帶式輸送機動態(tài)特性數(shù)值模擬及仿真分析

題目：帶式輸送機動態(tài)特性數(shù)值模擬及仿真分析緒論1.1選題的目的和意義在現(xiàn)代物料運輸中，帶式輸送機的十分重要的設(shè)備，無論是在冶金、電力、煤礦及港口，還是在大型工廠、流水生產(chǎn)線上，都被十分廣泛的運用。帶式輸送機是一種結(jié)構(gòu)較簡單、運行平穩(wěn)、適應(yīng)性強、耗電小的輸送設(shè)備，它的運輸能力很大，而且不需要投資太多的資金。帶式輸送機的類型多種多樣，主要有氣墊式帶式輸送機、壓帶式帶式輸送機、大傾角的帶式輸送機和強力帶式輸送機等。隨著人類工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們對大運量、長距離運輸、高帶速的帶式輸送機有著更高的要求，同時這也是當(dāng)今帶式輸送機的發(fā)展主流。為滿足應(yīng)用到各類環(huán)境中的帶式輸送機，那就必須對其設(shè)計、性能等進行改進。就煤礦行業(yè)而言，應(yīng)用到這行業(yè)中的帶式輸送機就要求是大運量、長距離運輸類型的帶式輸送機。從目前煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀來看，礦山想增大生產(chǎn)能力，提高經(jīng)濟效益，那就要提高礦山的運輸能力。因此，怎樣才能科學(xué)合理的提高作為礦山運輸設(shè)備帶式輸送機的運輸能力是當(dāng)前的關(guān)鍵問題。要解決這個問題，那就需要對帶式輸送機系統(tǒng)的動態(tài)特性進行全面深入的研究。一般來說，帶式輸送機設(shè)計采用的都是靜態(tài)設(shè)計法，這對帶式輸送機零件的設(shè)計影響可能并不大，但對實際運動的情況而言還是會存在許多不確定的問題的。所以，我們需要對運動的帶式輸送機進行動態(tài)分析，找出具體問題才能更好的改善帶式輸送機的動態(tài)性能。因此，本文利用ADAMS對其進行了數(shù)值模擬和動態(tài)特性仿真分析，從動態(tài)的角度來對帶式輸送機進行仿真實驗。1.2帶式輸送機的現(xiàn)狀分析據(jù)說現(xiàn)代的刮板輸送機與斗式提升機的前身，其實就是我國古代提水用的翻車和高轉(zhuǎn)筒車；17世紀(jì)中葉，人們開始應(yīng)用架空索道來運輸散狀的物料；19世紀(jì)中葉，各種各樣現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的輸送機才相繼出現(xiàn)[1]。當(dāng)今時代，科學(xué)技術(shù)的不斷提高帶動了各類機械設(shè)備的發(fā)展，對于帶式輸送機亦是如此?？偟膩碚f，目前國內(nèi)外帶式輸送機技術(shù)都在不斷向前發(fā)展，其具備的功能也越來越完善了。而我國與國外的帶式輸送機相比較的話，我國在某些技術(shù)方面仍與其存在一定的差距。其中的差距包含帶式輸送機可靠性和壽命的差距、技術(shù)性能方面的差距、大型帶式輸送機核心技術(shù)方面的差距等。這就是我國帶式輸送機的基本現(xiàn)狀。從目前來看，如今帶式輸送機設(shè)備有著向大型化方向發(fā)展的趨勢，也就是說應(yīng)用于各類采礦行業(yè)的大型帶式輸送機將會得到更好的發(fā)展。其發(fā)展的方向主要包含提高各組件的性能和可靠性，提高運輸能力，開發(fā)多功能機型以及新的專用機型[2]。在20世紀(jì)的前蘇聯(lián)，帶式輸送機的動態(tài)研究就開始了，主要是在簡化力學(xué)模型上進行分析，提出了第一個帶式輸送機非穩(wěn)定狀態(tài)運行期間動態(tài)分析的計算公式[3-10]。國外的研究早于國內(nèi)，并且取得很大的成果，如形成了以行波理論為基礎(chǔ)的動態(tài)分析方法、利用有限元等大型軟件對帶式輸送機進行動態(tài)模擬等[11]。在國內(nèi)，于巖等人建立了基于連續(xù)單元動態(tài)分析的模型，給出了邊界問題的振動解[12]。劉英林等人假設(shè)輸送帶作為彈性體，得出應(yīng)力波的傳播速度的計算公式[13]。除此以外，國內(nèi)一些研究工作者也從不同的角度來對其動態(tài)問題進行了探討和分析，得到了一些寶貴經(jīng)驗[14-15]。近年來，ADAMS虛擬樣機技術(shù)越來越多的被廣泛應(yīng)用到各個機械領(lǐng)域當(dāng)中，本課題就是運用該軟件對帶式輸送機進行簡單的數(shù)值模擬及仿真分析。1.3研究的主要內(nèi)容1)根據(jù)帶式輸送機的動力學(xué)特性，總結(jié)其主要的影響因素，并根據(jù)粘彈性理論確定輸送帶模型及拉緊裝置的類型。2)根據(jù)實際帶式輸送機的結(jié)構(gòu)，簡化模型機構(gòu)，確定主要約束副及參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)建模仿真。