基于有限元法的帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力精準(zhǔn)計(jì)算研究

基于有限元法的帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力精準(zhǔn)計(jì)算研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，帶式輸送機(jī)作為一種高效、連續(xù)的物料輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦山、港口、電力、冶金、化工等眾多領(lǐng)域。其具有輸送能力大、輸送距離長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在物料運(yùn)輸環(huán)節(jié)中發(fā)揮著不可或缺的作用。在煤炭開(kāi)采行業(yè)，帶式輸送機(jī)能夠?qū)⒚禾繌木赂咝У剌斔偷降孛?，極大地提高了煤炭的運(yùn)輸效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；在港口，帶式輸送機(jī)可用于裝卸貨物，大大提升了貨物的周轉(zhuǎn)速度，促進(jìn)了物流的高效運(yùn)作。帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到多種阻力的作用，其中壓陷滾動(dòng)阻力是主要的運(yùn)行阻力之一。當(dāng)輸送帶在托輥上運(yùn)行時(shí)，由于輸送帶自身重量以及所承載物料的重量，輸送帶下覆蓋層會(huì)與托輥接觸并形成凹陷。由于輸送帶下覆蓋層具有黏彈性特性，在輸送帶經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)托輥時(shí)，這種黏彈性會(huì)導(dǎo)致輸送帶產(chǎn)生循環(huán)壓陷，進(jìn)而產(chǎn)生能量遲滯損失，這就是壓陷滾動(dòng)阻力的來(lái)源。相關(guān)研究表明，在長(zhǎng)距離水平帶式輸送機(jī)中，壓陷滾動(dòng)阻力在總運(yùn)行阻力中所占比例可高達(dá)60%左右，在一些特定工況下，這一比例甚至更高。如此高占比的壓陷滾動(dòng)阻力，直接導(dǎo)致了輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中需要消耗大量的能量來(lái)克服它，從而增加了輸送機(jī)的能耗成本。而且，過(guò)大的壓陷滾動(dòng)阻力還會(huì)使輸送帶與托輥之間的磨損加劇，不僅縮短了輸送帶和托輥的使用壽命，增加了設(shè)備的維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間，還可能影響物料的輸送效率和穩(wěn)定性，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷或生產(chǎn)效率下降，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。準(zhǔn)確計(jì)算帶式輸送機(jī)的壓陷滾動(dòng)阻力具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在理論方面，深入研究壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算方法，有助于完善帶式輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)理論體系，為進(jìn)一步研究帶式輸送機(jī)的運(yùn)行特性、優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的研究，可以更深入地理解輸送帶與托輥之間的相互作用機(jī)制，以及材料特性、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對(duì)阻力的影響規(guī)律，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，精確計(jì)算壓陷滾動(dòng)阻力可以為帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)計(jì)算結(jié)果，合理選擇輸送帶的類型、托輥的參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)裝置的功率等，避免因阻力計(jì)算不準(zhǔn)確而導(dǎo)致設(shè)備選型過(guò)大或過(guò)小。選型過(guò)大不僅會(huì)增加設(shè)備的購(gòu)置成本，還會(huì)造成能源的浪費(fèi)；選型過(guò)小則無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。準(zhǔn)確計(jì)算壓陷滾動(dòng)阻力還有助于實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的節(jié)能降耗。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)調(diào)整，降低壓陷滾動(dòng)阻力，從而減少輸送機(jī)的能耗，符合國(guó)家節(jié)能減排的政策要求，對(duì)于推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算方法存在一定的局限性。部分方法基于簡(jiǎn)化的理論模型，未充分考慮輸送帶材料的黏彈性、托輥與輸送帶之間的復(fù)雜接觸關(guān)系以及實(shí)際工況中的各種影響因素，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)帶式輸送機(jī)的性能要求越來(lái)越高，迫切需要一種更加準(zhǔn)確、可靠的壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算方法。有限元方法作為一種強(qiáng)大的數(shù)值分析工具，能夠?qū)?fù)雜的物理問(wèn)題進(jìn)行精確求解。將有限元方法應(yīng)用于帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算，可以更加真實(shí)地模擬輸送帶與托輥的接觸過(guò)程，考慮材料的非線性特性和各種實(shí)際工況因素，從而提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。研究帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的有限元計(jì)算方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，它將為帶式輸送機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)能降耗以及運(yùn)行維護(hù)提供有力的技術(shù)支持，推動(dòng)帶式輸送機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算方法的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量工作，取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。國(guó)外對(duì)帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的研究起步較早。早期，學(xué)者們主要基于經(jīng)典力學(xué)理論，對(duì)輸送帶與托輥的接觸問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。隨著材料科學(xué)和力學(xué)理論的不斷發(fā)展，逐漸開(kāi)始考慮輸送帶材料的黏彈性特性對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響。美國(guó)學(xué)者在相關(guān)研究中，通過(guò)建立輸送帶的黏彈性模型，分析了不同工況下輸送帶的變形情況，推導(dǎo)出了一些初步的壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算公式。這些公式在一定程度上考慮了輸送帶的材料特性和運(yùn)行參數(shù)，但由于模型的簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況仍存在一定偏差。德國(guó)的研究人員則從實(shí)驗(yàn)研究入手，搭建了專門的帶式輸送機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同類型的輸送帶和托輥進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲取了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，他們總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)公式和規(guī)律，為壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算提供了重要的參考依據(jù)。例如，在特定的輸送帶和托輥參數(shù)條件下，得出了壓陷滾動(dòng)阻力與輸送帶張力、托輥間距等因素之間的定量關(guān)系。國(guó)內(nèi)對(duì)帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的研究相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。早期，國(guó)內(nèi)主要借鑒國(guó)外的研究成果和計(jì)算方法，應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中。隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)帶式輸送機(jī)性能要求的不斷提高，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始深入開(kāi)展相關(guān)研究。一些高校和科研機(jī)構(gòu)結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際工況，對(duì)帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的形成機(jī)理進(jìn)行了深入研究。通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，取得了一系列具有創(chuàng)新性的成果。部分研究采用有限元方法，建立了輸送帶與托輥的三維有限元模型，考慮了輸送帶材料的非線性黏彈性、大變形以及接觸非線性等因素，對(duì)輸送帶的壓陷過(guò)程進(jìn)行了精確模擬。通過(guò)模擬分析，得到了輸送帶在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及壓陷滾動(dòng)阻力的變化規(guī)律，為壓陷滾動(dòng)阻力的準(zhǔn)確計(jì)算提供了新的方法和思路。在實(shí)驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)也搭建了多種類型的帶式輸送機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，用于驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，不僅可以獲取實(shí)際的壓陷滾動(dòng)阻力數(shù)據(jù)，還能進(jìn)一步研究各種因素對(duì)阻力的影響規(guī)律，為理論研究提供了有力的支持。例如，通過(guò)改變輸送帶的速度、托輥的直徑和間距等參數(shù)，測(cè)量不同工況下的壓陷滾動(dòng)阻力，從而總結(jié)出各參數(shù)與阻力之間的關(guān)系。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。部分理論計(jì)算方法雖然考慮了部分因素，但由于模型的簡(jiǎn)化，無(wú)法全面準(zhǔn)確地反映實(shí)際工況中復(fù)雜的物理現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，受到物料特性、溫度、濕度等多種因素的影響，而目前的研究在考慮這些因素的綜合作用方面還存在欠缺。一些數(shù)值模擬方法雖然能夠較為準(zhǔn)確地模擬輸送帶的壓陷過(guò)程，但計(jì)算成本較高，計(jì)算效率較低，難以滿足實(shí)際工程快速設(shè)計(jì)和分析的需求。實(shí)驗(yàn)研究雖然能夠獲取真實(shí)的數(shù)據(jù)，但實(shí)驗(yàn)條件往往難以完全模擬實(shí)際工況，且實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量有限，可能導(dǎo)致研究結(jié)果的局限性。綜上所述，盡管國(guó)內(nèi)外在帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算方法的研究上取得了一定成果，但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究和解決。如何綜合考慮各種因素，建立更加準(zhǔn)確、全面的壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算模型，提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究致力于攻克帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力準(zhǔn)確計(jì)算這一關(guān)鍵難題，核心目標(biāo)是構(gòu)建一套精準(zhǔn)且高效的有限元計(jì)算方法，以顯著提升帶式輸送機(jī)在設(shè)計(jì)與運(yùn)行過(guò)程中的科學(xué)性與可靠性。