带式输送机动态特性仿真研究

带式输送机动态特性仿真研究

带状颗粒输送是现代分散材料运输的主要设备。它在国内外以其安全、高效的连续输送优势而闻名。它已广泛应用于冶金、化工、采矿、发电厂和港口等行业。它的发展方向越来越朝着长距离、大规模、高运行性和快速发展。事实证明,长距离、大功率、高速化及地形复杂化已经使带式输送机面临一系列的动力学及驱动控制问题,对带式输送机的动力学特性分析显得尤为重要,但目前国内外对输送机的动力学研究多建立在均匀负载基础上,而受工况限制,带式输送机的起动和制动有时会在变负载的情况下进行,如果只按照均匀负载的情况分析,其结果就会存在误差,不能较好地指导生产实践,甚至还会造成一些事故,如输送带和传动滚筒之间的打滑加剧输送带和滚筒的磨损,严重时会使输送机起动失败;输送带某些点的张力过小,在托辊间输送带的垂度过大,有时会出现输送带重叠而导致停机事故等。本文拟对带式输送机变负载情况进行动力学分析,以胶带的粘弹性动力学方程为基础,在Matlab软件环境下仿真变载荷起动情况下输送机胶带的动张力,为输送机的安全高效运输以及合理设计输送机各部件参数提供依据。1内旋转轴展及张紧系统组成为了准确描述和研究带式输送机的动态特性,将带式输送机作为一个弹性体连续系统,建立弹性体胶带的惯性、弹性、阻尼均为连续分布的力学模型。由于弹性体可以看做是无数个质点组成,所以连续系具有无限多个自由度,能有效地仿真带式输送机系统,带式输送机主要由闭环的承载胶带、托辊、驱动装置、改向滚筒与拉紧装置组成,采用固定绞车张紧方式的带式输送机系统简图如图1所示。参考文献,把输送带在静张力作用下产生的变形称为静位移,用w=w(x,t)来表示;把输送带在动张力作用下产生的变形称为动位移,用u=u(x,t)来表示,其中0<x<L,t≥0。给定E为胶带的弹性模量(N/mm2),A为胶带的面积(mm2)。设带式输送机的胶带长度为L,a(t)为带式输送机的加速度(m/s2),在时刻t距原点为x处的输送带的弹性位移为U=U(x,t),则输送机粘弹性动力学方程为最终可简化为边界条件及初始条件为式中L——输送带长度,mqRO——承载分支托辊旋转部分单位长度质量,kg/mqRU——回程分支托辊旋转部分单位长度质量,kg/mqB——输送带单位长度的质量,kg/mqG——输送物料单位长度的质量,kg/mF1——承载分支的运行阻力,kNF2——回程分支的运行阻力,kNη——输送带的粘度系数j1——承载分支弹性波传播速度,m/sj2——回程分支弹性波传播速度,m/sj——弹性波平均传播速度,m/s2动张力的计算直接求解方程(2)非常困难,为了便于求解,在起动过程中设置一个预起动和低速爬行阶段,使输送机胶带的静张力与输送机稳定运行时的相同,然后再进行主加速使输送机达到额定速度。设输送带的0~L1段无物料(单位长度质量为q1),L1~L段物料均匀分布(单位长度质量为q2),见图1。采用分离变量法和广义坐标法,可以得方程(2)的解为从而可得动张力公式为式(4)是胶带动张力关于位置和时间的解析解,其表达形式和计算比较复杂,很难应用于工程设计中。Matlab软件具有强大的数学分析和仿真能力,因此,本文在式(4)的基础上利用Matlab软件对胶带的动张力进行分析。3含载荷带动态特性基于上述理论用Matlab软件对某矿主斜井带式输送机在采用抛物线形组合加速度曲线起动时的动态特性进行仿真,抛物线组合加速度曲线的计算公式式中V——带式输送机正常运行时的带速T——设定的输送带起动时间该带式输送机主要性能参数:胶带单位长度质量为q1=100kg/m,物料和胶带总单位长度质量为q2=480kg/m,无载荷段输送带长度为L1=3000m,输送带总长度为L=5540m,输送带弹性力为EA=138×106N,粘度系数η=0.1,输送带带速为V=4m/s,起动时间为T=160s。下面分别对带式输送机在空载、满载和变载3种负载情况下的动态特性进行仿真。空载时,令q2=100kg/m,L1=5540m,便可以得到空载时动张力—时间—位移图、x=5540m处动张力—时间二维视图、t=80s时的动张力—位移二维视图如图2所示。满载时,令q1=480g/m;L1=0m,得到满载时动张力—时间—位移图、x=5540m处动张力—时间二维视图、t=80s时的动张力—位移二维视图如图3所示。变载时,q1=100kg/m,q2=480kg/m,L1=3000m,得其动张力—时间—位移三维图,x=5540m处动张力—时间二维图,t=80s时的动张力—位移二维图如图4所示。由上面给出的空载、满载和变载情况下的动张力二维视图,可提取动张力峰值,得数据见表1。4变载时最大时负载通过表1和仿真图形可得到如下结论:空载和满载时,位移轴上的图形是关于中点对称的;而变载时,以载荷有无交界点为界,前后动张力图形明显不同,后面峰值明显大于前面的。变载情况下正向峰值介于空载和满载之间,虽然无物料段和有物料段分别与空载和满载时输送带单位长度质量相同,但是无物料段动张力大于空载时的,有物料段动张力小于满载时的,变载时的负向峰值和5540m处峰值也具有同样的特点。由上述结论可以看出,变载情况下动张力情况并非一段与空载时的相同,另一段与满载时的相同,其动张力波动情况要复杂得多,从理论上验证了变载分析的必要性。另外这里还隐含着一个更重要的结论:虽然本文假设有载段物料是均匀分布的,但对于整条输送带来说,从无载段到有载段的过渡相当于放大了的2段不均匀负载,而上述变载情况下的动张力情况已经比空载和满载时的复杂多了,所以一旦负载并非均匀时,动张力情况就更加复杂了。因此