3)利用ADAMS2013軟件對模型進行仿真分析，其中包括無張緊裝置時輸送帶的動態(tài)特性分析和有張緊裝置時輸送帶的動態(tài)特性分析，并對比不同驅(qū)動速度下的動態(tài)特性。從而總結(jié)出張緊裝置對輸送帶動態(tài)特性的影響，并選出更經(jīng)濟更合適的張緊裝置方案。2帶式輸送機的動力學(xué)模型2.1影響因素在實際工作環(huán)境中，影響輸送帶的動態(tài)特性的原因有很多，比如輸送帶自身的運動特性，輸送帶運行時所受阻力，運輸物料的慣性，驅(qū)動力和制動力，拉緊裝置的影響等等。1）輸送帶自身的運動特性：輸送帶在運動時，是承受拉力而運動的，這過程中有很復(fù)雜的力學(xué)特性。這其中包括：輸送帶的滯后現(xiàn)象，即加載和卸載應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不一樣；應(yīng)力與應(yīng)變的非線性關(guān)系；明顯的蠕變和松弛現(xiàn)象；在拉力作用下的變形及速度的變化等。2）輸送帶運行時所受阻力：其阻力有四個部分組成：①一般的輸送帶都是個不完全彈性體，即在縱橫方向上的剛度是有限的，所以輸送帶在托輥之間會產(chǎn)生一定的變形，而且在大概在輸送帶中間的變形最大；②輸送帶變形會產(chǎn)生一定能量的損失，而這部分能量用輸送帶的變形阻力來表示；③輸送帶上零散物料會隨輸送帶變形而產(chǎn)生變形，同樣也屬于其變形阻力；④兩滾筒的旋轉(zhuǎn)也會對皮帶產(chǎn)生阻力，這是不可忽略的[16]。3）運動物體的慣性：輸送機運動的部分有兩個，一個是滾筒轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量，一個是輸送帶的運動以及輸送帶上物料的運動慣性。4）驅(qū)動與制動特性：輸送帶的動力部件主要就是驅(qū)動裝置和制動裝置，這兩個的性能對輸送機的運輸成本、運輸能力、輸送帶的張力、以及運行過程中的穩(wěn)定性和安全性等也是很重要的。5）拉緊裝置：拉緊裝置即是張緊裝置，在帶式輸送機中是不可或缺的部分，它可以解決實際中帶式輸送機經(jīng)常碰到的問題，比如運行過程中張力的損失，驅(qū)動和制動時的打滑現(xiàn)象以及沖擊力等問題。2.2輸送帶的動力學(xué)模型的確定2.2.1粘彈性理論分析帶式輸送機系統(tǒng)的運行過程是一個不穩(wěn)定的工況，因為速度和加速度在起動時變化非常大，往往使得輸送帶中的動張力在開始的時候就達(dá)到了最大值。輸送帶與驅(qū)動滾筒的啟動阻力的大小會影響到啟動的平穩(wěn)以及啟動所需時間。因此，減小輸送帶的啟動阻力對于帶式輸送機的優(yōu)化是非常重要的。實際中，對輸送帶相對垂度的要求是十分嚴(yán)格的，而且運行中輸送帶的撓曲變形主要就是彈性變形，因此，將輸送帶視為有縱向載荷的兩端固定薄板小撓度彎曲，這會隨著垂度的增加而產(chǎn)生一定程度的誤差。由于輸送帶的橫向撓曲變形是很小的，為了簡化計算過程，假設(shè)其撓度只與x有關(guān)，與y無關(guān)。則輸送帶的控制方程簡化為：d4w1dxw1|x1=±式中w1——D1——D1=ExhNx——Ex——縱向彈性q0——ν——輸送帶的泊松比ν——運行速度l——托輥間距ρ——單位面積質(zhì)量h1——考慮到一般的工程實際中，NxD1w1=Achλx1+B-其中，A、B由下式確定A=q0l2λ3B=q0l282.2.2粘彈性模型的選擇在輸送帶動力學(xué)特征中，最為重要的就是粘彈性。就當(dāng)前來說，摩擦、阻尼和彈性這三種是最基本的粘彈性元件，而根據(jù)他們的組合形式的不同，所以建立的粘彈性模型也是不同的。其類型主要有麥克斯韋爾模型、伏格特模型、三元件粘彈性模型[17]。麥克斯韋爾模型是由線性彈簧與阻尼器串聯(lián)而成的，同時它也叫做松弛模型。它的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系如下：dσdt=Εdεdt-στ式中τ為流變常數(shù)，τ=η這種模型是粘彈性液體的流變模型，多用于液體建模中。伏格特非松弛模型即是開爾文模型，這個模型是由彈性元件與阻尼元件并聯(lián)組成的。而且在純拉伸情況下，該模型的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系如下：σ(t)=ΕΒε+ηdε保持σ不變，積分可得：ε=σ0ΕΒ1-e該模型是物體的蠕變和彈性后效現(xiàn)象，即是突然卸載的時候變形不是瞬間消失的，而是在一定的時間內(nèi)慢慢變小。在施加載荷的瞬間，模型的初始變形是等于零的。如果σ保持不變的話，該應(yīng)變趨于一個穩(wěn)定值。三元件粘彈性模型是以麥克斯韋爾模型和伏格特模型為基礎(chǔ)建立的，該模型不僅僅可以反映物體的粘彈性，還能反映物體的流變性[18]。