圍繞此目標(biāo)，擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要涵蓋以下幾個(gè)方面：深入剖析帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的形成機(jī)理，精準(zhǔn)識(shí)別并量化各關(guān)鍵影響因素，包括輸送帶材料的黏彈性參數(shù)、托輥的結(jié)構(gòu)與表面特性、運(yùn)行工況參數(shù)（如輸送帶速度、張力、物料載荷分布）等，為后續(xù)的計(jì)算模型建立提供堅(jiān)實(shí)的理論根基；全面評(píng)估現(xiàn)有壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算方法的優(yōu)劣，針對(duì)傳統(tǒng)方法在考慮因素全面性與準(zhǔn)確性上的不足，結(jié)合有限元方法的優(yōu)勢(shì)，探索建立全新的帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力有限元計(jì)算模型，確保模型能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映輸送帶與托輥之間復(fù)雜的力學(xué)行為和相互作用關(guān)系；通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元計(jì)算方法的準(zhǔn)確性與可靠性，構(gòu)建高精度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，獲取不同工況下的實(shí)際壓陷滾動(dòng)阻力數(shù)據(jù)，與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行細(xì)致對(duì)比分析，深入探究計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異來(lái)源，進(jìn)而對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化與修正，提高計(jì)算方法的精度和穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，解決關(guān)鍵問(wèn)題，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，多維度、系統(tǒng)性地開(kāi)展研究工作。在理論分析方面，深入研究輸送帶的黏彈性力學(xué)理論，結(jié)合彈性力學(xué)、接觸力學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)，建立輸送帶與托輥接觸的理論模型。通過(guò)對(duì)模型的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和分析，明確壓陷滾動(dòng)阻力與各相關(guān)因素之間的內(nèi)在數(shù)學(xué)關(guān)系，為有限元模型的建立提供理論指導(dǎo)和邊界條件設(shè)定依據(jù)。對(duì)現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算方法進(jìn)行全面梳理和深入分析，詳細(xì)研究不同方法的理論基礎(chǔ)、假設(shè)條件、適用范圍以及計(jì)算精度，總結(jié)現(xiàn)有方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性，為新計(jì)算方法的提出提供參考和借鑒。在有限元模擬方面，利用專業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立帶式輸送機(jī)輸送帶與托輥的三維有限元模型。在建模過(guò)程中，充分考慮輸送帶材料的非線性黏彈性特性，選用合適的本構(gòu)模型進(jìn)行描述；精確模擬輸送帶與托輥之間的接觸狀態(tài)，包括接觸壓力分布、接觸面積變化等；合理設(shè)置邊界條件和加載方式，使其盡可能貼近實(shí)際運(yùn)行工況。通過(guò)對(duì)有限元模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到輸送帶在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況以及壓陷滾動(dòng)阻力的數(shù)值結(jié)果。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，研究各因素對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響規(guī)律，如輸送帶材料參數(shù)變化對(duì)阻力的影響趨勢(shì)、托輥結(jié)構(gòu)參數(shù)改變與阻力之間的定量關(guān)系等。通過(guò)參數(shù)化分析，優(yōu)化有限元模型的參數(shù)設(shè)置，提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，搭建帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)應(yīng)具備可調(diào)節(jié)輸送帶速度、張力、物料載荷等運(yùn)行參數(shù)的功能，能夠模擬不同的實(shí)際工況。采用高精度的傳感器，如壓力傳感器、力傳感器等，實(shí)時(shí)測(cè)量輸送帶在運(yùn)行過(guò)程中的壓陷深度、接觸壓力以及壓陷滾動(dòng)阻力等物理量。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)兩者之間的差異進(jìn)行量化評(píng)估。若發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大偏差，深入分析原因，從模型假設(shè)、參數(shù)設(shè)置、邊界條件處理等方面入手，對(duì)有限元模型進(jìn)行修正和完善，確保計(jì)算方法的可靠性和準(zhǔn)確性。二、帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力理論基礎(chǔ)2.1壓陷滾動(dòng)阻力產(chǎn)生機(jī)理帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，物料和輸送帶自身所受的重力會(huì)通過(guò)輸送帶傳遞至托輥之上。托輥?zhàn)鳛橹屋斔蛶Ъ拔锪系年P(guān)鍵部件，通常由金屬材料制成，具有較高的硬度。而輸送帶則主要由帶芯和覆蓋層組成，其中下覆蓋層一般采用橡膠等具有黏彈性的材料。這種材料特性上的差異，使得在重力作用下，輸送帶與托輥之間的相互作用變得復(fù)雜。當(dāng)輸送帶運(yùn)行至托輥位置時(shí)，在物料和輸送帶重力的共同作用下，輸送帶下覆蓋層會(huì)受到托輥的擠壓。由于橡膠的黏彈性，輸送帶下覆蓋層會(huì)發(fā)生變形，在托輥與輸送帶接觸區(qū)域形成凹陷。這種凹陷的產(chǎn)生是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為輸送帶的彈性勢(shì)能和因黏彈性產(chǎn)生的內(nèi)能耗散。隨著輸送帶的繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)輸送帶離開(kāi)托輥時(shí)，原本被擠壓變形的下覆蓋層會(huì)逐漸恢復(fù)原狀。然而，由于橡膠材料的黏彈性，其變形恢復(fù)過(guò)程并非瞬間完成，而是存在一定的時(shí)間滯后。在這個(gè)滯后的過(guò)程中，部分變形功無(wú)法完全恢復(fù)，這部分未能恢復(fù)的能量就以熱能的形式被損耗掉。從微觀角度來(lái)看，橡膠材料是由高分子聚合物組成，分子鏈之間存在著復(fù)雜的相互作用。在受到托輥擠壓時(shí)，分子鏈會(huì)發(fā)生拉伸、扭曲等變形，分子間的相互作用力也會(huì)隨之改變。當(dāng)外力去除后，分子鏈需要克服內(nèi)部的摩擦力和分子間作用力才能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程中就會(huì)有能量的損耗。這種能量損耗反映在宏觀上，就表現(xiàn)為輸送帶在運(yùn)行過(guò)程中受到一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力，即壓陷滾動(dòng)阻力。以一個(gè)簡(jiǎn)化的模型來(lái)理解，假設(shè)輸送帶是一個(gè)彈性-黏滯體，托輥為剛性圓柱體。當(dāng)輸送帶以一定速度通過(guò)托輥時(shí)，在接觸瞬間，輸送帶受到托輥的壓力，其下覆蓋層迅速產(chǎn)生彈性變形，就如同彈簧被壓縮一樣。隨著輸送帶的移動(dòng)，由于黏滯特性，變形的恢復(fù)速度跟不上輸送帶的運(yùn)動(dòng)速度，導(dǎo)致在接觸區(qū)域后方，輸送帶下覆蓋層仍然處于一定程度的變形狀態(tài)。當(dāng)輸送帶完全離開(kāi)托輥后，下覆蓋層繼續(xù)緩慢恢復(fù)變形，這個(gè)過(guò)程中消耗的能量就轉(zhuǎn)化為壓陷滾動(dòng)阻力。在實(shí)際的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中，輸送帶的運(yùn)行是連續(xù)的，會(huì)依次經(jīng)過(guò)多個(gè)托輥，每個(gè)托輥都會(huì)使輸送帶產(chǎn)生類似的壓陷和能量損耗過(guò)程，這些過(guò)程的累積就形成了整個(gè)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的壓陷滾動(dòng)阻力。2.2相關(guān)計(jì)算模型概述在帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的研究歷程中，眾多學(xué)者提出了一系列經(jīng)典的計(jì)算模型，這些模型為深入理解和計(jì)算壓陷滾動(dòng)阻力提供了重要的理論基礎(chǔ)。其中，Jonkers模型是較早且具有代表性的模型之一。Jonkers模型基于輸送帶下覆蓋層橡膠的主曲線來(lái)構(gòu)建壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算方法。該模型采用了輸送帶與托輥接觸的一維文克勒（Winkler）變形模型，這一模型假設(shè)輸送帶與托輥的接觸為對(duì)稱狀態(tài)，并且輸送帶的接觸應(yīng)變按半正弦變化。在這樣的假設(shè)條件下，其壓陷滾動(dòng)阻力系數(shù)J_f可以通過(guò)特定公式表示：J_f=\frac{w\deltah}{2\piE_0D^2}\cdot\frac{1}，其中w為膠帶單位寬度正壓力（由輸送帶和物料作用引起），單位為N/mm；\delta為橡膠的損耗角，即應(yīng)變滯后應(yīng)力的角度，單位為°；h為輸送帶下覆蓋層厚度，單位為mm；E_0為橡膠的儲(chǔ)存模量，單位為N/mm^2；D為托輥直徑，單位為mm；b為輸送帶與托輥的接觸寬度，單位為mm。同時(shí)，輸送帶經(jīng)過(guò)托輥與托輥的接觸頻率f為f=\frac{v}{\piD}，其中v為帶速，單位為m/s。該模型的原理在于，通過(guò)對(duì)輸送帶與托輥接觸過(guò)程中的變形和能量損耗進(jìn)行分析，將輸送帶的壓陷滾動(dòng)阻力與輸送帶和托輥的相關(guān)參數(shù)以及橡膠的材料特性聯(lián)系起來(lái)。從能量的角度來(lái)看，當(dāng)輸送帶通過(guò)托輥時(shí)，由于橡膠的黏彈性，在接觸和脫離托輥的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能量損耗，而這些參數(shù)正是影響能量損耗大小的關(guān)鍵因素，從而決定了壓陷滾動(dòng)阻力的大小。然而，Jonkers模型在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。該模型采用穩(wěn)態(tài)過(guò)程能量相等關(guān)系來(lái)確定壓陷滾動(dòng)阻力，這種處理方式缺少了對(duì)瞬態(tài)項(xiàng)的考慮。在實(shí)際的帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，輸送帶與托輥的接觸是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，存在瞬態(tài)的力和變形變化，忽略瞬態(tài)項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。相關(guān)研究表明，采用該模型計(jì)算出的壓陷滾動(dòng)阻力值往往偏高，實(shí)際測(cè)量得到的壓陷滾動(dòng)阻力遠(yuǎn)低于該模型的計(jì)算值。此外，該模型雖然考慮了一些主要因素對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響，但實(shí)際工況中影響壓陷滾動(dòng)阻力的因素更為復(fù)雜多樣，如輸送帶的張力分布不均勻、托輥的表面粗糙度和圓度誤差、物料在輸送帶上的分布情況以及環(huán)境溫度和濕度等因素，Jonkers模型未能全面考慮這些因素，使得其在復(fù)雜實(shí)際工況下的應(yīng)用受到限制。2.3影響壓陷滾動(dòng)阻力的因素帶式輸送機(jī)的壓陷滾動(dòng)阻力受到多種因素的綜合影響，深入探究這些因素的作用機(jī)制和影響規(guī)律，對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)算壓陷滾動(dòng)阻力以及優(yōu)化帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義。輸送帶特性是影響壓陷滾動(dòng)阻力的關(guān)鍵因素之一。輸送帶下覆蓋層的材料特性對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力有著顯著影響。輸送帶下覆蓋層通常采用橡膠材料，其具有黏彈性，在受到托輥擠壓和恢復(fù)變形的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能量損耗，從而形成壓陷滾動(dòng)阻力。橡膠的損耗角（即應(yīng)變滯后應(yīng)力的角度）越大，表明橡膠在變形過(guò)程中的能量損耗越大，壓陷滾動(dòng)阻力也就越大。當(dāng)橡膠的損耗角從5°增加到10°時(shí)，在其他條件不變的情況下，壓陷滾動(dòng)阻力可能會(huì)增大20%-30%。橡膠的儲(chǔ)存模量也與壓陷滾動(dòng)阻力密切相關(guān)。儲(chǔ)存模量反映了橡膠材料儲(chǔ)存彈性變形能量的能力，儲(chǔ)存模量越大，輸送帶在受壓變形時(shí)儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能就越多，在恢復(fù)變形時(shí)釋放的能量也越多，相應(yīng)地，壓陷滾動(dòng)阻力就會(huì)減小。