1 带式输送机应用和设计的发展现状 随着全球经济的发展 物料搬运量逐年在增大 用于散装物料运 输的带式输送机也取得了巨大的发展 带式输送机的基本结构比较简 单 输送物料范围广泛 输送量大 运距长 单机长度可达十几公里 中间多点驱动 在国外已十分普及 对线路适应性强 现代带式输送 机在越野敷设时 已从普通槽形发展到大倾角带式输送机 圆管带式 输送机 空间转弯带式输送机 因而能依山靠水 沿地形而走 可节 省大量修建隧道和桥梁的基建投资 国外带式输送机技术的发展很快 其主要表现在两个方面 一方 面是带式输送机的功能多元化 应用范围扩大化 另一方面是带式输 送机本身的技术与装备有了巨大的发展 尤其是长距离 大运量 高 带速等大型带式输送机已成为发展的主要方向 其核心技术是开发应 用了带式输送机动态分析与监控技术 提高了带式输送机的运行性能 和可靠性 目前国外关键技术与装备有以下几个特点 1 设备大型 化 其主要技术参数与装备均向着大型化发展 以满足年产千万吨以 上高产高效集约化生产的需要 2 泣用动态分析技术和机电一体化 计算机监控等高新技术 采用大功率软起动与自动张紧技术 对输送 机进行动态监测与监控 大大地降低了输送带的动张力 设备运行可 靠性高 生产效率高 3 采用多机驱动与中间驱动及其功率平衡等技 术 使输送机单机运行长度在理论上己不受限制 并确保了输送系统 各部件的通用化 系列化和标准化 4 应用新型 高可靠性关键部 件技术 如包含变频 c s t 等在内的各种先进的大功率驱动装置与调 速装置 高寿命高速托辊 自清式滚筒装置 高效贮带装置 快速自 移机尾等 目i i i 国际上在所有已投入使用的运输机输送线路中以建在西撒 哈拉的带式输送机运输线最典型 该线路长达1 0 0 k m 用两年半时间 建成 整条线路由长为6 9 1 1 8 k m 的l l 台带式输送机组成 带宽 为1 0 0 0 m m 采用s t 3 15 0 型钢丝绳芯胶带 带速为4 5 m s 澳大利 亚恰那铁矿2 0 k i n 长距离带式输送机系统是代表着现代带式输送机发 展水平的一条运输线 该系统采用了先进的托辊制造技术 水平转弯 辽宁 程技术大学工程硕士学位论文 3 技术和动态分析技术 前西德编制了两个从荷兰鹿特丹到西德杜伊斯 堡的带式输送机运输方案 全长2 0 6 k m 该输送机线路必须保证供应 鲁尔工业区各钢铁公司所需的矿石 预计整条线路的实际效率为理论 效率的7 0 8 0 线路每年工作5 0 0 0 小时 年运矿石量为3 6 0 0 万吨 l 到现在为止带式输送机中单机长度已超过3 0 4 k m 胶带速度已达 1 5 m s 单台输送机装机功率超过2 5 0 0 0 k w 2 1 在国内 由于受胶带制造技术的影响 带式输送机的发展速度较 为缓慢 7 0 年代后 随着煤矿综采技术的发展 生产能力大幅度提高 同时推动了带式输送机的发展和应用 从1 9 8 0 年至今输送机技术又 再攀新高 这在某种程度上应归功于研究 将研究成果合理的应用到 工作系统中 使得国内的输送机技术不再是一味的模仿国外的设计方 式 而是在其基础上有所创新 有所发展 目前国内大型带式输送机的主要应用有 宝钢燃料输送系统 全 长5 7 k m 小龙潭煤矿连续开采工艺输送系统 首钢水厂铁矿半连续 开采工艺输送系统 大柳塔煤矿主平峒输送机 长4 6 0 2 m 山西晋城 矿务局寺河矿 长7 6 0 0 m 副等等 其中煤科总院上海分院 大屯煤电 集团 有限责任公司龙东矿和 新集能源股份有限公司等几家单位1 4j 对输送机的一些关键技术进行 系统分析 分析了9 条带式输送机急需解决的关键技术及其国内外现 状 同时指出目前我国在防纵向撕裂装置 断带保护装置 电控与监 测自动化技术等方面与国外还有着相当大的差距 需进一步开发研 制 晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 5 探讨了煤矿井下带式输送机 常用的软起动装置即调速型液力偶合器和进口的c s t 减速器以及变 频调速软起动装置的优缺点 为了使带式输送机能够安全可靠 经济 地运行对张紧装置提出了新的要求即通过自动张紧装置来调节胶带 张力 从而适应负载随时变化对张力的不同需求 使输送带始终保持 最合理的张力 在带式输送机系统的设计中 首要的也是最重要的一环是选择设 计标准 一个好的设计标准涉及到设计结果是否更接近实际情况 关 于带式输送机系统的各个设计标准 在设计的各个环节都有差异 最 主要的差异体现在对运行阻力的计算 我们知道 带式输送机的动力 设备是电动机 整个输送机系统能否萨常的启动 运行等都跟电动机 的正确选择密切相关 而电动机的最终功率的选择是由输送机运行阻 力决定的 如果运行阻力的计算小于实际情况 系统自然无法正常运 行 如果计算结果远远大于实际情况则会造成浪费 出现 大马拉小 辽宁工程技术大学 丁 程硕士学位论文 4 车 现象 耗能增加 运行成本高 经济效益下降 另外 运行阻力 的计算还决定着输送带的选用 在带式输送机中 输送带是输送机中 的拽引构件和承载构件 是带式输送机最重要的部件之一 其投资一 般占整机投资的3 0 到4 0 甚至更多l l l 因此 合理的张力计算与 分配 是正确选择输送带的前提 是有效控制输送机系统投资的最关 键因素之一 选择一种先进的设计标准来进行带式输送机的设计 不 但是安全的需要 也是经济性的需要 关于带式输送机系统的设计标准 国内外有很多种 如国际标准 i s 0 5 0 4 8 美国标准c e m a 6 l 德国标准d l n 2 2 1 0 1 1 7 1 以及我国的 g b t l7 l1 9 1 9 9 7 1s 等等 这些标准都是世界各国长期从事物料输送系 统理论研究和工程实践人员智慧和经验的结晶 这些标准既有相通之 处 又各有特点 在带式输送机设计时 我国一般采用g b t l7 1 1 9 1 9 9 7 标准 这一方面是由于我国目前带式输送机研究和发展还处于相对滞 后状态 致使在实际应用中以中 小型输送机系统为主 采用国标进 行设计能够满足实际需要 我国的d t i i 系列输送机从t d 7 5 发展到现 在 在各种部件的选择和设计上已经形成通用化 系列化和标准化 设计选型比较容易 采购也比较方便 1 2 2 带式输送机动力学理论的研究现状 在输送机设计理论与方法的研究中 带式输送机的动力学分析问 题直接关系到输送机的设计 制造的技术水平等等 9 i 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 首先从国外的研究现状上看 上世纪6 0 年代前苏联的 h a h k p a t o b 和且m 1 4 t p h e b l 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技术水平所限 前苏联的研究工作主要 集中在对简化的力学模型进行解析求解 尔后形成了一种叫刚体动力 学方法 此法是将整个带式输送机简化成一个刚性体 将所有质量都 变位到驱动滚筒圆周上 用牛顿第二定律可计算出任意时刻胶带的位 移 速度 加速度以及动张力 这种方法的适用面非常窄 不适用输 送机的发展要求 后来德国 英国和澳大利亚等采矿业和港口运输业市场和技术发 达国家的一些学者也对输送机的动力学理论进行了研究 并观察了输 送带的纵向应力波传播特征及其对输送带张力和驱动力的影响 在 起 制动等非稳定工况下驱动系统的特征和输送带张力等 并在此基 础上建立了带式输送机动态分析技术的基本理论 为研究输送机动力 学分析方面打下7 举实的基础 提出了第一个带式输送机非稳定状态 