以上三種粘彈性模型是最為常見的了，其中麥克斯韋爾是粘彈性液體流變模型，所以它是不可以作為輸送帶的粘彈性模型。三元件粘彈性模型是各類研究中用得最多的，同時它也是研究輸送帶的比較理想的模型特別是對于固定式拉緊裝置的帶式輸送機更為合適。然而現(xiàn)實中，確定其參數(shù)的合理方法并沒有發(fā)現(xiàn)，所以這種模型也只是理論上運用得多，在實際中并沒有得到應(yīng)用。伏格特非松弛模型不能反映物體的流變過程，但是其模型參數(shù)是很容易確定的，而且該模型也可以很好的反映物體的動態(tài)彈性過程，大多的帶式輸送機都是采用恒力拉緊裝置的，輸送帶的松弛現(xiàn)象不是特別的明顯，所以在輸送機的動態(tài)特性研究中中類模型常常被采用。故，本文最終采用的就是伏格特非松弛模型。2.2.3輸送帶模型的選定帶式輸送機的輸送帶類型有很多種，本文選用的是同步帶，在建模中采用的也就是平帶，ADAMS2013建模中即為“Smooth”類型。該軟件只要設(shè)定好段長，它就可以自動將完整的皮帶劃分為很多等段長的皮帶小段。在仿真結(jié)束后，可查看各個小段的速度、位移、加速度等相關(guān)運動特性曲線。2.3.4拉緊裝置的確定拉緊裝置是帶式輸送機中非常重要的部分，它的作用是使輸送帶具有一定的初張力，可以防止懸垂度過大、驅(qū)動滾筒與輸送帶的打滑現(xiàn)象，同時也可以使得啟動和制動時輸送機變得相對穩(wěn)定，減小輸送帶中的動應(yīng)力。拉緊裝置可以分為自動拉緊裝置，固定式拉緊裝置，重力拉緊裝置這三類。本文采用的是固定式拉緊裝置。即給模型增加張緊裝置，可通過調(diào)節(jié)張緊輪的半徑大小和調(diào)整張緊裝置的旋轉(zhuǎn)中心來調(diào)節(jié)皮帶的張緊程度，以此來達(dá)到對輸送機的拉緊作用。2.4本章小結(jié)本章主要簡述了建立簡化系統(tǒng)的帶式輸送機虛擬樣機模型所需考慮的一些影響因素，約束副和參數(shù)的確定，粘彈性理論分析和模型的選定，還有拉緊裝置的分類及作用。3建模及仿真分析本章主要講述帶式輸送機虛擬樣機機構(gòu)的簡化，帶式輸送機幾何模型的建立，在其模型上各類約束的建立及施加，以及其具體參數(shù)和幾何尺寸的確定。最后就是對所建立好的虛擬樣機模型進行簡單的運動學(xué)驗證。3.1模型的簡化本文研究的是帶式輸送機的運動仿真，由于實際設(shè)備的限制，所以只能由繁化簡，將帶式輸送機由復(fù)雜的實際機構(gòu)化成簡單的虛擬模型，并對其進行一些簡單的數(shù)值模擬和運動學(xué)仿真，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實生活中帶式輸送機的不斷優(yōu)化和改良。帶式輸送機一般包括驅(qū)動滾筒、尾部滾筒（即從動滾筒）、輸送帶、機架、托輥以及張緊裝置等。如果仿真模型也按照實際中的機構(gòu)來創(chuàng)建模型的話，那么不僅僅需要計算大量的數(shù)據(jù)，而且從現(xiàn)有的設(shè)備和軟件技術(shù)來看，也是無法達(dá)到的，同時這也是不必要的。所以，采取將其簡化的方法，只保留驅(qū)動滾筒、從動滾筒、輸送帶和張緊裝置，至于機架之類的則簡化成大地。簡化的帶式輸送機模型主要由四個部分組成，其中驅(qū)動滾動、從動滾筒以及張緊裝置的張緊輪都看做是剛體，不考慮它們的變形。而作為輸送機支撐件的托輥則被簡化成一個具有旋轉(zhuǎn)副的圓柱體，即在驅(qū)動滾筒和從動滾筒上施加一個旋轉(zhuǎn)副。張緊裝置則用一個固定的圓柱體作為張緊輪，模型中安裝在驅(qū)動滾筒和從動滾筒的下方中心位置。至于輸送帶，在ADAMS2013中，只需設(shè)定好驅(qū)動滾筒和從動滾筒的位置、輸送帶劃分段的每段段長以及輸送帶的材料屬性（如彈性模量等），就可以智能生成完整的皮帶，同時也會建立好皮帶與滾筒之間的接觸副。這相對于以往輸送帶模型的建立而言，實在是方便許多。以往的輸送帶模型是視為柔性體的，需要在有限元中建好模型，定義好材料屬性，劃分網(wǎng)格，然后輸出MNF中性模態(tài)文件，再將此中性文件導(dǎo)入到ADAMS中。而且導(dǎo)入的輸送帶模型是無法移動的，一旦有所移動便會變形?？偠灾?，以往的方法是十分復(fù)雜而麻煩的。而上述輸送帶的建模方法只有ADAMS2013之后的版本才會具備。3.2約束副和參數(shù)的確定1）由于帶式輸送機系統(tǒng)的簡化，原本輸送機上復(fù)雜繁瑣的約束副也隨之變得簡單了。在ADAMS中，軟件提供的約束副有：理想約束、虛約束、高副約束和運動驅(qū)動等類型。其主要包含旋轉(zhuǎn)副、移動副、圓柱副、球副、固定副、萬向節(jié)副、恒速度副、平面副、螺紋副、齒輪副、耦合副、凸輪副和驅(qū)動副等。該模型主要施加的約束副如下:圓柱副：簡化帶式輸送機模型的驅(qū)動滾筒和從動滾筒被視為圓柱剛體，所以需要給其施加圓柱副。同樣的張緊裝置中的張緊輪也需要創(chuàng)建圓柱副。