張靈通，李壽寧，羅雪寧

(塔里木大學(xué) a.水利與建筑工程學(xué)院；b.機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾　843300)

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新疆紅棗檢測輸送裝置的減振機(jī)理研究

張靈通a，李壽寧a，羅雪寧b

(塔里木大學(xué) a.水利與建筑工程學(xué)院；b.機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300)

摘要：利用近紅外光譜技術(shù)連續(xù)檢測紅棗品質(zhì)時(shí)，需要輸送裝置穩(wěn)定地將紅棗輸送至采樣點(diǎn)進(jìn)行光譜采集。針對現(xiàn)階段市場上大多輸送裝置都存在的多種樣式振動(dòng)，利用振動(dòng)力學(xué)理論得出動(dòng)力及傳動(dòng)部分各參數(shù)對振動(dòng)影響的表達(dá)式，并分析各參數(shù)對輸送帶振動(dòng)的影響效果，為輸送裝置的設(shè)計(jì)及定制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紅棗；輸送裝置；近紅外光譜；振動(dòng)力學(xué)

0引言

隨著科技的發(fā)展，輸送帶已廣泛應(yīng)用于人們的工作、生活中，如礦山、化工、物流、食品、醫(yī)藥及娛樂設(shè)施等行業(yè)。振動(dòng)作為機(jī)械設(shè)備不可避免的特性，總會(huì)對輸送裝置運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性造成一定的影響[1-2]。

新疆紅棗由于獨(dú)特的種植氣候，具有皮薄肉厚、色澤鮮亮、純真香甜及含糖量高等特點(diǎn)，深受我國各地人士的喜愛。隨著生活品質(zhì)的不斷提高，新疆紅棗分級(jí)越來越細(xì)，抽樣檢測效率低、檢測不具體等特點(diǎn)逐漸成為加工廠家的無奈。近年來，近紅外光譜無損檢測技術(shù)在紅棗品質(zhì)檢測方面已有較成熟的研究，具有操作方便、檢測速度快等特點(diǎn)，并已向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展；但這種檢測方式中承載紅棗進(jìn)行檢測的一般為帶式輸送裝置，輸送裝置的振動(dòng)對最終紅棗品質(zhì)的檢測存在一定的影響。因此，對帶式輸送裝置振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，對新疆紅棗分級(jí)精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性有著重大意義。

1紅棗檢測機(jī)構(gòu)分析

輸送線布局大致相似，典型的有“一”字型、“U”字形和“∞”字型。其中，“U”字形和“∞”字型一般采取鏈傳動(dòng)形式，運(yùn)行振動(dòng)較大，并且在彎道處還存在離心力，使用時(shí)一般需要對運(yùn)載物體進(jìn)行夾持；而“一”字型雖然功能單一，但結(jié)構(gòu)簡單且大部分輸送帶還有較好的減振效果。近紅外光譜檢測紅棗品質(zhì)要對待測紅棗進(jìn)行圖像采集，需要通過輸送裝置讓紅棗平穩(wěn)地穿過光譜采集點(diǎn)，且不能存在其他物體影響紅棗拍攝效果。因此，多數(shù)有關(guān)利用近紅外光譜技術(shù)檢測紅棗品質(zhì)的研究，輸送裝置選擇“一”字型帶式輸送機(jī)[3-5]。

帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸過程中存在著各種振動(dòng)，振動(dòng)類型可分為縱向(沿輸送帶運(yùn)行方向)振動(dòng)、橫向(垂直于輸送帶平面)振動(dòng)、側(cè)向(輸送帶兩側(cè))振動(dòng)[6-8]。由于帶式輸送機(jī)輸送帶下方可以有平整光滑的托板支撐輸送帶，因此安裝好托板的位置可以有效避免輸送帶產(chǎn)生橫向振動(dòng)。側(cè)向振動(dòng)產(chǎn)生的原因有兩種：一是主、從動(dòng)滾筒安裝不達(dá)標(biāo)，讓輸送帶兩側(cè)張緊程度不一樣，在彈力作用下輸送帶朝著松的一側(cè)移動(dòng)，與擋板接觸后產(chǎn)生振動(dòng)；二是滾筒形狀不規(guī)則或輸送帶質(zhì)量較差，輸送帶在運(yùn)行時(shí)會(huì)向兩側(cè)擺動(dòng)，這類振動(dòng)可以通過提高設(shè)備制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)減弱?？v向振動(dòng)是由于輸送帶具有彈性，與托盤又存在阻力，并且主動(dòng)滾筒對輸送帶提供的動(dòng)力為周期性波動(dòng)的力，所以這種振動(dòng)難以避免[9]。因此，為探索減小影響紅棗檢測時(shí)紅棗在輸送帶上振動(dòng)的方法，本文主要針對輸送裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程中輸送帶的縱向振動(dòng)進(jìn)行研究。