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 5 运行期间动态分析的计算公式 具有重要的理论意义1 10 1 1 9 7 3 年 德国汉诺威工业大学的v i e r l i n g o e h m e n f u n k e 等人形成了以行 波理论为基础的动态分析方法 并开始实际应用 随后澳大利亚 h a r r i s o n 1 2 博士在前面的基础上逐渐形成了一种弹性体波动力学法 这种方法把胶带看成是一个弹性体 列出其运动的微分方程 在根据 边界条件求解方程得出速度 加速度 动张力等 这种方法比用刚体 动力学方法更接近实际 特别是在定性分析时比数值分析方法更为直 观 但是由于受带式输送机本身线路 结构条件限制 边界条件的确 定非常复杂 波动方程的解析解有时很难求得 近几年来 h a r r i s o n l i 副 博士又在1 9 9 6 年提出一种用于分布质量和弹性及具体边界条件的长 距离输送带纵向振动问题的封闭形式的分析方法 由于弹性体波动力学法在求解过程的一些边界条件很难确定 因 此求解上有一定的困难 所以美国的研究学者建立了一种离散有限元 方法 后来总结为数值分析法 l3 1 这种方法的基本思想是把输送带 环形分割成若干小段 每小段都用能反映带式输送机动力特性的数学 模型来代表 也可以从物理本质上来分析 由于离散系统和连续系统 并无本质区别 若把连续系统的分布质量分段聚缩到有限各点上 各 点之间用无质量的弹性元件 粘滞元件连接起来 则该系统便转化为 离散系统 它们之间具备相同的动力特性 这样建立每个分离体的动 力微分方程 用计算机求解 该方法的程序具有通用性 计算快 精 度高 成本低 计算结果可用直观图形或动画技术显示 虽然此法编 程的工作量很大 但是由于它具有其它方法无法替代的优点而得到广 泛应用 因此美国输送机动态分析公司的l o d e w i j k s l4 等人利用有限 元方法对带式输送机起动时的纵向振动问题进行了模拟研究 开创了 用大型软件对带式输送机动态问题进行研究的先河 近年来国际上对 带式输送机动态问题的研究成果呈逐年增多趋势i l j 在国内 由于缺乏大型带式输送机的设计和使用经验 动态分析 研究处于起步阶段 对于输送机的研究只是在各个高校中进行 还没 有形成专门的研究队伍 其中东北大学彭兆行 宋伟刚 2 3 等人从理 论分析角度对带式输送机的振动和软起动问题进行了研究 并主要对 输送带和动力学模型的理论研究 山东科技大学建立了专门的带式输 送机研究室 于岩 2 4 l 等人建立了基于连续单元的动态分析数学模型 给出这一非齐次混合边界条件问题振动解 大连理工大学主要是对带 式输送机系统动态设计的自动建模理论进行深入研究 该理论包括运 行线路的形念函数 质点划分 参数计算 系统状态方程生成及其方 辽宁工程技术大学1 程硕士学位论文 6 程的求解等1 2 钉 太原理工大学刘英林 2 6 1 等人假设输送带为弹性体 得出了应力波的传播速度计算公式 西安科技学院薛河t 2 7 等人利用 a n s y s 等软件计算了带速与输送带动力学关系以及输送带的最大伸长 量的关系 煤炭科学研究总院上海分院对带式输送机在起 制动等非 稳定工况下的动态响应进行了研究 并在此基础上研制成功由调速型 液力偶合器和功率平衡自动控制器等组成的慢速起动系统 2 s 1 辽宁 工程技术大学对带式输送机受料处的动载荷进行了研究 中国矿业大 学研制了恒张力自动张紧系统 太原重机学院的刘克勋 2 等人对输送 机的起动过程进行了计算机模拟研究 应用粘弹性模型建立了输送机 的整体模型 模拟了重锤拉紧状态下电动机直接起动的动张力变化 同时上海煤科院的李云海 2 提出了胶带横向振动的理论分析及稳定 性条件 探讨了胶带的速度 张力 托辊直径和间距等参数对胶带横 