旋轉(zhuǎn)副：在模型中，旋轉(zhuǎn)的物體有驅(qū)動滾筒，從動滾筒和張緊輪，因此，這三個都需要創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副。驅(qū)動副：輸送帶是由驅(qū)動滾筒因摩擦力而帶動的，在驅(qū)動滾筒上創(chuàng)建驅(qū)動即是給該模型施加動力。接觸副：驅(qū)動滾筒與輸送帶之間通過摩擦力來傳動的，在ADAMS/View中，它提供了十幾種接觸類型，它們分別是實體與實體（solidtosolid）、外球與球（spheretosphere）、內(nèi)球與球（sphereinsphere）、球與平面（spheretoplane）、圓與平面（circletoplane）、點與曲線（pointtocurve）、平面與曲線（planetocurve）、圓與曲線（circletocurve）曲線與曲線（curvetocurve）等。此外還有剛體與柔性體接觸類型，但是ADAMS2013版中有著這么一個模塊（Machinery），里面專門有一個針對皮帶的模塊（belt），利用這個模塊，驅(qū)動滾筒與輸送帶和從動滾筒與輸送帶之間的接觸是軟件系統(tǒng)自動施加的。這樣一來，對于一些與皮帶相關(guān)的建模，我們就能很方便，很簡單的完成。輸送帶上物料的加載方法有兩種，一種是在輸送帶上施加一個隨著位置變化的力，一個是直接在輸送帶負(fù)載段上加上離散的塊狀物。本文主要研究輸送帶的運動及張緊問題，所以輸送帶上采取空載，不施加任何的東西。2）本文所建立的實體模型選擇的輸送帶型號是ST-1000，輸送帶的寬度定位是800mm，輸送帶大致材料屬性為：彈性模量E為1.25e8N/m；密度為2000N/m3；阻尼系數(shù)c為166780Ns/m；輸送帶的厚度為25mm。驅(qū)動滾筒與從動滾筒的直徑都設(shè)為800mm。兩個滾筒都是剛性材料（steel）。由于實際設(shè)備的限制，無法承受太大的計算，所以輸送帶的運輸距離定位為2m，即兩個滾筒的中心距。張緊裝置的確定，本文采用的是固定式張緊裝置，其放置的位置是兩滾筒中心的正下方，在仿真實驗中通過調(diào)節(jié)張緊輪的大小來實現(xiàn)輸送帶的張緊程度。3.3建模步驟本文采用的建模方式是ADAMS2013/View中的Machinery，利用里面的Belt模塊建模。其中分為三個部分。第一部分是驅(qū)動滾筒、從動滾筒以及張緊輪的建模。圖3.1驅(qū)動滾筒、從動滾筒以及張緊輪的建模1）滾筒類型的選擇。因為兩滾筒與張緊輪都視為剛體，所以選擇的類型為smooth。表面接觸類型選擇3DLinks；2）確定滾筒坐標(biāo)，材料類型。兩滾筒材料均為steel；3）確定兩滾筒的輸出項，主要有角位移、角速度、角加速度、接觸力等；4）張緊輪數(shù)目和參數(shù)的確定，設(shè)定采用的張緊輪的數(shù)目和放置位置，還有張緊輪的大小，即張緊輪半徑大小。第二部分是輸送帶的建模。圖3.2輸送帶的建模1）確定輸送帶類型和接觸類型，輸送帶為平帶，接觸方式與滾筒一樣，同為3DLinks;2）設(shè)定輸送帶基本參數(shù)，每段長度為7.5mm，輸送帶厚度為25mm，寬度為800mm，以及彈性模量等基本參數(shù)的設(shè)定；3）確定輸送帶的輸出項，一般為位移、速度、加速度等。第三部分就是驅(qū)動的施加。圖3.4驅(qū)動的施加這部分主要是驅(qū)動滾筒的確定，施加旋轉(zhuǎn)副和驅(qū)動副、施加運動速度以及確定輸出項。圖3.4帶式輸送機實體模型以上就是虛擬樣機模型的基本過程。對于該輸送機的建模模塊，相對于以往的建模方式而言的確簡單了許多，對于多次不同數(shù)據(jù)的仿真實驗而言，它還是要重新建模的，重新設(shè)定參數(shù)的，好在它的建模過程還是相對簡單明了的。3.4仿真結(jié)果分析本次仿真的驅(qū)動方式是：給驅(qū)動滾筒設(shè)定一個固定角速度，驅(qū)動角速度為180deg/sec，仿真時間為2秒，仿真步數(shù)Steps為1000，仿真大概耗時30~40分鐘。張緊輪參數(shù)設(shè)定為：半徑200mm，旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（1000,-500,0）。建立好模型后，需要對其進行簡單的驗證，首先驗證模型是否按預(yù)定要求來運動。圖3.4是仿真前的圖，驅(qū)動滾筒下方輸送帶上的紅色位置就是輸送帶帶段segment1，給驅(qū)動滾筒一個180deg/sec的角速度，然后進行仿真。帶段segment1的運動曲線主要包括帶段在X方向和Y方向上的位置曲線、在X方向和Y方向上的速度曲線。圖3.5帶式輸送機虛擬樣機模型從圖3.5中，可以看到輸送帶被劃分為很多的小帶段，每個帶段的長度為7.5mm。圖3.6帶段segment1的位置曲線和速度曲線從實際的運動可以知道，當(dāng)帶式輸送機運行的時候，帶段（segment1）從圖3.5所示位置開始，先是繞著驅(qū)動滾筒運動，然后水平移動。