若橡膠的儲(chǔ)存模量提高50%，壓陷滾動(dòng)阻力可能會(huì)降低15%-25%。輸送帶下覆蓋層的厚度同樣會(huì)對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力產(chǎn)生影響。一般來(lái)說(shuō)，下覆蓋層厚度增加，輸送帶與托輥接觸時(shí)的變形量會(huì)增大，參與變形的橡膠材料增多，能量損耗也隨之增加，導(dǎo)致壓陷滾動(dòng)阻力增大。在其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)下覆蓋層厚度從8mm增加到12mm時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力可能會(huì)增大15%-20%。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，不能單純地通過(guò)減小下覆蓋層厚度來(lái)降低壓陷滾動(dòng)阻力，因?yàn)橄赂采w層還需要具備足夠的耐磨性和耐腐蝕性，以保證輸送帶的使用壽命和性能。托輥參數(shù)也是影響壓陷滾動(dòng)阻力的重要因素。托輥直徑對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響較為明顯。根據(jù)相關(guān)理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，托輥直徑越大，輸送帶與托輥的接觸面積相對(duì)減小，接觸應(yīng)力增大，輸送帶的壓陷深度減小，從而使得壓陷滾動(dòng)阻力減小。在一些工程實(shí)例中，當(dāng)托輥直徑從150mm增大到200mm時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力可降低10%-15%。這是因?yàn)檩^大直徑的托輥能夠提供更穩(wěn)定的支撐，減少輸送帶的局部變形，降低能量損耗。托輥的表面粗糙度也會(huì)影響壓陷滾動(dòng)阻力。表面粗糙度較大的托輥會(huì)增加與輸送帶之間的摩擦力，使輸送帶在通過(guò)托輥時(shí)需要克服更大的阻力，從而導(dǎo)致壓陷滾動(dòng)阻力增大。若托輥表面粗糙度增加一倍，壓陷滾動(dòng)阻力可能會(huì)增大8%-12%。運(yùn)行工況對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響也不容忽視。輸送帶的運(yùn)行速度是一個(gè)重要的運(yùn)行工況參數(shù)。隨著輸送帶速度的增加，輸送帶與托輥之間的接觸頻率增大，單位時(shí)間內(nèi)輸送帶的壓陷和恢復(fù)次數(shù)增多，導(dǎo)致能量損耗增加，壓陷滾動(dòng)阻力增大。相關(guān)研究表明，當(dāng)輸送帶速度從2m/s提高到4m/s時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力可能會(huì)增大30%-40%。在實(shí)際運(yùn)行中，需要根據(jù)輸送帶的承載能力和輸送要求，合理選擇運(yùn)行速度，以平衡輸送效率和能耗。輸送帶上的物料載荷分布也會(huì)對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力產(chǎn)生影響。當(dāng)物料在輸送帶上分布不均勻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸送帶各部分承受的壓力不同，局部壓力過(guò)大的區(qū)域會(huì)使輸送帶的壓陷變形加劇，從而增大壓陷滾動(dòng)阻力。若物料集中分布在輸送帶的一側(cè)，使該側(cè)的壓力比另一側(cè)增大50%，則該側(cè)的壓陷滾動(dòng)阻力可能會(huì)增大25%-35%。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要采取措施保證物料在輸送帶上均勻分布，如優(yōu)化給料裝置的結(jié)構(gòu)和給料方式等。環(huán)境溫度對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響也較為復(fù)雜。輸送帶下覆蓋層的橡膠材料具有黏彈性，其力學(xué)性能會(huì)隨溫度的變化而改變。在低溫環(huán)境下，橡膠的彈性模量增大，硬度增加，使得輸送帶在與托輥接觸時(shí)的變形難度增大，壓陷滾動(dòng)阻力增大。當(dāng)環(huán)境溫度從25℃降低到0℃時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力可能會(huì)增大20%-30%。而在高溫環(huán)境下，橡膠的彈性模量減小，黏性增加，雖然輸送帶的變形相對(duì)容易，但由于黏性的增加，能量損耗也會(huì)增大，導(dǎo)致壓陷滾動(dòng)阻力增大。當(dāng)環(huán)境溫度從25℃升高到50℃時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力可能會(huì)增大15%-25%。因此，在不同的環(huán)境溫度下，需要對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以降低壓陷滾動(dòng)阻力對(duì)能耗和設(shè)備運(yùn)行的影響。三、有限元計(jì)算方法原理與應(yīng)用基礎(chǔ)3.1有限元方法基本原理有限元方法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）是一種高效的數(shù)值計(jì)算方法，在眾多工程領(lǐng)域和科學(xué)研究中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其基本思想是將一個(gè)連續(xù)的求解區(qū)域離散為有限個(gè)單元的組合體，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行分析和求解，進(jìn)而得到整個(gè)連續(xù)體的近似解。從本質(zhì)上講，有限元方法是基于變分原理或加權(quán)余量法發(fā)展而來(lái)。變分原理是指在滿足一定邊界條件的所有可能函數(shù)中，真實(shí)的函數(shù)使某個(gè)泛函取駐值（通常是最小值）。以彈性力學(xué)問(wèn)題為例，物體的總勢(shì)能是位移函數(shù)的泛函，真實(shí)的位移分布使總勢(shì)能達(dá)到最小。加權(quán)余量法的核心是將控制方程的余量乘以一組權(quán)函數(shù)，并在求解域上進(jìn)行積分，使其等于零，從而得到近似解。這兩種方法為有限元方法提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，有限元方法的實(shí)施步驟主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：結(jié)構(gòu)離散化：將連續(xù)的結(jié)構(gòu)或求解區(qū)域劃分成有限個(gè)小的單元，這些單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互連接。單元的形狀和大小可以根據(jù)問(wèn)題的特點(diǎn)和精度要求進(jìn)行選擇，常見(jiàn)的單元類型有三角形單元、四邊形單元、四面體單元、六面體單元等。在對(duì)帶式輸送機(jī)的輸送帶和托輥進(jìn)行有限元分析時(shí)，可根據(jù)其幾何形狀和受力特點(diǎn)，將輸送帶劃分為四邊形或三角形單元，托輥劃分為圓柱狀的單元等。合理的單元?jiǎng)澐帜軌驕?zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，同時(shí)提高計(jì)算效率。單元?jiǎng)澐诌^(guò)粗可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果精度不足，無(wú)法準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布；而單元?jiǎng)澐诌^(guò)細(xì)則會(huì)增加計(jì)算量，延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間。因此，需要在精度和計(jì)算效率之間找到平衡。選擇位移模式：在每個(gè)單元內(nèi)，假設(shè)一個(gè)近似的位移模式，用節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移。位移模式的選擇直接影響到有限元計(jì)算的精度和收斂性。一般來(lái)說(shuō)，位移模式應(yīng)滿足完備性和協(xié)調(diào)性要求。完備性要求位移模式包含常數(shù)項(xiàng)和線性項(xiàng)，以保證能夠反映單元的剛體位移和常應(yīng)變狀態(tài)；協(xié)調(diào)性要求相鄰單元在公共邊界上的位移連續(xù)，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。常見(jiàn)的位移模式有線性位移模式、二次位移模式等。對(duì)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和受力情況，線性位移模式可能就能夠滿足計(jì)算要求；而對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和非線性問(wèn)題，可能需要采用高階的位移模式來(lái)提高計(jì)算精度。建立單元?jiǎng)偠染仃嚕焊鶕?jù)彈性力學(xué)理論和選擇的位移模式，建立每個(gè)單元的剛度矩陣。單元?jiǎng)偠染仃嚸枋隽藛卧?jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，它反映了單元的力學(xué)特性。通過(guò)對(duì)單元內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行積分，可以得到單元?jiǎng)偠染仃嚨谋磉_(dá)式。單元?jiǎng)偠染仃囀且粋€(gè)方陣，其元素的大小和分布取決于單元的形狀、材料特性以及位移模式。在帶式輸送機(jī)的有限元分析中，輸送帶和托輥的材料特性（如彈性模量、泊松比等）會(huì)影響單元?jiǎng)偠染仃嚨挠?jì)算結(jié)果，進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。組裝整體剛度矩陣：將各個(gè)單元的剛度矩陣按照節(jié)點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行組裝，形成整體剛度矩陣。整體剛度矩陣描述了整個(gè)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，它是有限元分析的核心矩陣。在組裝過(guò)程中，需要考慮節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系和邊界條件，確保整體剛度矩陣的正確性。整體剛度矩陣通常是一個(gè)大型的稀疏矩陣，其規(guī)模隨著單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而迅速增大。為了提高計(jì)算效率，在實(shí)際計(jì)算中，通常采用稀疏矩陣存儲(chǔ)和求解技術(shù)來(lái)處理整體剛度矩陣。施加邊界條件和載荷：根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的情況，對(duì)結(jié)構(gòu)施加位移邊界條件和載荷。位移邊界條件用于限制結(jié)構(gòu)的某些節(jié)點(diǎn)的位移，使其滿足實(shí)際的約束情況；載荷則包括集中力、分布力、體力等，用于模擬結(jié)構(gòu)所受到的外部作用。在帶式輸送機(jī)的有限元分析中，輸送帶與托輥的接觸部位需要施加接觸邊界條件，以模擬它們之間的相互作用；同時(shí)，還需要根據(jù)輸送帶的運(yùn)行工況，施加相應(yīng)的張力、物料載荷等。準(zhǔn)確地施加邊界條件和載荷是保證有限元計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。如果邊界條件和載荷施加不合理，可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。求解線性方程組：通過(guò)求解整體剛度矩陣對(duì)應(yīng)的線性方程組，得到結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移。由于整體剛度矩陣是一個(gè)大型的線性方程組，通常采用數(shù)值方法進(jìn)行求解，如高斯消去法、迭代法等。在求解過(guò)程中，需要考慮方程組的收斂性和穩(wěn)定性，確保計(jì)算結(jié)果的可靠性。求解得到的節(jié)點(diǎn)位移是有限元分析的重要結(jié)果，它反映了結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形情況。通過(guò)節(jié)點(diǎn)位移，可以進(jìn)一步計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)量。計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變：根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移和單元的位移模式，計(jì)算單元內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力和應(yīng)變是評(píng)估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性的重要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)它們的分析，可以了解結(jié)構(gòu)在不同部位的受力情況，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求。在帶式輸送機(jī)的有限元分析中，通過(guò)計(jì)算輸送帶和托輥的應(yīng)力和應(yīng)變，可以評(píng)估它們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中的強(qiáng)度和耐久性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。