周廣林， 孫文濤

(黑龍江科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

中間驅(qū)動裝置對線摩擦帶式輸送機動態(tài)特性的影響

周廣林， 孫文濤

(黑龍江科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

隨著輸送機向高速度、大功率、大運量發(fā)展，目前采用的靜態(tài)設(shè)計法已不能滿足應(yīng)用要求。筆者采用增加中間驅(qū)動裝置的方案，保證長距離的輸送，利用RecurDyn軟件建立了線摩擦驅(qū)動帶式輸送機樣機模型，采用Harrison啟動曲線進行仿真。結(jié)果表明:中間驅(qū)動裝置的數(shù)量和長度的增加會降低輸送帶的最大張力，同時會影響輸送帶最大張力出現(xiàn)的位置，對頭部滾筒緊邊張力影響較大，而對尾部滾筒松邊張力沒有影響。線摩擦驅(qū)動帶式輸送機可以在不提高輸送帶強度和加大驅(qū)動功率的條件下實現(xiàn)長距離輸送。

線摩擦驅(qū)動帶式輸送機;動態(tài)特性;中間驅(qū)動裝置;RecurDyn

0 引言

隨著帶式輸送機向長距離、高速度、大運量、大功率的發(fā)展，如何在不提高輸送帶強度，不采用大功率驅(qū)動設(shè)備的情況下，保證長距離輸送問題，引起研究者的關(guān)注。采用線摩擦驅(qū)動裝置［1］是研制長距離輸送機的方向之一。目前，線摩擦驅(qū)動帶式輸送機的設(shè)計、選型和使用依然是在考慮靜特性條件下進行的。隨著帶速的提高，其動態(tài)特性［2］成為輸送機技術(shù)合理、安全可靠、經(jīng)濟可行的關(guān)鍵。文中應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)，分析線摩擦驅(qū)動帶式輸送機的動態(tài)特性，利用RecurDyn［3］軟件建立線摩擦驅(qū)動帶式輸送機樣機模型，分析帶式輸送機中間驅(qū)動裝置數(shù)量以及長度的增加，對輸送帶動態(tài)特性的影響，以期為線摩擦驅(qū)動帶式輸送機設(shè)計提供參考。

1 虛擬樣機模型

線摩擦驅(qū)動帶式輸送機，是在一臺長距離帶式輸送機(主機)的輸送帶下面，裝設(shè)一臺或幾臺短的帶式輸送機(輔機)，主機輸送帶(承載帶)借助重力或彈性壓力壓在輔機的輸送帶(驅(qū)動帶)上，驅(qū)動帶通過摩擦力驅(qū)動承載帶，即驅(qū)動長距離帶式輸送機［4－5］，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 線摩擦驅(qū)動帶式輸送機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of belt conveyor driven by linear friction

1.1 系統(tǒng)簡化

線摩擦驅(qū)動帶式輸送機系統(tǒng)是一個復(fù)雜的機械系統(tǒng)，由主機頭部驅(qū)動滾筒、主機從動滾筒、輔機頭部驅(qū)動滾筒、輔機從動滾筒、承載帶、驅(qū)動帶等構(gòu)成。如果完全按照實際系統(tǒng)建立樣機模型，計算量非常大，因此在對系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析時，先對系統(tǒng)模型作適當(dāng)、合理的簡化。

在帶式輸送機系統(tǒng)中，頭部驅(qū)動滾筒、尾部從動滾筒、改向滾筒、機架、托輥相對于輸送帶而言，其剛度相對很大，變形很小，故把輸送帶以外的其他裝置均按剛體來處理，輸送帶設(shè)為柔性體。機架在系統(tǒng)中起支撐和固定作用，直接被固定在地面上，因此，文中直接將機架簡化為地面，將托輥和滾筒與地面構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。對于驅(qū)動系統(tǒng)，可簡化為一個剛性整體，不考慮它的變形，將驅(qū)動函數(shù)添加到頭部驅(qū)動滾筒上的旋轉(zhuǎn)副來代替驅(qū)動。由于所建線摩擦驅(qū)動帶式輸送機模型輸送距離較短，所以采用固定式拉緊裝置。