圖3.6為輸送帶段帶段segment1在X方向上的位置曲線和速度曲線。圖3.6表明，圖中紅色實曲線為帶段在X方向上的位置曲線。由于張緊輪的關(guān)系，帶段1開始時的X坐標(biāo)是一個正值，然后隨著輸送帶的運動。紅色曲線中的波谷即為帶段1運動到了X軸的最左端，而后面趨于遞增的斜線就是帶段水平向右的移動曲線。從X軸的速度來看，帶段的速度也從小變大，最后趨于一個穩(wěn)定值。同樣的，Y軸上的位置曲線和速度曲線也是符合實際情況的。圖3.7帶段segment1的動態(tài)曲線圖如上圖所示，圖中紅色曲線為帶段segment1與帶段segment2在運動過程中的相互作用力。從曲線可以看出它是從大不斷變小，最后趨于一個穩(wěn)定的值，這符合實際輸送帶的張力變化。而且，從速度曲線也可以看到，速度從小變大，最后也達(dá)到一個穩(wěn)定的值。因此，該模型符合輸送帶的動態(tài)特性。3.5本章小結(jié)本章首先對帶式輸送機進行系統(tǒng)簡化，然后敘述了虛擬樣機模型建立的主要步驟，主要約束和參數(shù)的確定，最后利用ADAMS2013對建立的模型進行仿真模擬驗證。實驗結(jié)果表明，本次建立的虛擬樣機模型是符合帶式輸送機運動學(xué)的。4帶式輸送機的動態(tài)特性分析本章主要對不同驅(qū)動速度對輸送帶的動態(tài)特性進行分析，以及相同速度下有張緊輪的輸送帶的動態(tài)特性分析。首先對無張緊裝置時的輸送帶進行分析，然后再對有張緊裝置的輸送帶分析，最后總結(jié)出張緊裝置對帶式輸送機的影響。4.1無張緊裝置時輸送帶的動態(tài)特性本次仿真的驅(qū)動方式是：給驅(qū)動滾筒設(shè)定一個固定角速度，輸送帶是由驅(qū)動滾筒帶動而運動的。無張緊裝置的情況下，仿真時間為2秒，仿真步數(shù)Steps為1000，仿真大概耗時30~40分鐘。1）無張緊裝置且驅(qū)動為180deg/sec時輸送帶的動態(tài)特性（如圖4.1）圖4.1無張緊裝置且驅(qū)動為180deg/sec時帶段segment1的動態(tài)特性曲線如上圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動速度為180deg/sec的時候，從速度曲線看，帶段在0.812秒處達(dá)到穩(wěn)定的速度，且穩(wěn)定速度為1254.2mm/sec，即1.2542m/s。在0.222~0.812秒之間的速度幾乎呈勻速增長，從開始到0.222秒，速度是從一個值短時間內(nèi)變小，0.22秒之后才呈直線增長。這說明，剛開始的速度是有一個從大變小的波動。從作用力曲線來看，帶段segment1與帶段segment2之間的相互作用力最大為1189.89N，最小為314.26N，最后穩(wěn)定在450.50N。其中張力的最大值是在帶段運動到驅(qū)動滾筒正下方的時候；張力最小值是在帶段達(dá)到X軸最左端之前；穩(wěn)定時t=1.642s，此時帶段已經(jīng)不再和驅(qū)動滾筒接觸，且在做水平運動。從X方向的位置曲線來看，可知道圖中藍(lán)色曲線在1.376秒到達(dá)水平位置，即驅(qū)動滾筒的正上方位置，之后開始做水平移動。2）無張緊裝置且驅(qū)動為360deg/sec時輸送帶的動態(tài)特性（如圖4.2）圖4.2無張緊裝置且驅(qū)動為360deg/sec時帶段segment1的動態(tài)特性曲線如上圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動速度為360deg/sec的時候，從速度曲線看，帶段在1.74秒處達(dá)到穩(wěn)定的速度，且穩(wěn)定速度為2517.8mm/sec，即2.5178m/s。0~0.226秒的速度幾乎呈勻速，0.226~1.74秒則呈勻速增長的直線。從作用力曲線來看，帶段segment1與帶段segment2之間的相互作用力最大為1189.94N，最小為46.24N，最后在2秒內(nèi)都未能趨于穩(wěn)定，而且在穩(wěn)定前張力有一定的波動。其中張力的最大值是在帶段運動到驅(qū)動滾筒正下方的時候；出現(xiàn)最小值時，帶段1剛開始做水平運動了；張力在t=2.0s內(nèi)未能達(dá)到穩(wěn)定。從X方向的位置曲線來看，可知道圖中藍(lán)色曲線在1.26秒到達(dá)水平位置，即驅(qū)動滾筒的正上方位置，之后開始做水平移動。3）無張緊裝置且驅(qū)動為720deg/sec時輸送帶的動態(tài)特性（如圖4.3）圖4.3無張緊裝置且驅(qū)動為720deg/sec時帶段segment1的動態(tài)特性曲線如上圖可以看出，當(dāng)驅(qū)動速度為720deg/sec的時候，從速度曲線看，帶段在2秒內(nèi)未能達(dá)到穩(wěn)定的速度，2秒處的速度為3076.50mm/sec，即3.0765m/s。