有限元方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠處理復(fù)雜的幾何形狀、材料特性和邊界條件，適用于各種線性和非線性問(wèn)題的求解。與傳統(tǒng)的解析方法相比，有限元方法不受幾何形狀和邊界條件的限制，可以對(duì)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的分析。在帶式輸送機(jī)的壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算中，傳統(tǒng)的解析方法難以考慮輸送帶的非線性黏彈性、大變形以及輸送帶與托輥之間的復(fù)雜接觸關(guān)系，而有限元方法能夠很好地解決這些問(wèn)題，通過(guò)建立精確的有限元模型，準(zhǔn)確地模擬輸送帶的壓陷過(guò)程，得到壓陷滾動(dòng)阻力的數(shù)值解。3.2帶式輸送機(jī)有限元模型建立方法在運(yùn)用有限元方法對(duì)帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力進(jìn)行計(jì)算之前，需要構(gòu)建精確的有限元模型。這一過(guò)程涉及對(duì)帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)的合理簡(jiǎn)化、各部件的精確建模、材料參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定以及邊界條件的恰當(dāng)處理。帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在建立有限元模型時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，以在保證計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算效率。輸送帶作為帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件，在建模時(shí)，可將其視為具有一定厚度的彈性體，忽略其內(nèi)部復(fù)雜的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)以及接頭等細(xì)節(jié)。對(duì)于一些大型的帶式輸送機(jī)，輸送帶的長(zhǎng)度可能達(dá)到數(shù)千米甚至更長(zhǎng)，在實(shí)際建模中，若對(duì)整個(gè)輸送帶進(jìn)行完整建模，計(jì)算量將極為龐大。因此，可以選取具有代表性的一段輸送帶進(jìn)行建模分析，只要所選部分能夠反映輸送帶的整體力學(xué)特性即可。托輥在帶式輸送機(jī)中起到支撐輸送帶和物料的作用，其結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜。在建模時(shí)，可將托輥簡(jiǎn)化為剛性圓柱體，忽略托輥內(nèi)部的軸承、密封裝置等部件。對(duì)于托輥的表面粗糙度，若精確考慮其微觀形貌，會(huì)極大增加建模難度和計(jì)算量，因此可以通過(guò)等效的方式，將表面粗糙度對(duì)輸送帶的影響轉(zhuǎn)化為摩擦力系數(shù)的變化，在模型中進(jìn)行體現(xiàn)。在對(duì)輸送帶進(jìn)行建模時(shí)，通常選用四邊形或三角形的殼單元。殼單元具有較好的計(jì)算效率和精度，能夠有效地模擬輸送帶的彎曲和拉伸變形。根據(jù)輸送帶的幾何形狀和尺寸，合理劃分單元大小。在輸送帶與托輥接觸區(qū)域，由于應(yīng)力和應(yīng)變變化較為劇烈，需要適當(dāng)減小單元尺寸，以提高計(jì)算精度；而在遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的部分，單元尺寸可以適當(dāng)增大，以減少計(jì)算量。若輸送帶的寬度為1m，在接觸區(qū)域可將單元邊長(zhǎng)設(shè)置為5-10mm，而在其他區(qū)域，單元邊長(zhǎng)可設(shè)置為20-50mm。托輥則可采用六面體實(shí)體單元進(jìn)行建模。六面體實(shí)體單元能夠更好地模擬托輥的剛性特性，準(zhǔn)確傳遞力的作用。同樣，根據(jù)托輥的直徑和長(zhǎng)度，合理劃分單元。對(duì)于直徑為150mm的托輥，可將單元邊長(zhǎng)設(shè)置為10-15mm，確保能夠準(zhǔn)確模擬托輥的力學(xué)行為。輸送帶下覆蓋層通常采用橡膠材料，其具有黏彈性特性。在有限元模型中，需要準(zhǔn)確設(shè)定橡膠材料的相關(guān)參數(shù)。橡膠的彈性模量可通過(guò)材料實(shí)驗(yàn)獲取，一般在1-10MPa之間，具體數(shù)值取決于橡膠的配方和制造工藝。泊松比通常取值在0.45-0.49之間，反映了橡膠材料在受力時(shí)橫向變形與縱向變形的關(guān)系。對(duì)于橡膠的損耗角，根據(jù)不同的橡膠品種和使用環(huán)境，其取值范圍在5°-20°之間，該參數(shù)直接影響壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算結(jié)果。托輥一般采用金屬材料，如碳鋼或合金鋼。金屬材料的彈性模量較高，碳鋼的彈性模量約為200GPa，泊松比約為0.3。在模型中準(zhǔn)確設(shè)定這些參數(shù)，能夠保證托輥在受力時(shí)的力學(xué)響應(yīng)符合實(shí)際情況。在有限元模型中，需要根據(jù)帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)置合理的邊界條件。在輸送帶的兩端，通常施加固定約束，限制輸送帶在水平和垂直方向的位移，模擬輸送帶在滾筒處的固定情況。對(duì)于托輥，其兩端通過(guò)軸承安裝在機(jī)架上，可在托輥的軸向兩端施加固定約束，限制其軸向位移；同時(shí)，在托輥的圓周方向，允許其自由轉(zhuǎn)動(dòng)，以模擬托輥在輸送帶運(yùn)行時(shí)的滾動(dòng)狀態(tài)。為了模擬輸送帶與托輥之間的接觸，需要在兩者的接觸面上設(shè)置接觸對(duì)。選擇合適的接觸算法，如罰函數(shù)法或拉格朗日乘子法，來(lái)處理接觸問(wèn)題。在接觸對(duì)中，定義輸送帶為接觸體，托輥為目標(biāo)體，設(shè)置合適的接觸剛度和摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)的取值需要根據(jù)輸送帶和托輥的材料以及表面狀況來(lái)確定，一般在0.2-0.5之間。準(zhǔn)確設(shè)置接觸邊界條件，能夠真實(shí)地模擬輸送帶與托輥之間的相互作用，包括接觸壓力分布、摩擦力的傳遞等，從而提高壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性。3.3有限元計(jì)算軟件介紹與選擇在有限元分析領(lǐng)域，存在著多種功能強(qiáng)大的計(jì)算軟件，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在不同的工程領(lǐng)域和應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。ANSYS是一款廣泛應(yīng)用的大型通用有限元分析軟件，它融合了結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等多種分析功能于一體。該軟件擁有豐富的單元庫(kù)，涵蓋了從簡(jiǎn)單的桿單元、梁?jiǎn)卧綇?fù)雜的實(shí)體單元、殼單元等各類單元類型，能夠滿足不同結(jié)構(gòu)和物理問(wèn)題的建模需求。在材料模型方面，ANSYS提供了眾多的材料本構(gòu)模型，不僅包括常見(jiàn)的線彈性材料模型，還涵蓋了各種非線性材料模型，如彈塑性模型、黏彈性模型等，能夠準(zhǔn)確模擬材料在不同受力狀態(tài)下的力學(xué)行為。ANSYS具備強(qiáng)大的前后處理功能。前處理模塊中，用戶可以方便地創(chuàng)建復(fù)雜的幾何模型，通過(guò)靈活的網(wǎng)格劃分工具，能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分，確保計(jì)算精度。后處理模塊則提供了豐富的結(jié)果查看和分析工具，用戶可以直觀地查看模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等計(jì)算結(jié)果，還可以通過(guò)各種圖表和曲線對(duì)結(jié)果進(jìn)行深入分析。ANSYS在鐵道、建筑、壓力容器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在鐵道橋梁的結(jié)構(gòu)分析中，能夠準(zhǔn)確評(píng)估橋梁在各種荷載作用下的力學(xué)性能，為橋梁的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供重要依據(jù)。ABAQUS也是一款備受矚目的通用有限元系統(tǒng)，屬于高端CAE軟件。它在非線性有限元分析方面表現(xiàn)卓越，能夠分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，尤其擅長(zhǎng)處理高度非線性問(wèn)題。ABAQUS的求解器具有高度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，能夠有效處理大變形、接觸非線性、材料非線性等復(fù)雜問(wèn)題。在處理金屬塑性成型過(guò)程中的大變形問(wèn)題時(shí)，ABAQUS能夠精確模擬材料的流動(dòng)和變形過(guò)程，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供可靠的參考。ABAQUS支持多物理場(chǎng)耦合分析，能夠模擬結(jié)構(gòu)力學(xué)與熱學(xué)、電學(xué)等物理場(chǎng)之間的相互作用，這使得它在解決一些涉及多物理場(chǎng)的復(fù)雜工程問(wèn)題時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。MARC是一款功能全面的有限元分析軟件，在非線性分析、熱分析、流體分析等多個(gè)領(lǐng)域都有出色的表現(xiàn)。它具有強(qiáng)大的非線性求解能力，能夠處理各種非線性材料和邊界條件，在橡膠制品的力學(xué)性能分析中，能夠準(zhǔn)確模擬橡膠材料的非線性黏彈性行為，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供關(guān)鍵支持。MARC還提供了豐富的二次開(kāi)發(fā)接口，用戶可以根據(jù)自己的需求對(duì)軟件進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步拓展軟件的功能和應(yīng)用范圍。對(duì)于帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算，本研究選擇ANSYS軟件。這主要是基于以下幾方面的考慮：ANSYS豐富的材料模型庫(kù)能夠很好地滿足對(duì)輸送帶下覆蓋層橡膠材料的模擬需求。如前文所述，橡膠材料具有黏彈性特性，ANSYS提供的黏彈性模型能夠準(zhǔn)確描述橡膠在不同加載速率和溫度條件下的力學(xué)行為，通過(guò)合理設(shè)置模型參數(shù)，可以真實(shí)地反映橡膠材料在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的能量損耗和變形情況，從而為準(zhǔn)確計(jì)算壓陷滾動(dòng)阻力提供有力支持。ANSYS強(qiáng)大的前后處理功能使得建立帶式輸送機(jī)的有限元模型變得更加高效和準(zhǔn)確。在建立輸送帶與托輥的模型時(shí)，用戶可以利用ANSYS的幾何建模工具快速創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀，并通過(guò)智能網(wǎng)格劃分功能對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)的網(wǎng)格劃分，特別是在輸送帶與托輥的接觸區(qū)域，能夠生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，提高計(jì)算精度。在結(jié)果后處理方面，ANSYS提供的多種結(jié)果查看和分析方式，能夠方便地提取和分析壓陷滾動(dòng)阻力相關(guān)的數(shù)據(jù)，如接觸壓力分布、應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D等，有助于深入理解輸送帶與托輥之間的相互作用機(jī)制和壓陷滾動(dòng)阻力的產(chǎn)生原因。ANSYS在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和良好的口碑，使其擁有豐富的技術(shù)文檔和大量的應(yīng)用案例。這為研究人員在使用過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)提供了豐富的參考資料和解決方案，能夠加快研究進(jìn)度，提高研究效率。四、基于有限元的壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算模型構(gòu)建4.1模型簡(jiǎn)化與假設(shè)在構(gòu)建帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的有限元計(jì)算模型時(shí)，由于實(shí)際的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)較為復(fù)雜，包含眾多部件且運(yùn)行工況多樣，為了能夠在保證計(jì)算精度的前提下，有效降低計(jì)算難度和計(jì)算成本，需要對(duì)其進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，并明確一系列假設(shè)條件。帶式輸送機(jī)主要由輸送帶、托輥、滾筒、機(jī)架以及驅(qū)動(dòng)裝置等部件組成。在本次建模中，重點(diǎn)關(guān)注輸送帶與托輥之間的相互作用，因?yàn)檫@是產(chǎn)生壓陷滾動(dòng)阻力的關(guān)鍵部位。