假設(shè)承載帶、驅(qū)動帶為各向同性的均質(zhì)材料，承載帶面為平行斷面而且承載帶與驅(qū)動帶幾何、物理參數(shù)均相同，采用RecurDyn對承載帶和驅(qū)動帶進行建模，軟件提供了殼形單元帶(Shell Belt)，它被劃分成一些矩形單元，這些矩形通過平面力連接起來，并且每一個矩形單元都有6個自由度，如圖2所示。

圖2 帶體模型Fig.2 Belt model

1.2 參數(shù)確定

根據(jù)相似理論，按照幾何相似和物理相似的原則，對線摩擦驅(qū)動帶式輸送機進行縮放，簡化，最終使得仿真結(jié)果的精度和運算效率之間達到一種平衡。

輸送帶的材料屬性:彈性模量E=1.25×107N/m，阻尼c=1×106(N·m/s)，輸送帶單位長度質(zhì)量qB=7.29 kg/m，輸送帶厚度b=10 mm。

將主機頭部驅(qū)動滾筒和從動滾筒的直徑均設(shè)為200 mm，兩滾筒的中心距，即輸送帶的運輸距離為8 m;輔機頭部驅(qū)動滾筒和從動滾筒的直徑均為100 mm;托輥直徑為40 mm，上托輥間距為0.6 m，下托輥間距為1 m;一個中間驅(qū)動裝置的位置處于承載帶的中間，如圖3所示。

圖3 線摩擦驅(qū)動帶式輸送機樣機模型Fig.3 Prototype model of belt conveyor driven by linear friction

頭部驅(qū)動滾筒采用包膠表面，與輸送帶的接觸摩擦系數(shù)取0.35，尾部從動滾筒與改向滾筒均采用剛性光面，與輸送帶的接觸摩擦系數(shù)取0.30，托輥與輸送帶的摩擦系數(shù)取0.30，驅(qū)動帶與承載帶的接觸摩擦系數(shù)取0.40。

在仿真系統(tǒng)中，坐標(biāo)原點設(shè)在帶式輸送機系統(tǒng)幾何中心處，x軸正向向右，y軸正向向上，z軸垂直紙面向外;輸送機的運行方向為x軸負向，如圖3所示。分別在頭部滾筒趨入點和尾部滾筒奔離點設(shè)置張力傳感器，用以測定特定點張力。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 Harrison啟動曲線

進行虛擬樣機系統(tǒng)仿真之前，需要設(shè)定頭部驅(qū)動滾筒的啟動曲線。理想的啟動過程應(yīng)該是在整個啟動過程中加速度的最大值較小，且沒有加速度的突變。否則，前者會造成慣性力大，后者對輸送機有強烈的沖擊作用［6］。常用的啟動曲線有Harrison和Nordell兩種，兩種曲線都可以有效地減小輸送帶張力峰值(Fmax)和所受的沖擊。文中采用Harrison啟動曲線:

式(1)中，v0為輸送帶穩(wěn)定運行時的速度，T為輸送機總加速時間。

通過STEP函數(shù)構(gòu)造Harrison啟動曲線，將其添加到主機頭部驅(qū)動滾筒上，輸入驅(qū)動函數(shù):

在式(2)中，TIME為時間變量，并設(shè)定了輸送帶的穩(wěn)定運行速度為3 m/s，輸送機的總加速時間為10 s。與此類似在輔機頭部驅(qū)動滾筒添加Harrison啟動曲線的驅(qū)動。

仿真時間為30 s，仿真步數(shù)為300步。承載帶的動張力遠大于驅(qū)動帶，以承載帶為研究對象，并且任意選取帶上一個結(jié)點進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，選取結(jié)點1(在主機頭部驅(qū)動滾筒正上方位置)為例進行仿真分析。

圖4為線摩擦驅(qū)動帶式輸送機主機的啟動速度曲線和加速度曲線，在啟動時間為5 s時，加速度達到最大值，在啟動時間內(nèi)加速度曲線呈左右對稱形式。為了使傳動帶和承載帶同步運行，應(yīng)該保證主機頭部驅(qū)動滾筒表面線速度和輔機頭部驅(qū)動滾筒表面線速度相同。