0~0.234秒的速度幾乎呈勻速，0.226~2秒則呈勻速增長的直線。從作用力曲線來看，帶段segment1與帶段segment2之間的相互作用力最大為1189.89N，最小為50.9N，最后在穩(wěn)定在54.7N左右。其中張力的最大值是在帶段運動到驅(qū)動滾筒正下方的時候，即是開始的位置；出現(xiàn)最小值時t=1.26s，帶段1剛開始做水平運動；張力再t=1.25s達(dá)到穩(wěn)定。且張力變化較為平緩。從X方向的位置曲線來看，可知道圖中藍(lán)色曲線在1.26秒到達(dá)水平位置，即驅(qū)動滾筒的正上方位置，之后開始做水平移動。4.2有張緊裝置時輸送帶的動態(tài)特性本次仿真的驅(qū)動方式是：給驅(qū)動滾筒設(shè)定一個固定角速度，輸送帶是由驅(qū)動滾筒帶動而運動的。有張緊裝置的情況下，仿真時間為2秒，仿真步數(shù)Steps為1000，仿真大概耗時30~40分鐘。張緊輪參數(shù)設(shè)定為：半徑200mm，旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（1000,-500,0）。1）有張緊裝置且驅(qū)動為180deg/sec時輸送帶的動態(tài)特性（如圖4.4）圖4.4有張緊裝置且驅(qū)動為180deg/sec時帶段segment1的動態(tài)特性曲線如上圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動速度為180deg/sec的時候，從速度曲線看，帶段在0.6秒處達(dá)到穩(wěn)定的速度，且穩(wěn)定速度為1254.3mm/sec，即1.2543m/s。0.6秒之前速度幾乎呈勻速增長，開始時的速度波動幾乎可以忽略不計。從作用力曲線來看，帶段segment1與帶段segment2之間的相互作用力最大為1276.85N，最小為449.59N，最后穩(wěn)定在614.38N。其中張力的最大值是在帶段運動到驅(qū)動滾筒正下方的時候；最小值在帶段達(dá)到X軸最左端之前；張力穩(wěn)定時t=1.50s。從X方向的位置曲線來看，可知道圖中藍(lán)色曲線在1.344秒到達(dá)水平位置，即驅(qū)動滾筒的正上方位置，之后開始做水平移動。2）有張緊裝置且驅(qū)動為360deg/sec時輸送帶的動態(tài)特性（如圖4.5）圖4.5有張緊裝置且驅(qū)動為360deg/sec時帶段segment1的動態(tài)特性曲線如上圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動速度為360deg/sec的時候，從速度曲線看，帶段在1.246秒處達(dá)到穩(wěn)定的速度，且穩(wěn)定速度為2512.6mm/sec，即2.5126m/s。除了開始的微小波動外，1.246秒之前都呈勻速增長的直線。從作用力曲線來看，帶段segment1與帶段segment2之間的相互作用力最大為1752.12N，最小為63.84N，最后在1.96秒后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為而且在穩(wěn)定前張力有一定的波動。其中張力的最大值是在帶段運動到驅(qū)動滾筒正下方的時候；出現(xiàn)最小值時，帶段已經(jīng)開始做水平運動了；張力在t=1.96s后趨于穩(wěn)定。從X方向的位置曲線來看，可知道圖中藍(lán)色曲線在1.13秒到達(dá)水平位置，即驅(qū)動滾筒的正上方位置，之后開始做水平移動。3）有張緊裝置且驅(qū)動為720deg/sec時輸送帶的動態(tài)特性（如圖4.6）圖4.6有張緊裝置且驅(qū)動為720deg/sec時帶段segment1的動態(tài)特性曲線如上圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動速度為720deg/sec的時候，從速度曲線看，帶段在2秒內(nèi)未能達(dá)到穩(wěn)定的速度，2秒處的速度為4175.74mm/sec，即4.17574m/s。2秒內(nèi)曲線幾乎則呈勻速增長的直線。從作用力曲線來看，帶段segment1與帶段segment2之間的相互作用力最大為1753.50N，最小為66.84N，曲線穩(wěn)定在66.84N一段時間后，又開始慢慢增長。其中張力的最大值是在帶段運動到驅(qū)動滾筒正下方的時候，即是開始的位置；出現(xiàn)最小值時t=1.26s，帶段1剛開始做水平運動；張力在t=1.26s達(dá)到穩(wěn)定，且張力變化較為平緩，最后又慢慢增大。從X方向的位置曲線來看，可知道圖中藍(lán)色曲線在1.26秒到達(dá)水平位置，即驅(qū)動滾筒的正上方位置，之后開始做水平移動。當(dāng)t=1.94s時，帶段1運動到從動滾筒的正上方位置。