向振动与稳定性的影响 并提出了免共振设计的方案 2 中煤国际工 程设计研究总院的李玉瑾 2 8 给出了带式输送机的黏弹性振动方程及 位移解和动张力的计算方法 研究了采用矩形 正弦形 抛物线形加 速度时胶带的动张力特性 给出了限制和消除带式输送机黏弹性振动 设计方法 提出了最佳的软起动和软制动控制曲线 2 8 l 神华集团准格 能源有限责任公司选煤厂针对带式输送机柔性起动存在的难题 对运 行可靠 价格低 功能强等诸多特点的软起动装置的应用效果进行了 分析1 29 上海师范大学机械与电子信息学院李光布1 3 0 1 描述了带式输 送机动力学现象 用有限元方法建立了带式输送机系统的运动微 分方 程 用仿真方法分析了带式输送机的动态特性 并与实测结果进行了 比较 预测了紧急停车和起动过程中突然停电等工况下带式输送机的 动态特性 并通过选择飞轮质量来达到控制和优化其性能的目的 山 东科技大学机电学院 天地科技股份有限公司唐山分公司 青岛前湾 集装箱码头有限责任公司等几家联合为使带式输送机系统的动态分 析过程更简洁 更实用 适合大众需要 采用离散体动力模型法建立 带式输送机的动力学模型 并以此为基础 设计出了带式输送机动态 分析系统 国内还有一些研究工作者从不同角度对带式输送机的动态 问题进行了探讨和分析 得出了一些宝贵经验 o6 1 上述是国内对输送机动态分析的一些研究成果 虽然在输送机动 力学方面有很多人研究 但是迄今为止国内的带式输送机动态设计与 动态分析软件还没有在真正意义上符合实际使用情况 国外由于起步 较早 研究时间长以及试验经费投入充足等优势 已有计算机综合分 析软件投入应用 但是这些软件极少有商品出售且价格昂贵 而其应 辽宁工程技术大学j 程硕士学位论文 7 用范围亦局限于个别输送机生产公司 通用性仍有待检验 1 3 课题的主要研究方向和内容 带式输送机的动态分析涉及到输送机的主要零部件如 输送带 驱动装置 拉紧装置和制动装置等以及整个系统的问题 单独对某一 部分进行分析并不能体现输送机系统的特征 因此 带式输送机的动 态分析方法是将输送带按粘弹性体的力学性质考虑 综合计入驱动装 置的起制动特性 各运动体的质量分布 线路各区段的坡度变化 各 种运行阻力 输送带的初始张力 带式输送机的挠度变化以及拉紧装 置的形式 位置 张紧力等因素的作用 建立输送机动力学数学模型 以求得输送机在起制动过程中 输送带上的不同点随时间的推移所发 生的速度 加速度和张力的变化 能够预报按传统静态设计方法设计 的输送机可能出现的动态危险和不安全之处 提出改进和调整措施 综上所述论文的主要内容是 1 确定胶带的粘弹性模型 2 建立输送机整机的离散有限元动力学分析模型 并精确建立 头部驱动头部拉紧式和头部驱动尾部拉紧式带式输送机系统动力学 模型 3 建立与输送机相关的数据库 4 开发输送机动态分析仿真系统软件 辽宁工程技术天攀工程硕士学健论文 8 2 带式输送机动力学理论基础 2 l 弓l 言 带式输送机动卷特性分析精在建立舆有机 电 液等复杂系统的 撼体动力学模型和计算机仿真系统 使之能数字化地描述带式输送机 在各种运弦条停下 i e 掌秘突发事救工瑰 系统的渤态睫应秘各种物 理参数熬变化 为设计人员提供一个先避 秘学帮阿靠豹谖诗工兵 通过它还可以比较各种设计方察 调整设计变量和参数以达到总体方 案的优化 辕送飘系统熬麓力模鍪瓣构造考虑静霆素圭要窍 挠度豹彰穗 胶带体本舟的特征 驱动系统的结构类激及其布置方式 拉紫系统的 使置及其敞紧方式 制动方式 因而要得到一个适合实际需要的系统 模型 善毙应该正确缝建立各令维残部分鳃子模型 各主要帮黪建摸 以后 爵从整体考纛受力情况 由于带式输送机的运输距离缀长 带 遮很高 在运转过程中考虑的因素也很多 所以给下一步的模拟仿真 锵来了很多不便 因此建立动力学模型时簧考虑到外部因素的影响 