圖4 主機的啟動速度和加速度曲線Fig.4 Host’s velocity and acceleration curves of startup process

2.2 中間驅(qū)動裝置數(shù)量對輸送機動態(tài)特性的影響

圖5為中間驅(qū)動裝置數(shù)量對線摩擦驅(qū)動帶式輸送機頭尾處張力F的影響，圖5a為無中間驅(qū)動裝置，圖5b有一臺中間驅(qū)動裝置，圖5c為兩臺。圖5可見，曲線1為頭部滾筒緊邊張力，曲線2為尾部滾筒松邊張力。啟動前10 s，頭尾處張力均有較大的波動，在5 s左右張力達到最大值，10 s后張力值趨于穩(wěn)定，這是由于前10 s存在啟動加速度，之后加速度為零。

圖5 中間驅(qū)動裝置數(shù)量對輸送機頭尾處張力的影響Fig.5 Influence of midway driving unit number on head-tail’s tension of belt conveyer

表1為不同中間驅(qū)動裝置數(shù)量的頭尾峰值張力對比值。

表1 不同中間驅(qū)動裝置數(shù)量的張力對比Talbe 1 Tension comparison of different midway driving unit number

由表1可以看出隨著中間驅(qū)動裝置數(shù)量的增加，頭部滾筒緊邊張力逐漸減小，尾部滾筒松邊張力沒有顯著變化。

圖6為中間驅(qū)動裝置數(shù)量對輸送帶結(jié)點張力變化的影響。

圖6 中間驅(qū)動裝置數(shù)量對輸送帶結(jié)點張力變化的影響Fig.6 Influence of midway driving unit number on node tension change of belt

同樣，圖6a為無中間驅(qū)動裝置，圖6b和c分別為一臺和兩臺。其中曲線1是結(jié)點沿y向的位移曲線，正位移是結(jié)點運行在承載段，負位移是結(jié)點運行在回程段，能夠較準(zhǔn)確地描述結(jié)點的運行軌跡。輸送帶在承載段的懸垂度遠小于在回程段的懸垂度，并且輸送帶在回程段的張力波動較大，這主要受托輥布置間距的影響。曲線2是結(jié)點的張力變化。從圖6a中曲線2可以看出結(jié)點在運行過程中兩邊的張力變化規(guī)律，即結(jié)點在回程段由頭部到尾部，張力是逐漸增大的;承載段，由尾部到頭部張力是逐漸增大的，故最大值出現(xiàn)在頭部驅(qū)動滾筒緊邊處;最小值為頭部驅(qū)動滾筒松邊處，與實際相符。由圖6b中曲線2可知，當(dāng)結(jié)點運行到驅(qū)動段之前張力也是逐漸增大的，在承載帶與驅(qū)動帶相遇點(中間驅(qū)動裝置的尾部滾筒位置處)，達到極大值;最后受到滑移摩擦力的影響逐漸減小，在承載帶與驅(qū)動帶分離點(中間驅(qū)動裝置的頭部滾筒處)降至極小值。圖6c中曲線2和b中曲線2有相同的規(guī)律，不同的是在承載段有兩段受到了驅(qū)動帶的滑移摩擦力;兩臺中間驅(qū)動裝置的帶式輸送機，在穩(wěn)定運行階段，最大張力值出現(xiàn)在承載帶與驅(qū)動帶相遇點(左邊第一臺中間驅(qū)動裝置尾部滾筒處的位置)。

2.3 中間驅(qū)動裝置長度對輸送機動態(tài)特性的影響

圖5b和圖7反映了中間驅(qū)動裝置長度對線摩擦驅(qū)動帶式輸送機頭尾處張力的影響。圖5b、圖7a、b分別為0.6、1、2和1.8 m長的中間驅(qū)動裝置，圖中曲線1是頭部滾筒緊邊張力，曲線2是尾部滾筒松邊張力。

圖7 中間驅(qū)動裝置長度對輸送機頭尾處張力的影響Fig.7 Influence of midway driving unit length on head-tail’s tension of belt conveyer