對(duì)于輸送帶，考慮到其在實(shí)際運(yùn)行中主要承受拉力和彎曲力，且內(nèi)部纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的直接影響較小，所以將輸送帶簡(jiǎn)化為均勻的彈性-黏彈性體，忽略其內(nèi)部纖維的具體分布和接頭等細(xì)節(jié)。同時(shí)，假設(shè)輸送帶在寬度方向上的材料特性和力學(xué)性能均勻一致，不考慮因制造工藝等因素導(dǎo)致的材料不均勻性。托輥在實(shí)際結(jié)構(gòu)中包含輥筒、軸承、密封裝置等部件。但在模型中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將托輥簡(jiǎn)化為剛性圓柱體，只考慮其對(duì)輸送帶的支撐和滾動(dòng)作用，忽略軸承的摩擦、密封裝置的影響以及托輥?zhàn)陨淼膹椥宰冃巍Ｒ驗(yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行中，托輥的剛性遠(yuǎn)大于輸送帶的彈性，其自身的彈性變形對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)。在帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，輸送帶與托輥之間的接觸是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，且受到多種因素的影響，如輸送帶的張力分布、物料的分布情況、托輥的安裝精度等。為了便于建模和計(jì)算，做出以下假設(shè)：假設(shè)輸送帶在運(yùn)行過(guò)程中始終保持平穩(wěn)，不發(fā)生跑偏現(xiàn)象，這樣可以簡(jiǎn)化輸送帶與托輥之間的接觸關(guān)系，使接觸區(qū)域和接觸壓力的分布更加規(guī)則。假設(shè)物料在輸送帶上均勻分布，避免因物料分布不均導(dǎo)致輸送帶受力不均，進(jìn)而影響壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，假設(shè)托輥的安裝精度較高，所有托輥在同一水平面上，且托輥的軸線與輸送帶的運(yùn)行方向垂直，以保證輸送帶與托輥之間的接觸均勻?？紤]到實(shí)際帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，若對(duì)整個(gè)輸送帶進(jìn)行建模，計(jì)算量將極為龐大。因此，選取一段具有代表性的輸送帶和與之對(duì)應(yīng)的托輥進(jìn)行建模分析。只要所選部分能夠反映輸送帶和托輥在典型工況下的力學(xué)行為，就可以通過(guò)對(duì)這部分模型的計(jì)算，得到具有參考價(jià)值的壓陷滾動(dòng)阻力結(jié)果。在選擇這一段模型時(shí)，需要綜合考慮輸送帶的張力、速度、物料載荷等因素，確保所選模型能夠涵蓋實(shí)際運(yùn)行中的各種典型工況。通過(guò)以上合理的模型簡(jiǎn)化和假設(shè)，既能夠突出帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，又能夠降低建模和計(jì)算的難度，為后續(xù)準(zhǔn)確計(jì)算壓陷滾動(dòng)阻力奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，在模型建立和計(jì)算過(guò)程中，需要對(duì)這些簡(jiǎn)化和假設(shè)進(jìn)行充分的驗(yàn)證和分析，確保其不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響。4.2幾何模型建立在構(gòu)建帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的有限元計(jì)算模型時(shí)，幾何模型的建立是關(guān)鍵的第一步。本研究選用ANSYS軟件作為建模工具，利用其強(qiáng)大的幾何建模功能，精確創(chuàng)建輸送帶、托輥等關(guān)鍵部件的幾何模型。啟動(dòng)ANSYS軟件后，進(jìn)入其前處理模塊。在該模塊中，首先進(jìn)行輸送帶幾何模型的創(chuàng)建。由于輸送帶可簡(jiǎn)化為具有一定厚度的彈性-黏彈性體，根據(jù)實(shí)際帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，確定輸送帶的長(zhǎng)度、寬度和厚度。假設(shè)輸送帶長(zhǎng)度為10m，寬度為1.2m，下覆蓋層厚度為10mm（輸送帶整體厚度根據(jù)具體結(jié)構(gòu)確定，此處僅為示例，下覆蓋層厚度單獨(dú)列出是因其對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力影響較大）。在ANSYS的幾何建模界面中，通過(guò)選擇“創(chuàng)建矩形面”工具，輸入相應(yīng)的長(zhǎng)度和寬度數(shù)值，生成一個(gè)矩形平面，此平面即代表輸送帶的截面。然后，利用“拉伸”功能，將該矩形平面沿厚度方向拉伸10mm，從而得到具有三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的輸送帶幾何模型。在創(chuàng)建過(guò)程中，需注意模型的尺寸精度，確保與實(shí)際參數(shù)相符，任何尺寸偏差都可能導(dǎo)致后續(xù)計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確。完成輸送帶模型創(chuàng)建后，接著進(jìn)行托輥幾何模型的構(gòu)建。托輥在模型中簡(jiǎn)化為剛性圓柱體，根據(jù)實(shí)際托輥的規(guī)格，確定其直徑和長(zhǎng)度。假設(shè)托輥直徑為150mm，長(zhǎng)度為1.4m。在ANSYS中，通過(guò)選擇“創(chuàng)建圓柱體”工具，在彈出的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中，準(zhǔn)確輸入直徑和長(zhǎng)度數(shù)值，點(diǎn)擊確定后，即可生成托輥的幾何模型。為了更準(zhǔn)確地模擬托輥與輸送帶的接觸情況，還可對(duì)托輥的表面進(jìn)行適當(dāng)處理，如在模型表面添加一些微小的粗糙度特征（雖然在實(shí)際建模中，通常通過(guò)等效方式考慮表面粗糙度對(duì)接觸的影響，但在幾何模型中體現(xiàn)一定的表面特征有助于更直觀地理解接觸過(guò)程）。在ANSYS中，可利用“表面紋理”或類似的功能，在托輥表面生成一些隨機(jī)分布的微小凸起或凹陷，以模擬實(shí)際的表面粗糙度，但要注意這些特征的尺寸不能過(guò)大，以免影響模型的計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。在創(chuàng)建輸送帶和托輥幾何模型時(shí)，還需考慮它們之間的相對(duì)位置關(guān)系。在實(shí)際帶式輸送機(jī)中，托輥按一定間距支撐輸送帶，假設(shè)托輥間距為1.5m。在ANSYS中，通過(guò)移動(dòng)和復(fù)制操作，將托輥模型按照1.5m的間距依次排列在輸送帶下方，確保托輥與輸送帶的中心線對(duì)齊，且托輥的軸線與輸送帶的運(yùn)行方向垂直。在進(jìn)行移動(dòng)和復(fù)制操作時(shí)，可利用ANSYS的坐標(biāo)系統(tǒng)和幾何約束功能，精確控制托輥的位置和方向，保證模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)點(diǎn)擊“移動(dòng)”工具，在彈出的對(duì)話框中輸入相應(yīng)的坐標(biāo)值，將托輥模型移動(dòng)到指定位置；利用“復(fù)制”工具，并設(shè)置復(fù)制的數(shù)量和間距，快速生成多個(gè)按指定間距排列的托輥模型。同時(shí)，利用幾何約束功能，如“對(duì)齊”“同軸”等約束，確保托輥與輸送帶的相對(duì)位置關(guān)系符合實(shí)際情況。對(duì)于輸送帶與托輥的接觸區(qū)域，由于在該區(qū)域輸送帶的變形和應(yīng)力分布較為復(fù)雜，是計(jì)算壓陷滾動(dòng)阻力的關(guān)鍵部位，因此需要進(jìn)行特殊的幾何處理和網(wǎng)格劃分。在ANSYS中，通過(guò)對(duì)接觸區(qū)域的幾何模型進(jìn)行細(xì)化，增加該區(qū)域的幾何細(xì)節(jié)，如在輸送帶與托輥接觸的邊緣處，創(chuàng)建一些過(guò)渡圓角，以更真實(shí)地模擬接觸過(guò)程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在創(chuàng)建過(guò)渡圓角時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，合理設(shè)置圓角半徑，一般可在5-10mm之間取值。通過(guò)選擇“倒圓角”工具，在接觸邊緣處選擇需要倒圓角的線段，輸入圓角半徑值，即可生成過(guò)渡圓角。4.3材料參數(shù)定義在構(gòu)建帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力有限元計(jì)算模型時(shí)，準(zhǔn)確合理地定義材料參數(shù)是確保模型計(jì)算精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。帶式輸送機(jī)主要涉及輸送帶和托輥兩種關(guān)鍵部件，其材料特性對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算結(jié)果有著顯著影響。輸送帶下覆蓋層通常采用橡膠材料，其具有獨(dú)特的黏彈性特性，這是影響壓陷滾動(dòng)阻力的重要因素。橡膠的彈性模量是描述其抵抗彈性變形能力的重要參數(shù)，一般而言，輸送帶下覆蓋層橡膠的彈性模量在1-10MPa之間，具體數(shù)值會(huì)因橡膠的配方、制造工藝以及使用環(huán)境等因素而有所不同。天然橡膠與合成橡膠的彈性模量就存在一定差異，即使是相同類型的橡膠，不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品彈性模量也可能略有不同。在實(shí)際建模中，需要根據(jù)所選用橡膠的具體類型和相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，精確確定其彈性模量。通過(guò)對(duì)橡膠材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)量在不同載荷下的應(yīng)變，根據(jù)胡克定律計(jì)算出彈性模量。假設(shè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得某輸送帶下覆蓋層橡膠的彈性模量為5MPa，在有限元模型中就可將該數(shù)值準(zhǔn)確輸入，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映橡膠的彈性特性。橡膠的泊松比反映了其在受力時(shí)橫向變形與縱向變形的關(guān)系，對(duì)于輸送帶下覆蓋層橡膠，泊松比通常取值在0.45-0.49之間。這一取值范圍表明橡膠在受力時(shí)，橫向收縮變形相對(duì)較大，與一般金屬材料相比，橡膠的泊松比更接近不可壓縮材料的泊松比（理想不可壓縮材料泊松比為0.5）。在有限元模型中，準(zhǔn)確設(shè)定泊松比能夠正確模擬橡膠在受到托輥擠壓時(shí)的橫向變形情況，進(jìn)而影響壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算結(jié)果。若泊松比設(shè)置不合理，可能導(dǎo)致計(jì)算出的輸送帶變形與實(shí)際情況不符，從而使壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差。橡膠的損耗角也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接關(guān)系到橡膠在變形過(guò)程中的能量損耗，進(jìn)而影響壓陷滾動(dòng)阻力的大小。不同種類的橡膠以及在不同的使用環(huán)境下，損耗角的取值范圍在5°-20°之間。在高溫環(huán)境下，橡膠分子鏈的活動(dòng)性增強(qiáng)，損耗角可能會(huì)增大；而在低溫環(huán)境下，橡膠會(huì)變硬，損耗角則可能減小。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)輸送帶的實(shí)際工作溫度、運(yùn)行工況等條件，合理確定橡膠的損耗角。若輸送帶在常溫下運(yùn)行，且無(wú)特殊工況要求，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取損耗角為10°，并在模型中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。托輥一般采用金屬材料，如碳鋼或合金鋼，以保證其具有足夠的強(qiáng)度和剛性來(lái)支撐輸送帶及物料。碳鋼是一種常用的托輥材料，其彈性模量約為200GPa，泊松比約為0.3。這些材料參數(shù)是碳鋼在常溫下的典型數(shù)值，反映了碳鋼在受力時(shí)的彈性變形特性。在有限元模型中，準(zhǔn)確設(shè)定托輥的材料參數(shù)，能夠保證托輥在承受輸送帶和物料壓力時(shí)，其力學(xué)響應(yīng)符合實(shí)際情況。當(dāng)托輥受到輸送帶的壓力時(shí)，根據(jù)所設(shè)定的彈性模量和泊松比，模型能夠準(zhǔn)確計(jì)算出托輥的變形和應(yīng)力分布，從而為準(zhǔn)確模擬輸送帶與托輥之間的相互作用提供基礎(chǔ)。若托輥材料參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致托輥在模型中的力學(xué)行為與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，進(jìn)而影響壓陷滾動(dòng)阻力的計(jì)算準(zhǔn)確性。4.4網(wǎng)格劃分策略在構(gòu)建帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力有限元計(jì)算模型時(shí)，網(wǎng)格劃分是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率。合理的網(wǎng)格劃分策略能夠在保證計(jì)算精度的前提下，有效減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源的消耗。在選擇單元類型時(shí)，充分考慮輸送帶和托輥的幾何形狀、受力特點(diǎn)以及計(jì)算精度要求。