2輸送帶縱向振動(dòng)分析

輸送帶的動(dòng)力由動(dòng)力元件產(chǎn)生經(jīng)減速器和同步帶傳遞給輸送帶滾筒并作用于輸送帶[10]。輸送帶縱向振動(dòng)主要來源于動(dòng)力元件提供的動(dòng)力存在波動(dòng)，負(fù)載不變時(shí)提供的轉(zhuǎn)速也會(huì)存在波動(dòng)，最終導(dǎo)致輸送帶呈縱波形式振動(dòng)。輸送帶與托盤接觸會(huì)有一定摩擦力，會(huì)消耗輸送帶的彈性勢能，阻止彈性波動(dòng)的傳播。本文將從原動(dòng)力及托盤阻力兩方面對輸送帶的振動(dòng)進(jìn)行分析。

2.1原動(dòng)力對輸送帶振動(dòng)的影響

對檢測用輸送帶，運(yùn)行線速度需要嚴(yán)格的控制，因此動(dòng)力元件一般采用轉(zhuǎn)速穩(wěn)定且可調(diào)的電機(jī)，需要較高穩(wěn)定性時(shí)，傳動(dòng)一般采取同步帶傳動(dòng)(本文忽略傳動(dòng)件引起的振動(dòng))。圖1為輸送裝置動(dòng)力傳遞示意圖。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)提供的轉(zhuǎn)速為

n=n0+n′·cosωt

(1)

式中n0—電機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速；

n′—電機(jī)轉(zhuǎn)速浮動(dòng)幅值。

若傳動(dòng)部分總傳動(dòng)比為i，則輸送帶主動(dòng)滾筒線速度為

v=π·D·i·(n0+n′·cosωt)

(2)

其中，D為主動(dòng)滾筒直徑，則滾筒位移量可表示為

(3)

輸送帶與滾筒接觸屬于彈塑性，運(yùn)行時(shí)彈性與阻尼共存，根據(jù)彈性力學(xué)原理建立運(yùn)動(dòng)微分方程為

(4)

式中k—輸送帶與滾筒接觸點(diǎn)彈性模量；

c—輸送帶與滾筒接觸點(diǎn)阻尼系數(shù)；

y—滾筒單元點(diǎn)位移量對時(shí)間t的函數(shù)；

y1—輸送帶與主動(dòng)滾筒接觸單元點(diǎn)位移量對時(shí)間t的函數(shù)；

利用單自由度振動(dòng)系統(tǒng)中基礎(chǔ)作簡諧運(yùn)動(dòng)時(shí)阻尼系統(tǒng)的響應(yīng)公式可得出y1穩(wěn)態(tài)時(shí)的表達(dá)式分別為

π·D·i·n0·t

(5)

π·D·i·n0

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2托盤阻力對輸送帶振動(dòng)的影響

輸送帶單元點(diǎn)移動(dòng)速度的波動(dòng)說明輸送帶具有彈性勢能，在運(yùn)行過程中，彈性勢能與動(dòng)能不斷轉(zhuǎn)換。在輸送帶自身存在阻尼系數(shù)及輸送帶與托板存在摩擦力等因素下，輸送帶在能量傳遞時(shí)總能量不斷耗損，轉(zhuǎn)化為彈性勢能的量不斷減少，輸送帶速度波動(dòng)幅度逐漸降低。當(dāng)輸送距離足夠長且忽略其他振動(dòng)源時(shí)，輸送速度最終可趨于平穩(wěn)。

對每一次振動(dòng)周期而言，當(dāng)彈性勢能降低到最低時(shí)，輸送帶單元點(diǎn)動(dòng)能達(dá)到該振動(dòng)周期的最大值。由動(dòng)能公式可得與主動(dòng)滾筒接觸點(diǎn)處輸送帶單元點(diǎn)總能量E0為

(10)