表2為不同中間驅(qū)動裝置長度的頭尾峰值張力對比值。

表2 不同中間驅(qū)動裝置長度的張力對比Table 2 Terision comparison of different didway driving unit length

由表2可以看出隨著中間驅(qū)動裝置長度的增加，頭部滾筒緊邊張力逐漸減小，尾部滾筒松邊張力沒有顯著變化。

圖6b和圖8反映了中間驅(qū)動裝置長度對輸送帶結(jié)點張力變化的影響。

圖8 中間驅(qū)動裝置長度對輸送帶結(jié)點張力變化的影響Fig.8 Influence of midway driving unit length on node tension change of belt

圖6b和圖8a、b分別為0.6、1.2、1.8 m 長的中間驅(qū)動裝置。曲線1是結(jié)點沿y向位移，曲線2是結(jié)點的張力變化。由圖可以看出，隨著中間驅(qū)動裝置長度的增加，驅(qū)動段承載帶張力減小的越大。1.8 m長的中間驅(qū)動裝置的帶式輸送機，穩(wěn)定運行階段最大張力出現(xiàn)在承載帶與驅(qū)動帶的相遇點(中間驅(qū)動裝置尾部滾筒的位置)。

3 結(jié)論

(1)用虛擬樣機技術(shù)研究線摩擦驅(qū)動帶式輸送機的動態(tài)特性，通過分析證明，利用RecurDyn建立的線摩擦驅(qū)動帶式輸送機虛擬樣機的模型，在給定條件下張力變化趨勢與實際相符。

(2)中間驅(qū)動裝置的數(shù)量和長度的增加會降低輸送帶的最大張力，對頭部滾筒緊邊張力影響較大，而對尾部滾筒松邊張力沒有影響。

(3)通過線摩擦驅(qū)動帶式輸送機的動態(tài)特性分析，得到了啟動及穩(wěn)定運行過程中輸送帶張力分布規(guī)律和峰值張力出現(xiàn)的位置，線摩擦驅(qū)動帶式輸送機最大張力并不一定出現(xiàn)在頭部滾筒的緊邊處，它的位置和中間驅(qū)動裝置的數(shù)量、長度以及驅(qū)動力等有關(guān)。

［1］楊復(fù)興.膠帶輸送機結(jié)構(gòu)原理與計算［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1990:66－67.

［2］曾國元，唐彩霞，王永業(yè).線摩擦驅(qū)動帶式輸送機動力分析及動力設(shè)計［J］.西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1995，15(1):46－52，28.

［3］焦曉娟，張湝渭，彭斌彬.RecurDyn多體系統(tǒng)優(yōu)化仿真技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［4］莊 嚴.線摩擦帶式輸送機的研究及應(yīng)用［J］.煤礦機械，2008，29(5):139－141.

［5］鄧永勝，沙麗娜，宋偉剛.線摩擦多驅(qū)動帶式輸送機的設(shè)計計算方法［J］.煤礦機械，2004(2):16－19.

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Influence of midway driving unit on dynamic characteristics of belt conveyor driven by linear friction

ZHOU Guanglin，SUN Wentao
(College of Mechanical Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at the solution to static design method incapable of fulfilling a more stringent requirement due to development of the high-speed，big-power and large-capacity conveyor，this paper introduces the realization of long distance transportation by increasing midway driving unit，the development of a prototype model of belt conveyor driven by linear friction using software RecurDyn，and simulation using startup curve of Harrison.The results show that the increase in number and length of midway driving unit results in reduction in maximal tension of belt，along with an effect on location of maximal tension，a greater one on tight side tension of head，and little one on loose side tension of tail.Belt conveyor driven by linear friction is capable of long distance transportation without increasing belt strength and driving power.

belt conveyor driven by linear friction;dynamic characteristics;midway driving unit;RecurDyn

TD528

A

1671－0118(2012)01－0047－05

2011－12－10

周廣林(1961－)，男，吉林省懷德人，教授，博士，研究方向:機械電子及基于聲強測量的寬帶聲全信息技術(shù)，E-mail:guanglinzhou@163.com。

(編輯 徐 巖)