秘蘑一些菠透实际演嚣翦覆没祭箨挺努部霾素转葶i 搿主要帮黪圭 最 厢结合边界条件建藏整机的离散体动力学模型 2 2 胶带的特性及分析 豢式埝遴撬孛传秀牵弓 耧承载黎侮懿荻带是整令系统戆关键因 索 因此含理的对胶带进行分橱有助予盾面对输送机的整体研究 根 据输送带的类型不嗣可将输送带分为织物芯带和钢熊绳芯带两种 织 物芯带是激橡胶和带蕊材料组会丽成 钢丝筑芯带则是由橡胶秘钢丝 绳精舍两袋 毽是 无论哪静类墼豹薮带郄是峦缀窝承载芯凌秘胶豢 母体粘合而成的复含板 在承蹙拉力时表现出较为复杂的力学特性一 一明显的粘弹性 所以在建立带式输送机系统的动力学模型 进行动 态跨缝分糖囊求绥系绕豹装态方程辩 一方瑟磊要鬃决弱是蓬确逮建 赢胶带模溅 模型特征参数的确定以及胶带的粘弹饿动力学特性 另 一方面 巍胶带存在悬垂度情况下 推导蒸于悬垂度的胶带体运动微 分方程 黢带等效撵馁模量及袭达式 确定胶带等效弹性模爨鲍菲线 性特征 研究它与 菠带张力和锈料重量 耗辊闯爨等之闽靛关系 胶带粘弹性力学模型建立的是否恰当 参数确定的是否合理 尤 其是输送骺的弹性模嶷 会直接影响到带式输送机系统的动态分析的 准磷往 精确毪叛及霹靠毪 熬是赉予黢聚蠹熬结魏形式錾多襻毪 离散性使得其力学描述相当复杂 可以说目前尚未肖一种能精确描述 胶带粘弹性特性的力学模型 即使理论上能 给出实际参数也测不出 砭宁工程技术犬学工程硕七学彼论文 9 来 所以大多采用近似的力学模型或者进行试验测定 力争和蜜际接 近 2 2 1 胶带的动力学特性 胶带的粘弹性特性早已为人所知 只是在小型的带式输送机上这 糖特性影响甚镞 不毅入们掰熬褪 然瑟 睫着带或羧送税攀糗长度 的增长 胶带动力学特性的影响越发臻鼗 成为带式输送辊设计过程 中必须考虑的重要因豢 胶带的动力特性主要表现猩以下几个方面 37 1 1 羧帮豹痤力 痊交豹嚣绫毪特毪 荻豢在承受拉力辩 帮使 在很缓慢加载的情况下 拉力和变形 应力0 和应交e 之间的关系也 不完全遵从虎克定律 而呈非线性关系如图2 1 所示 2 胶豢豹臻交黪魏 辑谖羧鬻夔孀交特性是撵瓷终趱在胶豢上戆 力保持不变时 髓着时闻的延续 胶带的变形有所增加 直黧戆于菜 一个定值 如图2 2 所示的蠕变特性曲线 当向胶带施加一个拽伸阶 跃应力仃 c r 0 劈 f t 寸 时 随着畦阍的延长 胶带的成交 不怒同应 力口其有稽簿豹筑律 两兵有灞蒋予应力 豹蕊律 逐渐趋子簸丈蓬 圈2 l 胶带非线性特性 3 6 l圈2 2 胶带的蠕变特性 3 6 1 f i g2 1b e l tn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sf i g2 2b e l ts q u i r mc h a r a c t e r i s t i c s 3 黢鼯的松强耨健 当给胶骺篪蕊一个恒定应交e 时 驳带的拉 伸应力 会随着时间的延长逐渐减少 最后趋于稳定值 如图2 3 所 承松弛特性蛆线 4 蔽 鹣穗经澎爱特毪 黧强2 4 鬓零 荻繁在控薅过程审篷凌 滞后现象 其主要表现是加载和卸载时 蹙力一应变曲线不重合 这一 现象也说明了胶带具有明显的粘弹性 辽宁工程技术大学丁程硕士学位论文 图2 3 胶带松弛特性 3 6 1 f i g2 3b e l ts l a c kc h a r a c t e r i s t i c s 图2 4 胶带粘性滞后特性 3 6 f i g2 4b e l tv i s c o s i t yl a gc h a r a c t e r i s t i c s 5 显著的动态效应 输送带在拉力作用下的变形不仅与拉力大小 和作用时间有关 还与拉力的变化速度有关 而且这种效应相对于金 属材料来说非常显著 达到不可忽略的程度 由于输送带的拉伸特性 与多种因素有关 