綜上所述，可得以下結(jié)論：1）相同驅(qū)動速度下，有無張緊裝置的比較由圖4.1~圖4.6可知，相同驅(qū)動速度下，無論有無張緊裝置，最終達(dá)到的穩(wěn)定速度都大致相同。當(dāng)驅(qū)動速度為180deg/sec時，輸送帶的穩(wěn)定速度達(dá)到1.25m/s；當(dāng)驅(qū)動速度為360deg/sec時，輸送帶的穩(wěn)定速度達(dá)到了2.5m/s；當(dāng)驅(qū)動速度為720deg/sec時，兩種情況都未達(dá)到穩(wěn)定的速度，無張緊裝置的輸送帶2s時的速度為3.1m/s，有張緊裝置的輸送帶2s時的速度則為4.1m/s。而且，輸送帶達(dá)到穩(wěn)定速度所需時間都不相同。從上述分析可知，穩(wěn)定速度同為1.25m/s，無張緊裝置的需時0.8s，有張緊裝置的需時0.6s；穩(wěn)定速度同為2.5，無張緊裝置的需時1.74s，有張緊裝置的需時1.24s。所以，有張緊裝置的輸送帶達(dá)到穩(wěn)定速度所需時間是比沒張緊裝置的少。從輸送帶帶段之間的作用力來看，低速時，有張緊裝置的輸送帶張力的變化更穩(wěn)定，沒張緊裝置的會有一定幅度的波動。高速時，有無張緊裝置對輸送帶的張力變化都無太大的改變，但有張緊裝置的輸送帶在運輸位置時的張力會稍高。2）有張緊裝置下，不同驅(qū)動速度的比較在都有張緊裝置的情況下，低速時的輸送帶更穩(wěn)定，波動少。空載情況下，低速輸送帶的最大張力值比高速輸送帶的最大張力值小，但低速輸送帶的穩(wěn)定張力值是比高速輸送帶的穩(wěn)定張力值大得多。這說明，在有張緊裝置的情況下，并不是輸送帶速度越大張力的穩(wěn)定值就越大。4.3張緊裝置對輸送帶動態(tài)特性的影響本節(jié)主要是設(shè)定一個相同的驅(qū)動速度，通過改變張緊輪的大小和張緊輪的旋轉(zhuǎn)中心來改變輸送帶的張緊程度，并對其進行仿真實驗。驅(qū)動速度設(shè)定為360deg/sec。同時，本文僅對固定式張緊裝置進行相關(guān)仿真和分析。1）張緊輪參數(shù)設(shè)定為：半徑r=200mm，張緊輪的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（1000,-500,0）。圖4.7半徑為200mm時帶段segment1的動態(tài)曲線由圖4.7,帶段segment1最終達(dá)到的穩(wěn)定速度為2512.60mm/sec，張力的最大值為1752.12N，最小值為63.84N，穩(wěn)定值為605.16N。2）張緊輪參數(shù)設(shè)定為：半徑r=250mm，張緊輪的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（1000,-500,0）。圖4.8張緊輪半徑為250mm時帶段segment1的動態(tài)曲線由圖4.8可知，帶段segment1最終達(dá)到的穩(wěn)定速度為2512.55mm/sec，張力的最大值為2165.73N，最小值為85.53N，穩(wěn)定值為723.96N。3）張緊輪參數(shù)設(shè)定為：半徑r=200mm，張緊輪的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（1000,-450,0）。圖4.9張緊輪旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（1000,-450,0）時帶段segment1的動態(tài)曲線由圖4.9可知，帶段segment1最終達(dá)到的穩(wěn)定速度為2521.10mm/sec，張力的最大值為2096.29N，最小值為65.89N，穩(wěn)定值為708.02N。從以上三圖可知，張緊裝置的旋轉(zhuǎn)中心相同時，即圖4.7與圖4.8的情況，張緊輪半徑越大，輸送帶帶段之間的張力就越大，且穩(wěn)定后的張力也會較大。張緊輪半徑相同時，即圖4.7與圖4.9的情況，張緊輪旋轉(zhuǎn)中心越靠近兩滾筒中心，輸送帶帶段之間的張力也會越大。輸送帶中有適當(dāng)?shù)膹埩梢允馆斔蜋C在啟動和停止時不容易打滑，特別是負(fù)載較大，運輸距離很大的情況下，更需要有張緊裝置來調(diào)節(jié)輸送帶的張力，確保其能正常工作。圖4.7與圖4.8、圖4.9比較，可以看出，調(diào)整張緊輪半徑大小和調(diào)整張緊裝置的旋轉(zhuǎn)中心位置都可改變帶式輸送機皮帶的張力，即改變其松緊程度。圖4.8與圖4.9比較，可看出，這兩種情況下輸送帶達(dá)到穩(wěn)定速度時的時間幾乎相同，速度穩(wěn)定值也相差無幾，張力的穩(wěn)定值也無多大差距。從仿真情況而言，這兩種情況得到的結(jié)果是大致相同的。但是，從實際情況來說，改變張緊裝置張緊輪的半徑大小也就意味著設(shè)備和材料的增加。從經(jīng)濟角度而言，這并不是很好的選擇。