輸送帶平穩(wěn)時(shí)的運(yùn)行速度為輸送帶所有單元點(diǎn)運(yùn)行的平均速度，因此輸送帶單元點(diǎn)能量經(jīng)傳播之后最終降低為

(11)

輸送帶單元點(diǎn)因與托板摩擦力及自身阻尼系數(shù)引起的能量損耗量為單元點(diǎn)在和滾筒接觸點(diǎn)處總能量與速度平穩(wěn)時(shí)動(dòng)能之差，即ΔE=E0-E1,可將損耗動(dòng)能表示為

(13)

化簡得

(14)

其中，m0為單元點(diǎn)質(zhì)量。在振動(dòng)勢能較小時(shí)，輸送帶自身阻尼對能量損失影響不顯著，本文重點(diǎn)研究托板摩擦力對勢能能量損耗的影響。

摩擦力做功為

Q=Ff·s

(15)

式中Q—摩擦力做功量；

Ff—輸送帶某單位點(diǎn)受摩擦力大??；

s—摩擦力做功距離。

其中，F(xiàn)f的大小與輸送帶單位點(diǎn)與托板間鎮(zhèn)壓力F壓及摩擦角μ有關(guān)，其表達(dá)式為Ff=F壓·μ。帶入公式(15)，可得摩擦力做功公式表達(dá)式為

Q=F壓·μ·s

(16)

E3=ΔE-Q

(17)

將式(14)與式(15)帶入得

(18)

在運(yùn)載物體很輕、達(dá)到可忽略的程度時(shí)，F(xiàn)壓與m0存在著關(guān)系，即F壓=m0·g。其中，g為重力加速度。

因此可將式(18)化簡為

(19)

(20)

2.3結(jié)果分析

1)與主動(dòng)滾筒接觸點(diǎn)處輸送帶速度波動(dòng)幅度A與滾筒直徑D、傳動(dòng)比i、電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度n′、電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)頻率系數(shù)ω、輸送帶材料的彈性系數(shù)k與阻尼系數(shù)c等因素都有著密切的關(guān)系。其中，A值會(huì)隨著D、i、n′數(shù)值的增大而增大，D與i的乘積為電動(dòng)機(jī)連接的傳動(dòng)件直徑。因此，減小輸送帶縱向振動(dòng)可采取的措施有減小主動(dòng)傳動(dòng)輪直徑和選擇輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)的電動(dòng)機(jī)。

2)輸送帶的彈性系數(shù)和阻力系數(shù)是振動(dòng)產(chǎn)生的兩個(gè)很重要的參數(shù)。根據(jù)實(shí)際情況，對式(8)中其他變量進(jìn)行估測賦值后，利用MatLab數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理，得出輸送帶起點(diǎn)處速度的波動(dòng)幅度與輸送帶彈性系數(shù)及阻力系數(shù)的關(guān)系，如圖2所示。

圖2　速度波動(dòng)幅度與彈性及阻尼系數(shù)關(guān)系圖

3)式(8)中，m為輸送帶所受阻力的參數(shù)，m值的大小與輸送帶載物量、輸送帶與托板摩擦角等有關(guān)，是評價(jià)輸送裝置性能的很重要的參數(shù)。圖3為A值與m值的關(guān)系曲線圖。由圖3可以看出：當(dāng)m值為O時(shí)，A值約為25.133(π·D·i·n′)；隨著m值逐漸增大，A值先增大、后減小，在m=400附近時(shí)A值達(dá)到最大；當(dāng)m值足夠大時(shí)，A值可低于π·D·i·n′，起到減振效果。在實(shí)際應(yīng)用中，m值越大能耗越大，因此m值應(yīng)控制在較小程度，通過降低m值達(dá)到防止振幅增大的效果。另外，當(dāng)m值變化時(shí)，A的變化量很小，幾乎可以忽略不計(jì)。

4)由式(9)得：ω與頻率存在倍數(shù)關(guān)系，可代表頻率反映一些問題。圖4所示為A值與ω值關(guān)系曲線圖。從圖4中可以看出：當(dāng)ω=0時(shí)，A值約為25.133；隨著ω值逐漸增大，A值先快速增大、后緩慢減??；當(dāng)ω=50左右時(shí)，A值達(dá)到最大；當(dāng)m值足夠大時(shí)，A值可低于25.133，起到減振效果。在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，電壓波動(dòng)頻率f=50，對應(yīng)ω值約為314，而且電動(dòng)機(jī)對轉(zhuǎn)子施加力的頻率為電源頻率的倍數(shù)，因此轉(zhuǎn)子受力頻率應(yīng)為314的倍數(shù)。結(jié)合圖4可得：轉(zhuǎn)子受力頻率越高，A的取值越小，即選擇電動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)越高，減震效果越明顯。