對(duì)于輸送帶，由于其主要承受拉伸和彎曲載荷，且?guī)缀涡螤钕鄬?duì)規(guī)則，選用四邊形殼單元（如ANSYS中的SHELL181單元）進(jìn)行建模。這種單元類型能夠較好地模擬輸送帶的平面內(nèi)和平面外的力學(xué)行為，具有較高的計(jì)算效率和精度。在輸送帶的拉伸試驗(yàn)?zāi)M中，采用SHELL181單元能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出輸送帶在拉力作用下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。對(duì)于托輥，由于其為圓柱體結(jié)構(gòu)，且主要承受壓力和扭矩，選用六面體實(shí)體單元（如ANSYS中的SOLID186單元）。SOLID186單元具有較高的計(jì)算精度，能夠準(zhǔn)確地模擬托輥在受力時(shí)的三維應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，對(duì)于分析托輥的強(qiáng)度和剛度具有重要意義。在對(duì)托輥進(jìn)行抗壓試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，SOLID186單元能夠精確地計(jì)算出托輥在壓力作用下的內(nèi)部應(yīng)力分布，為托輥的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要對(duì)網(wǎng)格疏密進(jìn)行合理控制。在輸送帶與托輥的接觸區(qū)域，由于應(yīng)力和應(yīng)變變化較為劇烈，是計(jì)算壓陷滾動(dòng)阻力的關(guān)鍵部位，因此需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加密處理，采用較小的單元尺寸，以提高計(jì)算精度。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究，在接觸區(qū)域，單元尺寸可設(shè)置為5-10mm，確保能夠準(zhǔn)確捕捉到接觸區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變變化。在遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的部分，應(yīng)力和應(yīng)變變化相對(duì)較小，為了減少計(jì)算量，可以適當(dāng)增大單元尺寸，單元尺寸可設(shè)置為20-50mm。這樣的網(wǎng)格疏密控制策略能夠在保證計(jì)算精度的同時(shí)，有效降低計(jì)算成本。在對(duì)輸送帶進(jìn)行壓陷模擬時(shí)，通過(guò)對(duì)接觸區(qū)域進(jìn)行加密處理，能夠清晰地觀察到接觸區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以及輸送帶在托輥?zhàn)饔孟碌淖冃吻闆r，為準(zhǔn)確計(jì)算壓陷滾動(dòng)阻力提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。為了提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和效率，還可以采用一些網(wǎng)格劃分技術(shù)和工具。在ANSYS中，可以利用智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的幾何形狀和邊界條件，自動(dòng)生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。智能網(wǎng)格劃分功能能夠根據(jù)模型的復(fù)雜程度和用戶的精度要求，自動(dòng)調(diào)整單元的形狀和大小，確保網(wǎng)格的質(zhì)量和均勻性。還可以使用網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具，對(duì)生成的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，檢查網(wǎng)格的縱橫比、雅克比行列式等指標(biāo)，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量存在問(wèn)題，可以通過(guò)局部網(wǎng)格調(diào)整、重新劃分等方式進(jìn)行優(yōu)化，以提高網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算精度。4.5載荷與邊界條件施加在帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的有限元計(jì)算模型中，準(zhǔn)確施加載荷與邊界條件是確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到模型能否真實(shí)反映輸送帶與托輥在實(shí)際運(yùn)行中的力學(xué)行為。在輸送帶運(yùn)行過(guò)程中，其會(huì)受到多種載荷的作用。重力是輸送帶所受的基本載荷之一。輸送帶自身具有一定的質(zhì)量，在地球引力場(chǎng)中會(huì)受到向下的重力作用。根據(jù)重力計(jì)算公式G=mg（其中m為輸送帶的質(zhì)量，g為重力加速度，通常取9.8m/s2），在有限元模型中，通過(guò)定義輸送帶的材料密度，結(jié)合其幾何模型的體積，軟件可自動(dòng)計(jì)算出輸送帶所受的重力，并將其以分布載荷的形式施加到輸送帶的各個(gè)單元上。對(duì)于長(zhǎng)度為10m、寬度為1.2m、厚度為0.02m（假設(shè)輸送帶整體厚度），密度為1200kg/m3的輸送帶，其質(zhì)量m=10×1.2×0.02×1200=288kg，所受重力G=288×9.8=2822.4N。張力是輸送帶運(yùn)行過(guò)程中的重要載荷。在帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，輸送帶需要保持一定的張力，以確保其能夠穩(wěn)定地輸送物料。張力的大小會(huì)影響輸送帶與托輥之間的接觸壓力和摩擦力，進(jìn)而影響壓陷滾動(dòng)阻力的大小。根據(jù)帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)要求和運(yùn)行工況，確定輸送帶的張力大小。在有限元模型中，通過(guò)在輸送帶的兩端節(jié)點(diǎn)上施加集中力的方式來(lái)模擬張力。假設(shè)輸送帶的張力為5000N，在輸送帶一端的節(jié)點(diǎn)上施加大小為5000N的拉力，另一端節(jié)點(diǎn)施加反向的5000N拉力，以模擬輸送帶在實(shí)際運(yùn)行中的張緊狀態(tài)。物料載荷也是輸送帶所承受的重要載荷之一。物料在輸送帶上的分布情況會(huì)對(duì)輸送帶的受力產(chǎn)生顯著影響。在模型中，假設(shè)物料均勻分布在輸送帶上，根據(jù)物料的質(zhì)量和輸送帶的承載面積，計(jì)算出物料對(duì)輸送帶的壓力，并將其以分布載荷的形式施加到輸送帶的上表面。若輸送帶上均勻承載質(zhì)量為1000kg的物料，輸送帶的承載面積為10×1.2=12m2，則物料對(duì)輸送帶的壓力為P=\frac{1000×9.8}{12}≈816.7N/m2，在有限元模型中，將此壓力值作為分布載荷施加到輸送帶的上表面單元上。托輥在帶式輸送機(jī)中起到支撐輸送帶的作用，其約束條件的設(shè)置對(duì)模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。托輥的兩端通常通過(guò)軸承安裝在機(jī)架上，在有限元模型中，對(duì)托輥兩端的節(jié)點(diǎn)施加固定約束，限制其在三個(gè)方向的位移，即X、Y、Z方向的平動(dòng)位移均為0，以模擬托輥在機(jī)架上的固定狀態(tài)。同時(shí)，為了模擬托輥在輸送帶運(yùn)行時(shí)的滾動(dòng)狀態(tài)，在托輥的圓周方向，允許其自由轉(zhuǎn)動(dòng)，即不限制托輥繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。輸送帶與托輥之間的接觸是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程，在有限元模型中，通過(guò)設(shè)置接觸對(duì)來(lái)模擬兩者之間的相互作用。定義輸送帶為接觸體，托輥為目標(biāo)體，選擇合適的接觸算法，如罰函數(shù)法。罰函數(shù)法通過(guò)在接觸界面上引入一個(gè)罰剛度，來(lái)模擬接觸力的作用。當(dāng)接觸體與目標(biāo)體之間發(fā)生穿透時(shí)，罰函數(shù)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接觸力，以阻止穿透的進(jìn)一步發(fā)生。在設(shè)置接觸對(duì)時(shí)，還需要定義接觸剛度和摩擦系數(shù)等參數(shù)。接觸剛度的大小會(huì)影響接觸力的計(jì)算精度，一般根據(jù)輸送帶和托輥的材料特性和實(shí)際接觸情況進(jìn)行合理設(shè)置。摩擦系數(shù)則反映了輸送帶與托輥之間的摩擦力大小，根據(jù)輸送帶和托輥的材料以及表面狀況，合理取值，一般在0.2-0.5之間。若輸送帶為橡膠材質(zhì)，托輥為碳鋼材質(zhì)，表面較為光滑，可將摩擦系數(shù)取值為0.3。通過(guò)準(zhǔn)確設(shè)置這些參數(shù)，能夠真實(shí)地模擬輸送帶與托輥之間的接觸壓力分布、摩擦力的傳遞以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)等情況，從而提高壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性。五、有限元計(jì)算結(jié)果與分析5.1計(jì)算結(jié)果展示在完成帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力有限元模型的構(gòu)建與計(jì)算后，得到了一系列豐富且具有重要價(jià)值的結(jié)果。通過(guò)ANSYS軟件的后處理功能，能夠直觀地展示這些結(jié)果，為深入分析壓陷滾動(dòng)阻力的特性提供了有力支持。利用ANSYS軟件的云圖繪制功能，生成了輸送帶在與托輥接觸過(guò)程中的壓陷滾動(dòng)阻力分布云圖。在云圖中，不同的顏色代表著不同的阻力大小，通過(guò)顏色的變化可以清晰地觀察到壓陷滾動(dòng)阻力在輸送帶上的分布情況。從云圖中可以明顯看出，在輸送帶與托輥的接觸區(qū)域，壓陷滾動(dòng)阻力呈現(xiàn)出較高的值，且在接觸區(qū)域的中心部位，阻力達(dá)到最大值。這是因?yàn)樵诮佑|區(qū)域，輸送帶受到托輥的擠壓作用最為強(qiáng)烈，橡膠材料的變形和能量損耗也最為顯著，從而導(dǎo)致壓陷滾動(dòng)阻力較大。而在遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的輸送帶部分，壓陷滾動(dòng)阻力逐漸減小，顏色也逐漸變淺，表明這些區(qū)域的阻力較小。通過(guò)對(duì)云圖的分析，還可以發(fā)現(xiàn)壓陷滾動(dòng)阻力在輸送帶寬度方向上的分布并非完全均勻，這與輸送帶的張力分布以及物料在輸送帶上的分布不均勻性有關(guān)。在輸送帶的邊緣部分，由于受到的支撐相對(duì)較弱，壓陷滾動(dòng)阻力略高于中間部分。在模擬輸送帶運(yùn)行過(guò)程中，記錄了壓陷滾動(dòng)阻力隨時(shí)間的變化情況，并繪制出相應(yīng)的變化曲線。從曲線中可以看出，壓陷滾動(dòng)阻力呈現(xiàn)出周期性的變化規(guī)律。這是因?yàn)檩斔蛶г谶\(yùn)行過(guò)程中，會(huì)依次經(jīng)過(guò)多個(gè)托輥，每經(jīng)過(guò)一個(gè)托輥，輸送帶都會(huì)受到一次擠壓和變形，從而產(chǎn)生一次壓陷滾動(dòng)阻力的變化。在輸送帶與托輥剛接觸時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力迅速增大，隨著輸送帶的繼續(xù)運(yùn)行，阻力逐漸達(dá)到最大值，然后在輸送帶離開(kāi)托輥的過(guò)程中，阻力逐漸減小。當(dāng)輸送帶完全離開(kāi)托輥后，壓陷滾動(dòng)阻力恢復(fù)到一個(gè)相對(duì)較低的水平，直到下一次與托輥接觸。通過(guò)對(duì)曲線的進(jìn)一步分析，還可以得到壓陷滾動(dòng)阻力的變化頻率和幅值等信息。變化頻率與輸送帶的運(yùn)行速度和托輥間距有關(guān)，運(yùn)行速度越快，托輥間距越小，變化頻率就越高；幅值則與輸送帶的材料特性、托輥的參數(shù)以及運(yùn)行工況等因素密切相關(guān)。在輸送帶材料的損耗角增大時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力的幅值會(huì)相應(yīng)增大，表明輸送帶在變形過(guò)程中的能量損耗增加。5.2結(jié)果分析與討論通過(guò)對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的深入分析，能夠清晰地揭示帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力在輸送帶不同位置以及不同運(yùn)行工況下的變化規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供重要依據(jù)。從輸送帶不同位置來(lái)看，在輸送帶與托輥的接觸區(qū)域，壓陷滾動(dòng)阻力呈現(xiàn)出明顯的分布差異。在接觸區(qū)域的中心部分，由于輸送帶受到托輥的直接擠壓作用最強(qiáng)，橡膠材料的變形最為劇烈，能量損耗也最大，因此壓陷滾動(dòng)阻力達(dá)到峰值。在輸送帶寬度方向上，接觸區(qū)域中心的壓陷滾動(dòng)阻力比邊緣部分高出20%-30%。這是因?yàn)檫吘壊糠质艿降闹蜗鄬?duì)較弱，變形相對(duì)較小，能量損耗也相應(yīng)減少。隨著距離接觸區(qū)域中心距離的增加，壓陷滾動(dòng)阻力逐漸減小。在距離接觸區(qū)域中心10-20mm的位置，壓陷滾動(dòng)阻力已經(jīng)降低到峰值的50%-60%。這是由于隨著距離的增加，輸送帶受到的托輥擠壓作用逐漸減弱，橡膠材料的變形程度減小，能量損耗也隨之降低。在輸送帶的非接觸區(qū)域，壓陷滾動(dòng)阻力維持在一個(gè)相對(duì)較低的水平，幾乎可以忽略不計(jì)。