【《基于ADAMS的刮板输送机异常载荷动力学仿真分析案例》4700字】

1 基于ADAMS的刮板输送机异常载荷动力学仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u23492基于ADAMS的刮板输送机异常载荷动力学仿真分析案例 1226811.1建立仿真模型及预处理 168591.1.1模型简化及预处理 1285021.1.2接触参数的选取 242901.2多边形效应对动力学特性的影响分析 4158821.3卡链工况动力学特性分析 9300771.4断链工况动力学特性分析 111.1建立仿真模型及预处理1.1.1模型简化及预处理由于实际刮板输送机机头、机尾链轮中心距离为200m，若直接将整机模型导入ADAMS中进行仿真，会因模型复杂而难以进行，所以需对模型进行简化，在不影响仿真结果的基础上，将模型中对仿真结果影响不大的链轮轴、中部槽等结构省略，本章主要分析链轮多边形效应以及卡、断链工况下输送机的动力学特性，所以仿真模型由驱动链轮、链环构成单链型、双端驱动的刮板输送机。利用SolidWorks来完成链传动系统三维模型的建立与装配，仿真模型所使用的模型尺寸值等（参照SGZ800/1050型）详见表4.1，然后将副本.x_t格式文件导入到ADAMS软件中，由于ADAMS软件的特殊性，将模型导入后，模型质量以及相互间的约束会全部消失，所以在仿真前需要对模型进行前处理，前处理主要包设置模型参数、添加组件间约束、定义组件接触形式、施加驱动、施加运行阻力、校验模型等，流程如图1.1所示。图1.1ADAMS前处理流程Figure1.1Adamspretreatmentprocess前处理完成的链传动系统三维模型如图1.2所示，为了更准确的模拟真实工况，仿真过程中考虑运行阻力，为了便于后续对仿真结果的描述，对链环进行编号。图1.2前处理完成的链传动系统简化模型Figure1.2Simplifiedmodelofchaindrivesystemafterpreprocessing1.1.2接触参数的选取链传动系统各组件之间的力传递时通过定义组件之间的接触力来实现的，平环与立环之间、平环与链轮之间均需要对接触力进行定义，本文采用基于Hertz接触理论Impact（等效弹簧阻尼方法）函数模型来计算组件之间的接触力，使用该模型需确定以下关键参数：（1）接触刚度组件间的接触刚度与组件的弹性模量、接触点几何形状等因素有关，可用式（1.1）计算相互接触两个物体间的接触刚度： （1.1）式中，K——接触刚度；、——；、——；、——。（2）穿透深度：指两物体相互接触时，实体穿透的最大值，该值范围为0.1~1，根据经验，刚接触一般取0.1mm。（3）接触阻尼接触阻尼是最大阻尼系数，仿真过程中的阻尼系数通过式（1.2）确定： （1.2）式中，C——最大阻尼系数，由式（1.3）确定；——；X——；——。 （1.3）式中，——；——；——。通过以上计算可以看出，ADAMS在计算接触力时，接触刚度是不变的，但在实际仿真过程中，由于链环之间的相互作用，会导致接触点形状发生改变，从而接触点曲率半径变化，使得接触刚度在仿真过程中是实际也在不断发生变化。结合本文对使用的链轮和链环材料和尺寸的相关计算以及多次调试，确定接触刚度为，接触阻尼为，这样模型可以快速达到相对稳定状态。（4）摩擦力摩擦力采用库伦摩擦计算模型，该模型在仿真过程中同时考虑两接触物体的动摩擦和静摩擦，仿真过程中摩擦力由式（1.4）确定： （1.4）式中，——两物体接触点的摩擦力；——；——；——；——；——；——；1.2多边形效应对动力学特性的影响分析在第二章我们对刮板输送机多边形效应的原理以及对刮板输送机运行产生的影响进行了分析，得知链轮以一定速度运行时，与之啮合的链环会存在水平方向的加速度，从而造成有载侧和无载侧链条速度不平稳和链条纵向产生位移波动，引起刮板输送机振动。本节对两端驱动链轮设置不同的角速度，研究不同转速下，多边形效应对链传动系统动力学特性的影响。由式（4.12），本节仿真使用的链轮节圆半径，驱动链轮转速可由刮板链速计算得出： （1.5）分别对链条速度为1.5m/s、1.2m/s、0.8m/s进行仿真，由式（1.5）得对应链轮转速分别为：5rad/s、4rad/s、2.67rad/s，所以对两端链轮转动副依次设置step（time,0,0,0.5,5）、step（time,0,0,0.5,4）、step（time,0,0,0.5,2.67），如图1.3所示，为避免启动时出现冲击，设定链轮速度在0-0.5s的时间内线性增加，然后进入平稳运行阶段，设定仿真时长为3s，给圆环链施加3KN的直线力，模拟运行过程中的负载阻力。