像金属材料那样用单一的弹性模量来表示不符合实 际 因为输送带 特别是织物芯体输送带 具有突出的动态特性 而其 在输送机上的受力也属于动态情况 所以不论是输送带力学模型的建 立 还是其粘弹性特性的测定 都应考虑动态影响 从以上分析可知 胶带具有明显的粘弹性 拉伸时的应力o 应 变e 的变化规律与许多因素有关 从理论上讲 应力o 和应变e 的关 系应该在无限缓慢加载的情况下测得的 但实际上无法实现 而且胶 带的实际工况是动态应力 因而在研究胶带模型的动力特性时也应该 从动态角度考虑 2 2 2 胶带数 学模型 由以上分析可知 胶带的动力特性具有明显的粘弹性特征 所以 建立胶带的数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 在一定条件下独自反映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 胶带的力学关系可以用这些简单模型的各种组合来构成 3 3 9 1 理想弹性模型又称虎克弹性模型 通常用理想弹簧表示 图 2 5 a 其力学方程为虎克定律 当受单向拉伸时 表达式为 盯 髓口 2 1 式中 s 一一弹性体应变 盯一一弹性体应力 b 一一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 图2 5 b 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 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 盯 栖 2 2 式中 盯 粘性体内的应力 玎 粘性体粘滞系数 毋 一应变率 二季 图2 5 弹性模型和粘性模型 f i g2 5 e l a s t i cm o d e la n dv i s c o u sm o d e l 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 因 此 常常在试验的基础上 通过假设一实验一理论的方法建立材料的 力学方程 通过以上的分析并结合实际情况 建立了胶带的许多种数学模 型 其中主要的有如图2 6 所示 m 一 m m j 一 i 00 芸 州叫等 c d 蝴 等 圈2 6 胶带动力特性的力学模璎 3 6 l f i g2 6b e l td y n a m i c so fm e c h a n i c sm o d e 各种模型的本构关系分别为 1 单一的弹性体元件模型 如图2 6 a 所示 o r e s 2 3 辽宁 c 程技术大学上程硕士学位论文 2 m a x w e l l 模型 如1 虱2 6 b 所示 鼯三嘏睁 盯 2 4 e 呀 3 v o g i t 模型 如图2 6 e 所示 盯 es r 矗 2 51 4 三元件固体粘弹性模型 如图2 6 d 所示 鼹墨占 世上盯 上a t 2 6 7 2e 2 7 2e 2 5 三元件液体流变模型 如图2 6 e 所示 7 1 7 2 番易印l 墨鲁碳 7 l t 2 c 疽 2 2 7 2 2 3 胶带数学模型的确定 胶带数学模型选取原则是 2 3 2 4 l 除了对胶带力学特性的描述具 有一定的精确性以外 还取决于该模型的蠕变特性以及松弛特性是否 同胶带的特性相似或一致 更需要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 通过分析上述各种模型可以得出 弹性元件不能反映胶带的粘性 特点 不能精确反映出胶带的动态特性 因此不适合作胶带的动力学 模型 m a x w e l l 模型的蠕变特性呈线性 松弛特性是呈指数规律 这 种模型比较适合模拟胶带对应变的响应 而不能模拟对应力的响应 因此不适合作胶带的粘弹性模型 