然而，通過調(diào)整張緊裝置的旋轉(zhuǎn)中心來調(diào)節(jié)皮帶的張緊度，這種方法不僅經(jīng)濟,而且相對而言操作也比較方便，只需調(diào)整旋轉(zhuǎn)中心軸的位置即可。因此，張緊裝置對帶式輸送機的動態(tài)特性影響還是很大。適當(dāng)?shù)膹埦o度可以防止皮帶出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，穩(wěn)定輸送帶的運輸工作。但也并不是張力越大越好，輸送帶過于緊繃會使其更早進入疲勞期，同時也會增加對皮帶的磨損。此外，對驅(qū)動滾筒及電機也會增加一些不必要的負(fù)擔(dān)?？偠灾?，不同的情況對帶式輸送機張緊度的要求也不一樣。尋找合適的張緊度是十分必要的，所以利用ADAMS虛擬樣機軟件進行數(shù)值模擬和仿真實驗對帶式輸送機的實際幫助是非常大的，這能節(jié)省很多的時間和精力。4.4本章小結(jié)本章對不同驅(qū)動速度、有無張緊裝置的帶式輸送機進行了仿真模擬實驗，對其進行了動態(tài)特性分析比較得出以下結(jié)論。通過對相同驅(qū)動速度、有無張緊裝置的帶式輸送機的動態(tài)特性仿真，發(fā)現(xiàn)有張緊裝置的輸送帶運行更穩(wěn)定；通過對有張緊裝置不同速度的動態(tài)特性進行比較，發(fā)現(xiàn)低速空載時輸送帶穩(wěn)定的張力值會稍大些。同時，仿真結(jié)果表明，給帶式輸送機添加張緊裝置會對輸送帶的運行會更好，更不易發(fā)生打滑現(xiàn)象。同時也說明虛擬仿真實驗對實際中帶式輸送機動態(tài)特性方面的改進會有很好的幫助。5結(jié)論通過對帶式輸送機的數(shù)值模擬及仿真分析，可以得出以下結(jié)論：1）對于帶式輸送機不同驅(qū)動速度的動態(tài)特性仿真實驗表明，有張緊裝置的帶式輸送機運行會更穩(wěn)定，更不易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，同時也說明利用ADAMS虛擬樣機進行動態(tài)仿真分析的可行性。2）張緊裝置對帶式輸送機有著重大作用，特別是對帶式輸送機動態(tài)特性的影響最大。張緊輪半徑大小的改變和張緊裝置旋轉(zhuǎn)中心位置的調(diào)整都能改變帶式輸送機的張緊度，也說明了調(diào)整張緊裝置中心位置是更好的方法。3）利用ADAMS虛擬樣機技術(shù)能更好地對機械設(shè)備進行設(shè)計、改善和優(yōu)化，不斷推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。致謝參考文獻[1]何民愛．物流裝備與運用[M]．南京：東南大學(xué)出版社，2007．[2]張戰(zhàn)勝．帶式輸送機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[N]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013．[3]A．Harrison．Beltconveyorresearch1980-2000[J]．BulkSolidsHandling,2001,21(2)．[4]H．Funke，K．Hartmann，H．Lauhoff．Designandoperatingperformanceofalong-distancebeltconveyorsystemwithhorizontalcurvesandsimultaneousmaterialtransportintheupperandlowerstrands[J]．BulkSolidsHandling，2000,20(1):45-55．[5]ReussHans-Jurergen．NewHydraulicTechnologyforConstructionEquipment[J]．DieselProgressInternationalEdition，2008,23(2):80-83．[6]HallA．S，McAreeP．R．RobustBucketPositionTrackingforALargeHydraulicExcavator[J]．MechanismandMachineTheory，2005,40(1)：1-16．[7]ImanishiEtsujiro，NanjoTakao，HirokaEiko．DynamicSimulationofFlexibleMultibodySystemWiththeHydraulicDrive．NipponKikaiGakkaiRonbunshu[J]．Chen/TransactionsoftheapanSocietyofMechanicalEngineers，2006,69(9).[8]ZweiriYahyaH，SeneviratneLakmalD，AlthoeferKaspar．AGeneralizedNewtonMethodforIdentificationofClosed-ChainExcavatorArmParameters[N]．Pr