图1.3不同链速下驱动链轮设定转速Figure1.3Setspeedofdrivesprocketatdifferentchainspeeds首先对刮板输送机带载起动到恒速运行的状态进行分析，在链速为1.2m/s时，提取平环14得到启动到恒速运行过程中速度变化曲线如图1.4所示：图1.4刮板输送机启动-恒速运行圆环链速度曲线Figure1.4Speedcurveofscraperconveyorstartingconstantspeedrunningringchain从图1.4启动时，可看出，启动刮板输送机后0-05s，驱动链轮在加速阶段，由于施加了预紧力，且启动瞬间各零部件是静止的，相互间存在一定间隙存在，从而在该时间段内链环速度存在明显的波动；0.5s后，恒速运行的过程中，链环的速度波动则是由于链轮多边形效应引起的。同时，提取启动到恒速运行过程中立环13与平环14之间、立环31与平环32之间平环接触力的变化曲线分别如图1.5a、图1.5b所示。图（a）立环13与平环14之间接触力图（b）立环31与平环32之间接触力图1.5刮板输送机启动-恒速运行圆环链接触力曲线Figure1.5Contactforcecurveofscraperconveyorstartingconstantspeedrunningringlink从以上两图中可看出，圆环链在紧边运行时，链环之间的接触力比较大，大约在0.9×105N左右波动，图1.5b中，在1.1s左右，圆环链与链轮进入啮合阶段，链环逐渐向松过渡，接触力随之降低，1.4s左右，链环经过链轮运行到松边后，链环间接触力在零值附近波动；还可以发现，在紧边链环间接触力波动比较明显，时而会出接触力的突变，而在松边，运行比较平稳，链环之间接触力波动较小；对比两图可看出，启动瞬间，由于链环之间的冲击作用，瞬间接触力可达到稳定运行时的数倍，所以刮板输送机容易在起动的一瞬间发生断链故障，所以合理控制刮板输送机的起动速度是非常重要的。为研究不同链速下，链轮多边形效应对有载侧链条波动的影响，选取靠近机尾处平环12为研究对象，得到链条不同的运行速度下，该链环从机尾向机头的运行过程中纵向位移的波动范围，用其在坐标系中的y坐标进行表示，如图1.6所示。（a）链速1.2m/s（b）链速0.8m/s（c）链速0.6m/s图1.6不同链速下平环12的纵向位移波动影响情况Figure1.4Influenceoflongitudinaldisplacementfluctuationofflatring12atdifferentchainspeeds观察图1.4中不同曲线，可看出，在链轮多边形效应的影响下，链条纵向波动具有周期性，且纵向波动的周期频率会随着链条速度的加快而增大，链速为1.2m/s时，波动周期约为0.2s，链速为0.6m/s时，波动周期约为0.75s；且链条纵向波动幅度随链速增大呈现递增趋势；所以在刮板输送机的设计过程中，需结合现场需要对链速和链轮齿数进行合理设计，在不影响经济效益的基础上，适当的减小链速可以提高整机运行的平稳性。为研究链速在不同运行速度下，链轮链环从啮合到分离过程中接触力的变化规律，提取了不同链速下依次与链轮啮合的平环与链轮链窝的接触力如图1.7~图1.9所示：图1.7链速为1.5m/s时依次与机头链轮啮合的平环与链窝的接触力Figure1.7Contactforcebetweentheflatringandthechainsocketwhichmeshwiththeheadsprocketinturnwhenthechainspeedis1.5m/s图1.8链速为1.2m/s时依次与机头链轮啮合的平环与链窝的接触力Figure1.8Contactforcebetweentheflatringandthechainsocketwhichmeshwiththeheadsprocketinturnwhenthechainspeedis1.2m/s图1.9链速为0.8m/s时依次与机头链轮啮合的平环与链窝的接触力Figure1.9Contactforcebetweentheflatringandthechainsocketwhichmeshwiththeheadsprocketinturnwhenthechainspeedis0.8m/s图1.7~图1.9显示了不同链速下链传动系统先后进入啮合状态的5个平链环与驱动链轮之间接触力