圖3　速度波動(dòng)幅度與負(fù)載關(guān)系曲線圖

圖 4　速度波動(dòng)幅度與頻率關(guān)系曲線圖

由圖5可看出：對于相同的傳播距離s0處，平均輸送速度越快，波動(dòng)量減小得越明顯；當(dāng)平均輸送速度一定時(shí)，如果傳播速度存在波動(dòng)，則波動(dòng)幅度隨著s0的增大逐漸減小，并且減小的逐漸加快。由圖6可以看出：當(dāng)μ值很小時(shí)，s0值的變化對A0值大小影響很??；當(dāng)μ值逐漸增大時(shí)，隨著s0值的增大對A0值減小的效果逐漸顯著。

圖 5　速度波動(dòng)幅度與平均速度、傳播距離關(guān)系曲線圖

圖6　速度波動(dòng)幅度與摩擦系數(shù)、傳播距離關(guān)系曲線圖

3)由式(8)可以看出：輸送帶速度振動(dòng)剛好降低到0的單元點(diǎn)距與主動(dòng)滾筒接觸點(diǎn)的距離sm受摩擦因數(shù)μ及接觸點(diǎn)處速度波動(dòng)振幅A大小有關(guān)：sm隨μ的增大而減小，隨A的增大而增大；但μ值的增大同時(shí)也增大了輸送帶的載荷值m，m的增大也導(dǎo)致接觸點(diǎn)處速度波動(dòng)振幅A值的增大。因此，摩擦因數(shù)μ值的增大并不一定能使sm值減小。

3結(jié)論及建議

1)采用振動(dòng)力學(xué)原理，結(jié)合合理的模型，對檢測紅棗用的輸送裝置的振動(dòng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：電機(jī)轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比、主動(dòng)滾筒直徑都會(huì)對輸送帶速度波動(dòng)大小起到正向效果，同時(shí)較大的輸送速度可加快速度波動(dòng)的衰減。因此，建議在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行綜合分析，選擇合適的輸送速度及電機(jī)級(jí)數(shù)、傳動(dòng)比等相關(guān)參數(shù)。

2)輸送帶輸送速度的波動(dòng)隨著傳播距離的增大逐漸被削弱，因此可以在輸送帶縱向振動(dòng)降低到一定程度時(shí)為位置設(shè)立采樣點(diǎn)。若條件允許，還可適量增加采樣點(diǎn)離主動(dòng)滾筒的距離，盡可能地避免縱向振動(dòng)對采樣效果的影響。

3)輸送帶與托盤之間的摩擦因數(shù)對輸送速度波動(dòng)的衰減影響較大，但過大的阻力會(huì)增加能耗，因此在托板材料選擇時(shí)還應(yīng)綜合考慮減震效果與能耗。

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Mechanism Research of Vibration Reduction for Detecting Conveyer of Red Jujube in Xinjiang

Zhang Lingtonga, Li Shouninga, Luo Xueningb

(a.College of Water Resource and Architectural Engineering; b.College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, China)

Abstract：It needs to stable conveying equipment of the red jujube to spectrum sampling point when the samples are collected by adopting near infrared spectroscopy detecting the quality continuously. At present, there are many kinds of style vibration in most conveyers on the market. So adopting the theory of vibration mechanics, the dynamic expression and various parameters on the vibration of the transmission part, analysis the influence of various parameters on the conveyor belt vibration effect, as to provide theoretical basis for conveying equipment design and customization and some suggestions are put forward.

Key words：red jujube; conveying device; near-infrared spectrum; vibration mechanics

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0059-05

中圖分類號(hào)：S229；G237．5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：張靈通(1988-)，男，河南商丘人，碩士研究生，(E-mail)854913405@qq.com。通訊作者：李壽寧(1954-)，男，甘肅民勤人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)1525900551@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51168042)；塔里木大學(xué)校長基金項(xiàng)目(TDZKPY201401)

收稿日期：2015-05-31