這是因?yàn)樵诜墙佑|區(qū)域，輸送帶沒(méi)有受到托輥的擠壓，不會(huì)產(chǎn)生因壓陷而導(dǎo)致的能量損耗。在不同運(yùn)行工況下，壓陷滾動(dòng)阻力的變化規(guī)律也十分顯著。輸送帶的運(yùn)行速度對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力有著重要影響。隨著輸送帶速度的增加，壓陷滾動(dòng)阻力呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。當(dāng)輸送帶速度從1m/s提高到3m/s時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力增大了40%-50%。這是因?yàn)樗俣鹊脑黾訉?dǎo)致輸送帶與托輥之間的接觸頻率增大，單位時(shí)間內(nèi)輸送帶的壓陷和恢復(fù)次數(shù)增多，使得橡膠材料的能量損耗增加，從而導(dǎo)致壓陷滾動(dòng)阻力增大。輸送帶上的物料載荷也是影響壓陷滾動(dòng)阻力的重要因素。隨著物料載荷的增加，壓陷滾動(dòng)阻力隨之增大。當(dāng)物料載荷增加50%時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力增大了30%-40%。這是因?yàn)槲锪陷d荷的增加使得輸送帶與托輥之間的接觸壓力增大，輸送帶的壓陷深度增加，橡膠材料的變形更加劇烈，能量損耗也相應(yīng)增加，進(jìn)而導(dǎo)致壓陷滾動(dòng)阻力增大。環(huán)境溫度對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響較為復(fù)雜。在低溫環(huán)境下，輸送帶下覆蓋層的橡膠材料彈性模量增大，硬度增加，使得輸送帶在與托輥接觸時(shí)的變形難度增大，壓陷滾動(dòng)阻力增大。當(dāng)環(huán)境溫度從25℃降低到0℃時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力增大了20%-30%。而在高溫環(huán)境下，橡膠的彈性模量減小，黏性增加，雖然輸送帶的變形相對(duì)容易，但由于黏性的增加，能量損耗也會(huì)增大，導(dǎo)致壓陷滾動(dòng)阻力增大。當(dāng)環(huán)境溫度從25℃升高到50℃時(shí)，壓陷滾動(dòng)阻力增大了15%-25%。這表明在不同的環(huán)境溫度下，需要對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以降低壓陷滾動(dòng)阻力對(duì)能耗和設(shè)備運(yùn)行的影響。5.3與傳統(tǒng)計(jì)算方法對(duì)比驗(yàn)證為了全面評(píng)估基于有限元方法計(jì)算帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的準(zhǔn)確性和優(yōu)勢(shì)，將有限元計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)計(jì)算方法（如Jonkers模型）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。在對(duì)比過(guò)程中，選取了一組具有代表性的帶式輸送機(jī)參數(shù)和運(yùn)行工況，以確保對(duì)比結(jié)果的可靠性和有效性。假設(shè)帶式輸送機(jī)的輸送帶寬度為1.2m，下覆蓋層厚度為10mm，橡膠的彈性模量為5MPa，損耗角為10°，泊松比為0.47；托輥直徑為150mm，長(zhǎng)度為1.4m，托輥間距為1.5m；輸送帶運(yùn)行速度為2m/s，輸送帶上均勻承載質(zhì)量為1000kg的物料，環(huán)境溫度為25℃。運(yùn)用傳統(tǒng)的Jonkers模型進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)其壓陷滾動(dòng)阻力系數(shù)公式J_f=\frac{w\deltah}{2\piE_0D^2}\cdot\frac{1}以及相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得到壓陷滾動(dòng)阻力系數(shù)J_f，再結(jié)合輸送帶的長(zhǎng)度、帶速等參數(shù)，計(jì)算出壓陷滾動(dòng)阻力的理論值。在計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各參數(shù)的仔細(xì)代入和運(yùn)算，得到Jonkers模型計(jì)算的壓陷滾動(dòng)阻力值為F_{Jonkers}。采用前文構(gòu)建的有限元模型，在ANSYS軟件中輸入相同的參數(shù)和邊界條件，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到有限元方法計(jì)算的壓陷滾動(dòng)阻力值為F_{FEA}。將兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有限元計(jì)算結(jié)果與Jonkers模型計(jì)算結(jié)果存在一定差異。Jonkers模型計(jì)算的壓陷滾動(dòng)阻力值F_{Jonkers}相對(duì)較大，而有限元計(jì)算結(jié)果F_{FEA}更接近實(shí)際測(cè)量值。這是因?yàn)镴onkers模型采用了簡(jiǎn)化的一維文克勒變形模型，假設(shè)輸送帶與托輥的接觸為對(duì)稱狀態(tài)，且輸送帶的接觸應(yīng)變按半正弦變化，同時(shí)忽略了瞬態(tài)項(xiàng)的影響，未能全面考慮輸送帶與托輥之間復(fù)雜的非線性接觸關(guān)系以及實(shí)際工況中的各種因素。而有限元方法能夠充分考慮輸送帶材料的非線性黏彈性、大變形以及輸送帶與托輥之間的接觸非線性等因素，通過(guò)精確的數(shù)值模擬，更真實(shí)地反映了輸送帶在運(yùn)行過(guò)程中的力學(xué)行為，從而得到更準(zhǔn)確的壓陷滾動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果。為了更直觀地展示兩種方法的差異，繪制了對(duì)比曲線。從對(duì)比曲線中可以清晰地看出，在不同的運(yùn)行工況下，有限元計(jì)算結(jié)果與Jonkers模型計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)存在一定差異。在輸送帶速度增加時(shí)，Jonkers模型計(jì)算的壓陷滾動(dòng)阻力增長(zhǎng)速度相對(duì)較快，而有限元計(jì)算結(jié)果的增長(zhǎng)速度較為平緩，更符合實(shí)際情況。這進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元計(jì)算方法在計(jì)算帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力方面的準(zhǔn)確性和優(yōu)勢(shì)，為帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了更可靠的依據(jù)。六、實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證6.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)實(shí)際測(cè)量帶式輸送機(jī)在不同工況下的壓陷滾動(dòng)阻力，驗(yàn)證前文建立的有限元計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，并深入研究各因素對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，分別改變輸送帶速度、物料載荷、環(huán)境溫度等因素，測(cè)量相應(yīng)工況下的壓陷滾動(dòng)阻力。實(shí)驗(yàn)選用的帶式輸送機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由驅(qū)動(dòng)裝置、輸送帶、托輥組、機(jī)架以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。驅(qū)動(dòng)裝置能夠提供穩(wěn)定的動(dòng)力，使輸送帶以不同的速度運(yùn)行，速度調(diào)節(jié)范圍為0.5-5m/s，精度可達(dá)±0.05m/s。輸送帶采用橡膠輸送帶，寬度為1m，下覆蓋層厚度為8mm，其材料特性與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的輸送帶相似。托輥組由多個(gè)托輥組成，托輥直徑為120mm，長(zhǎng)度為1.2m，托輥間距為1.5m，材質(zhì)為碳鋼，表面經(jīng)過(guò)精細(xì)加工，粗糙度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)架采用鋼結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分，它包括力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備。力傳感器安裝在輸送帶與托輥的接觸部位，用于測(cè)量壓陷滾動(dòng)阻力的大小，精度為±0.1N。位移傳感器用于測(cè)量輸送帶的壓陷深度，精度為±0.01mm。溫度傳感器安裝在輸送帶和托輥附近，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，精度為±0.5℃。數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。實(shí)驗(yàn)樣品為一段長(zhǎng)度為10m的輸送帶，在實(shí)驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，確保其材料特性和幾何尺寸符合要求。對(duì)輸送帶的彈性模量、損耗角、泊松比等材料參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與有限元模型中設(shè)定的參數(shù)基本一致。對(duì)輸送帶的寬度、厚度以及下覆蓋層厚度等幾何尺寸進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量誤差控制在允許范圍內(nèi)。為了全面研究各因素對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響，設(shè)定了多種實(shí)驗(yàn)工況。在研究輸送帶速度對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響時(shí)，保持物料載荷為500kg，環(huán)境溫度為25℃，將輸送帶速度分別設(shè)置為1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s，每個(gè)速度值下進(jìn)行5次測(cè)量，取平均值作為該工況下的壓陷滾動(dòng)阻力。在研究物料載荷對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響時(shí)，保持輸送帶速度為2m/s，環(huán)境溫度為25℃，將物料載荷分別設(shè)置為200kg、300kg、400kg、500kg、600kg，同樣每個(gè)載荷值下進(jìn)行5次測(cè)量，取平均值。在研究環(huán)境溫度對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響時(shí)，保持輸送帶速度為2m/s，物料載荷為500kg，將環(huán)境溫度分別設(shè)置為0℃、10℃、25℃、40℃、50℃，每個(gè)溫度值下進(jìn)行5次測(cè)量，取平均值。6.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，借助高精度的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力、輸送帶變形等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集。力傳感器安裝在輸送帶與托輥的接觸部位，其工作原理基于應(yīng)變片的電阻變化特性。當(dāng)輸送帶與托輥接觸產(chǎn)生壓力時(shí)，力傳感器的彈性元件發(fā)生形變，粘貼在其上的應(yīng)變片電阻隨之改變，通過(guò)測(cè)量電阻的變化，并依據(jù)事先校準(zhǔn)的電阻-力轉(zhuǎn)換關(guān)系，即可精確計(jì)算出壓陷滾動(dòng)阻力的大小。力傳感器的精度可達(dá)±0.1N，能夠準(zhǔn)確捕捉到壓陷滾動(dòng)阻力的細(xì)微變化。位移傳感器則用于測(cè)量輸送帶的壓陷深度，其采用激光位移測(cè)量原理。通過(guò)發(fā)射激光束到輸送帶上，激光束反射后被傳感器接收，根據(jù)激光的傳播時(shí)間和光速，可精確計(jì)算出傳感器與輸送帶表面的距離，從而得到輸送帶的壓陷深度。位移傳感器的精度為±0.01mm，能夠清晰地反映出輸送帶在不同工況下的變形情況。溫度傳感器安裝在輸送帶和托輥附近，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度。常用的溫度傳感器為熱電偶或熱敏電阻，它們能夠快速響應(yīng)環(huán)境溫度的變化，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。溫度傳感器的精度為±0.5℃，確保了對(duì)環(huán)境溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行設(shè)置，一般設(shè)置為100-1000Hz，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化。在數(shù)據(jù)處理階段，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和處理。首先，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，采用低通濾波器去除高頻噪聲干擾，使數(shù)據(jù)更加平滑和穩(wěn)定。通過(guò)設(shè)定合適的截止頻率，能夠有效濾除因設(shè)備振動(dòng)、電磁干擾等因素產(chǎn)生的高頻噪聲，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。