v o g i t 模型比较适合作胶带的蠕变特 性的研究 但松弛特性却表现不出来 该模型能模拟胶带对应力的响 应而不能模拟对应变的响应 三元件固体粘弹性模型 三元件液体流 变模型以及更多元件组成的模型 它们的蠕变特性和松弛特性都具有 指数规律 能更加逼真地描述实际粘弹性材料的特性 但是模型元件 越多 模型参数越难以测定 目前还没有成熟的测试方法和仪器 因 此实际中限制了它们在带式输送机动态分析中的应用 分析上述几种模型 可以发现对复杂的力学模型进行定量描述和 动态分析 其数学处理过程很繁琐 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 在实际应用中也要求计算处理过程简单 易操作 在大功率带 式输送机中 胶带大多为钢丝绳芯带 拉紧装置多数为自动或重锤式 因而在运行过程中产生的松弛效应并不明显 这就使得胶带的动力模 型主要考虑胶带对应力的响应 忽略对应变的响应 一般而言 胶带 的弹性主要由带芯材料决定 而粘性则由橡胶材料决定 在胶带的实 际使用中 对胶带的最基本要求是带芯材料与橡胶不能剥离 因此要 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 求带芯材料与覆盖橡胶的应变保持一致 这点正是v o g i t 模型所能满足 的 而且这种模型的参数比较容易测定 因此 根据上述分析并结合国内外有关胶带的动力学特性的实际 情况 突出反映胶带的粘弹性 采用v o g i t 模型来加以描述和分析是比 较合适的 2 2 4 基于悬垂度胶带等效弹性模量及非线性特性分析 胶带是平放在托辊上的 由于自重的作用它会产生悬垂度 在悬 垂状态下 胶带的力学特性不仅包括前一节所介绍的特性 还应包括 另外一种特性一一悬垂度 关于悬垂度的研究 以前只是分析了它对 胶带和物料运行稳定性的影响 却没研究它对胶带力学特性和输送机 动态性能的影响 尤其在现代化的带式输送机上 托辊间距越来越大 悬垂度对胶带力学特性的影响也会很大 因此本文对悬垂度再次研 究 同时对胶带等效弹性模量加以分析 例2 7 胶带悬垂度 f 逸2 7b e l ts a g 如图2 7 所示 托辊间距为 物料单位长度的重量为g 胶带单 位长度的重量为吼 输送机倾斜角度是口 胶带最大悬垂度为屯 胶 带弧线长度为k 那么它们之间的关系为 4 1 l 铲些学 2 8 l o 1 4 塑 笋坐 f m 6 和 2 9 0 l 可见 当a 0 0 2 5 1 时 l o 1 0 0 2 所以 在一定范围内可以认为 l o 另外 由 的表达式不难看出 实际上是胶带张力的函数 而胶带 张力又是随其位置x 的不同而变化 因此 也是胶带位置工的函数 当胶带张力由r 增加到f 胶带弧线长度变小为 不考虑弹性变形 即 辽宁r j 程技术大学工程硕士学位论文 1 4 4 国 吼 2 3 c o s 2 口 专一声1 2 1 0 所以 由托辊间弧长的变化所引起的胶带应变为 如等 坠竿坐畴一如 l ql q j f f j 又根据寨勒级数 f 届 篆斑 刍等陋h 2 1 2 若只取前两项得 f f o 娑出 2 13 代入上式并取l o 得如塑塑掣娑出 2 1 4 f 苏 另外 当胶带张力由r 增加到f 时 所引起的胶带 粘 弹性应变为 如嚣 南篆出 2e bb 一一办 i l l be b x 式中 一一胶带单位宽度弹性模量 即无垂度理想状态时胶带弹性 模量 n c m b 一一胶带宽度 c m 最后 再考虑一种特殊的胶带 设它j 平直地放置在托辊上 即为 无垂度的等效情况 在这种情况下胶带害效应变值为 s 罢 去罢威 2 16 a 弘面2 面面出 2 a 式中 e 一一胶带等效弹性模量即存在垂度时胶带弧线上的弹性模 量 由于实际应变值应该与等效应变值相同 即 占 