变化情况，由于第42个平环在启动前就与链轮接触，所以在启动瞬间产生很大冲击力，超过2×105N，且在0~0.5s链轮加速期间接触力不断波动，链轮速度在0.5s之后稳定，各个链环与链轮的接触力相对比较平稳；由图还可看出，链速越大，链轮与链轮啮合过程中接触力的达到最大值所需时间越短，且接触力极值随链速减小能保存更好的一致性，是因为链轮链环啮合时的冲击不一样导致的，链速越大，产生的冲击越大；以0.8m/s的链速为例，链速较低时冲击较小，所以各个平环与链轮啮合的接触力极值基本一致，第42个平环运行到0.35s时第38个平环与链轮开始啮合、0.6s左右第36个平环开始与链轮啮合、第0.8s左右第34个平环与链轮开始啮合，各个链环与链轮的接触力变化趋势基本一致，链环在接触链轮1s后左右逐渐与链轮脱离，接触力不断下降最终归零；通过以上仿真结果可得知，由于驱动链轮具有多边形效应，当链速较大时会影响刮板输送机整机运行的平稳性，使得链轮链环啮合过程中接触力极值增大，从加剧链轮链窝与圆环链之间的磨损，当受到大块物料冲击时，容易发生断链故障。1.3卡链工况动力学特性分析在卡链、断链工况的仿真中，如何来模拟链条卡住和断裂是比较难的，本文选择使用ADAMS软件分析平台中的脚本仿真来模拟刮板输送机瞬态卡、断链工况，工况设定是通过编译程序来控制，既用SimulationScript脚本命令来控制，利用脚本中的AdamsSolver命令，设置每一步的仿真步数、持续时间以及接触副生效、失效时间。为了在仿真过程中模拟刮板输送机的卡链工况，我们通过给链环12添加一个相对于地面的固定副，如图1.10所示。图1.10卡链工况模拟Figure1.10Simulationofchainclampingcondition所添加固定副在链传动系统平稳运行的1.5s生效，以实现链条运行中被瞬间卡死，被卡住位置的链环速度立刻下降为零，从起动-恒速运行-卡链过程中被卡住链环的速度变化如图1.11所示：图1.11从起动到卡链过程中被卡住链环速度变化Figure1.11Thechangeofthespeedofthelockedlinkfromstartingtochainclamping图1.12卡链时右侧链环间接触力变化曲线Figure1.12Changecurveofindirectcontactforceofrightchainlinkduringchainclamping图1.12显示了卡链工况下平环14与立环15之间接触力的变化曲线，可看出，卡链之前，链环之间的接触力在7.5×104N上下波动，链条被卡住之后，由于该接触位置位于卡住位置右侧，接触力直线上升超过3×105N，是平稳运行时的4倍还多，此时若不能及时给驱动系统断电或电机不具备限制最大转矩的功能，则会出现强烈的冲击振动现象，导致链环出现塑性变形，严重则引发断链。图1.13卡链时左侧链环间接触力变化曲线Figure1.13Changecurveofindirectcontactforceofleftchainlinkduringchainclamping图1.13显示了卡链工况下平环10与立环11之间接触力的变化曲线，0-1.5s阶段链环之间的接触力与图1.12中大致一样，由于该接触位置位于被卡住左侧，在1.5s链条卡住瞬间，链环之间先是由于惯性的作用链环分离，所以接触下降为零，之后则是由于链条振动，两链环发生碰撞，有轻微的接触力出现。1.4断链工况动力学特性分析目前的研究中，大多都是对刮板输送机卡链工况下链条张力及速度变化进行仿真分析，对链条断链工况的模拟较少，但是断链也是刮板输送机常见且后果比较严重的工况，所以本节对刮板输送机断链后，链条张力及速度变化特性进行了仿真分析。对断链工况的仿真中，如何来模拟链条断裂是比较难的，本节通过仿真脚本设置两个接触的圆环链之间接触副失效，这样两端链条失去约束，在链轮驱动和重力作用下发生断链，脚本语言设置如图1.14所示。图1.14模拟断链工况仿真脚本Figure1.14Simulationscriptofsimulatedchainbreakingcondition前1.5s完全按照稳定工况平稳运行，设定脚本在第1.5s时让特定的链环间接触副失效，总共选取了具有代表性的两个具有代表性的断链位置，分别为有载侧机尾链轮附近、有载侧中间位置，断链工况的仿真模型如图1.15所示，针对两个不同位置，分别进行仿真。图1.15断链工况下链传动系统仿真模型Figure1.15Simulationmodelofchaindrivesystemunder