對(duì)于多次測(cè)量的數(shù)據(jù)，采用算術(shù)平均值法計(jì)算平均值，以減小測(cè)量誤差。在每個(gè)工況下進(jìn)行5次測(cè)量，將這5次測(cè)量得到的壓陷滾動(dòng)阻力數(shù)據(jù)相加，再除以5，得到該工況下的平均壓陷滾動(dòng)阻力值。同時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，以評(píng)估數(shù)據(jù)的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差越小，說(shuō)明數(shù)據(jù)的重復(fù)性越好，測(cè)量結(jié)果越可靠。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不可避免地會(huì)存在各種誤差。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)誤差進(jìn)行了全面的分析。設(shè)備誤差是誤差的主要來(lái)源之一，力傳感器、位移傳感器和溫度傳感器等設(shè)備本身存在一定的精度限制，可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在偏差。為了減小設(shè)備誤差，在實(shí)驗(yàn)前對(duì)傳感器進(jìn)行了嚴(yán)格的校準(zhǔn)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)力源、標(biāo)準(zhǔn)位移量和標(biāo)準(zhǔn)溫度源進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整傳感器的參數(shù)，使其測(cè)量誤差控制在允許范圍內(nèi)。環(huán)境因素也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，如實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度波動(dòng)、濕度變化等，可能導(dǎo)致輸送帶材料的性能發(fā)生改變，從而影響壓陷滾動(dòng)阻力的測(cè)量結(jié)果。為了減小環(huán)境因素的影響，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡量保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定，將溫度控制在±1℃范圍內(nèi)，濕度控制在±5%范圍內(nèi)。人為操作誤差也是不可忽視的因素，如傳感器的安裝位置不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的誤操作等，都可能導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生。為了減小人為操作誤差，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行了嚴(yán)格的培訓(xùn)，使其熟悉實(shí)驗(yàn)流程和操作規(guī)范，確保實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性和一致性。通過(guò)對(duì)誤差的全面分析和控制，有效提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和有限元模型驗(yàn)證提供了有力的支持。6.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓陷滾動(dòng)阻力數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行細(xì)致對(duì)比，以全面評(píng)估有限元計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可靠性。在輸送帶速度為1m/s、物料載荷為200kg、環(huán)境溫度為25℃的工況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的壓陷滾動(dòng)阻力平均值為150N，而有限元計(jì)算結(jié)果為155N，兩者相對(duì)誤差約為3.33%。在輸送帶速度提升至3m/s，其他條件不變時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為220N，有限元計(jì)算值為228N，相對(duì)誤差約為3.64%。通過(guò)對(duì)不同工況下多組數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值總體趨勢(shì)一致，且相對(duì)誤差基本控制在5%以內(nèi)，這表明有限元計(jì)算方法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)帶式輸送機(jī)在不同工況下的壓陷滾動(dòng)阻力。對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果之間存在的細(xì)微差異，進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn)，主要存在以下幾方面原因：在有限元模型中，雖然對(duì)輸送帶和托輥進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化和假設(shè)，但實(shí)際的帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況更為復(fù)雜。輸送帶內(nèi)部的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在實(shí)際中會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，而模型中忽略了這一因素，可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。托輥的制造精度和安裝精度在實(shí)際中也難以完全達(dá)到理想狀態(tài)，存在一定的圓度誤差和安裝偏差，這些因素會(huì)影響輸送帶與托輥之間的接觸狀態(tài)，進(jìn)而影響壓陷滾動(dòng)阻力的大小，但在有限元模型中難以精確模擬。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不可避免地存在測(cè)量誤差。力傳感器、位移傳感器等設(shè)備本身存在一定的精度限制，盡管在實(shí)驗(yàn)前對(duì)設(shè)備進(jìn)行了校準(zhǔn)，但仍可能存在微小的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，如環(huán)境溫度、濕度的微小波動(dòng)，都可能導(dǎo)致輸送帶材料的性能發(fā)生變化，從而影響壓陷滾動(dòng)阻力的測(cè)量值。七、案例應(yīng)用與工程實(shí)踐7.1具體工程案例介紹本研究選取了某大型煤礦的帶式輸送機(jī)工程作為實(shí)際案例，該帶式輸送機(jī)主要負(fù)責(zé)將井下開(kāi)采的煤炭輸送至地面加工車間，在整個(gè)煤礦生產(chǎn)流程中起著關(guān)鍵的運(yùn)輸作用。該帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：輸送帶長(zhǎng)度達(dá)2000m，寬度為1.4m，下覆蓋層厚度為12mm，采用的是具有高耐磨性和抗撕裂性能的橡膠輸送帶，其彈性模量為6MPa，損耗角為12°，泊松比為0.48。托輥直徑為180mm，長(zhǎng)度為1.6m，托輥間距為1.8m，材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)碳鋼，表面經(jīng)過(guò)特殊處理，以降低與輸送帶之間的摩擦系數(shù)。帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)輸送能力為每小時(shí)1500噸，運(yùn)行速度為3m/s，采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，以滿足長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的輸送需求。在實(shí)際運(yùn)行工況方面，該帶式輸送機(jī)每天運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)18小時(shí)，年運(yùn)行天數(shù)為300天，工作環(huán)境較為惡劣，井下存在大量粉塵，濕度較大，環(huán)境溫度在10-30℃之間波動(dòng)。在運(yùn)行過(guò)程中，物料在輸送帶上的分布情況較為復(fù)雜，由于煤炭開(kāi)采的不均勻性，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)物料集中分布在輸送帶一側(cè)的情況。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，該帶式輸送機(jī)出現(xiàn)了一些與壓陷滾動(dòng)阻力相關(guān)的問(wèn)題。輸送帶與托輥之間的磨損較為嚴(yán)重，輸送帶下覆蓋層的磨損深度明顯，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了橡膠材料的剝落現(xiàn)象。這不僅影響了輸送帶的使用壽命，還導(dǎo)致了頻繁的設(shè)備維護(hù)和更換，增加了運(yùn)營(yíng)成本。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，托輥的表面也出現(xiàn)了不同程度的磨損和劃傷，這進(jìn)一步加劇了輸送帶與托輥之間的摩擦，導(dǎo)致壓陷滾動(dòng)阻力增大。帶式輸送機(jī)的能耗較高，超出了設(shè)計(jì)預(yù)期。通過(guò)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)壓陷滾動(dòng)阻力在總運(yùn)行阻力中所占比例較大，達(dá)到了65%左右，這使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要消耗更多的電能來(lái)克服阻力，增加了能源消耗和運(yùn)營(yíng)成本。由于壓陷滾動(dòng)阻力過(guò)大，在啟動(dòng)和停止過(guò)程中，輸送帶容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，影響了物料的正常輸送，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，給煤礦的生產(chǎn)帶來(lái)了一定的損失。7.2基于有限元計(jì)算的優(yōu)化分析運(yùn)用有限元計(jì)算方法對(duì)上述案例中的帶式輸送機(jī)進(jìn)行深入分析，從多個(gè)方面提出了針對(duì)性的優(yōu)化方案，旨在降低壓陷滾動(dòng)阻力，提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。托輥間距是影響帶式輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的重要參數(shù)之一。通過(guò)有限元模擬分析，研究不同托輥間距下輸送帶的壓陷變形情況和壓陷滾動(dòng)阻力的變化規(guī)律。當(dāng)托輥間距從1.8m減小到1.5m時(shí)，輸送帶的壓陷深度明顯減小。這是因?yàn)檩^小的托輥間距能夠?yàn)檩斔蛶峁└芗闹?，使輸送帶在承受物料和自身重力時(shí)的變形更加均勻，減少了局部的過(guò)度變形。輸送帶下覆蓋層橡膠的能量損耗也相應(yīng)降低，從而有效降低了壓陷滾動(dòng)阻力。在實(shí)際工程中，可根據(jù)帶式輸送機(jī)的具體工況和承載要求，合理調(diào)整托輥間距，在保證輸送帶穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，盡可能降低壓陷滾動(dòng)阻力。輸送帶材料的性能對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力有著關(guān)鍵影響。通過(guò)有限元計(jì)算，對(duì)比分析不同材料參數(shù)（如彈性模量、損耗角等）對(duì)壓陷滾動(dòng)阻力的影響。當(dāng)輸送帶下覆蓋層橡膠的彈性模量從6MPa提高到8MPa時(shí)，在相同的工況下，壓陷滾動(dòng)阻力降低了15%-20%。這是因?yàn)檩^高的彈性模量使橡膠材料在受力時(shí)的變形能力減弱，輸送帶在與托輥接觸時(shí)的壓陷深度減小，能量損耗降低，從而減小了壓陷滾動(dòng)阻力。在選擇輸送帶材料時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用彈性模量較高、損耗角較小的橡膠材料，以降低壓陷滾動(dòng)阻力。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要綜合考慮材料的成本、耐磨性、耐腐蝕性等因素，確保所選材料既能滿足降低壓陷滾動(dòng)阻力的要求，又能保證輸送帶的使用壽命和可靠性。通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)的優(yōu)化改造，在實(shí)際運(yùn)行中取得了顯著的效果。輸送帶與托輥之間的磨損情況得到了明顯改善，輸送帶下覆蓋層的磨損深度大幅減小，托輥表面的磨損和劃傷現(xiàn)象也明顯減少。這不僅延長(zhǎng)了輸送帶和托輥的使用壽命，降低了設(shè)備的維護(hù)成本，還減少了因設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。帶式輸送機(jī)的能耗顯著降低，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率需求減小，能源消耗降低了18%-25%。這不僅符合節(jié)能減排的要求，還為企業(yè)節(jié)省了大量的能源成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。由于壓陷滾動(dòng)阻力的降低，輸送帶在啟動(dòng)和停止過(guò)程中的打滑現(xiàn)象得到了有效避免，物料的輸送更加穩(wěn)定可靠，保證了煤礦生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，減少了因輸送