s 7 s 2 1 6 b 所以 去篆出 堑塑笔f 尘生望o x 凼 南eb 篆出 2 郴 e b 敏 j 教 化简得胶带等效弹性模量为 肚蕊运肇写 2 1 8 辽 争工程技术大学工程硕士学位论文 1 5 当输送机几乎是水平即c o s t z 1 式 2 1 8 可变为 l f f 兰生 一 2 1 9 l 堑掣e b j u 以上分析可以证明胶带等效弹性模量与所选取胶带的类型无 关 无论对m a x w e l l 模型还是对v o g i t 模型都是一样适用 还须说 明的是 在式 2 18 和 2 1 9 中如果胶带弹性模量是静态 那么它 的等效弹性模量也一定是静态 如果胶带弹性模量是动态 那么 它的等效弹性模量也一定是动态 2 3 胶带动力学方程的建立 因为在整个带式输送机系统中胶带起着举足轻重的作用 因此合 理建立胶带的动力学方程对整个系统非常重要 胶带的参数不仅与时 间有关 还与胶带的位置有关 假定 是胶带在横断面x 处的位移 如 图2 8 所示且有u f x r 因此作用在胶带微元段上 鼻和x d x 断面 的力 有弹性力 惯性力和运行阻力 下面设胶带为平直情况 即为无垂度 的等效情况 其弹性模量为等效弹性模量 兀 主器 礤 d 铲 乳 叙 oh 图2 8 胶带微元段受力图 f i g2 8f o r c e sa c t i n go nb e l tu n i t 根据力的平衡条件列出单元的平衡方程为 4 2 4 3 1 o f i x 一t m 0 2 u 扩 x t w f z f 2 2 0 a 其中取距原点 的距离为x 处的单元为出 在x 处作用的张力为f x t 位移为u o t h x t 为作用在单元上的阻力 在综合考虑输送带的物 理方程 几何方程 边界条件和初始条件就可以得出输送带的方程解 但是其中遇到的问题很多 例如 物理方程的准确选取 边界条件的 确定等等一系列问题 而此方程几乎无法得到准确的解析解 所以本 文采用离散有限元方法对输送带建模 前面已经分析了胶带的数学模 型选用v o g i t 模型 因此当将输送带划分成若干个单元后 单元i 刚度 鼻 t i 阻尼q c j l 质量坍 运行阻力w i 的作用 若其位移为 4 3 1 自 三卜r 罗 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 1 6 如图2 9 利用力的平衡方程得到单元f 的动力学方程为 4 4 4 6 l 图2 9 单元i 的力学模型 f i g2 9m e c h a n i c a lm o d e l0 nt h eu n i ti 鸭司讳毛 一n i i 一毛 峨 1 一虬 2 2 1 c j 埠一壤 一q 壤 一勘 嵋 0 将其改写成 肌 母一k u 一l 屯 七f 1 一七 l 2 2 2 一c i 壤1 c 1 埠一c l 壤l 一川 2 4 驱动装置动力学方程的建立 假设胶带与驱动滚筒之间只有弹性滑动而无相对滑动 驱动滚筒 的质量可以作为惯性质量 与托辊相似 折算到与其相接触的胶带段 中去 实际上 由于胶带的受力伸长 驱动滚筒与其上胶带段在围包 角范围内会产生一些局部相对滑动并影响到围包角的大小 但这属于 正常的运行工况 且在没有出现整体滑动的情况下对输送机的整机运 行特性影响不大 所以本文没有考虑整体相对滑动的情况 因此驱动 单元的动力学模型与输送带单元类似 其动力学方程为 m 母一t h t t 一七州材 1 一c l 壤l p i c f 1 埠一c j l 壤i 一w t 乃 2 5 拉紧装置动力学方程的建立 带式输送机在起动 运行 制动等工作过程中 输送带会由于拉 力和惯性的作用发生蠕变 能够导致输送带变长松弛而无法工作 输 送带拉紧装置是保证输送带具有一定拉紧力 不发生打滑现象而正常 工作的重要部件