周廣林， 孫文濤

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

中間驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)線摩擦帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響

周廣林， 孫文濤

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

隨著輸送機(jī)向高速度、大功率、大運(yùn)量發(fā)展，目前采用的靜態(tài)設(shè)計(jì)法已不能滿足應(yīng)用要求。筆者采用增加中間驅(qū)動(dòng)裝置的方案，保證長(zhǎng)距離的輸送，利用RecurDyn軟件建立了線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)樣機(jī)模型，采用Harrison啟動(dòng)曲線進(jìn)行仿真。結(jié)果表明:中間驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)量和長(zhǎng)度的增加會(huì)降低輸送帶的最大張力，同時(shí)會(huì)影響輸送帶最大張力出現(xiàn)的位置，對(duì)頭部滾筒緊邊張力影響較大，而對(duì)尾部滾筒松邊張力沒有影響。線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)可以在不提高輸送帶強(qiáng)度和加大驅(qū)動(dòng)功率的條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸送。

線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī);動(dòng)態(tài)特性;中間驅(qū)動(dòng)裝置;RecurDyn

0 引言

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

1 虛擬樣機(jī)模型

線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)，是在一臺(tái)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)(主機(jī))的輸送帶下面，裝設(shè)一臺(tái)或幾臺(tái)短的帶式輸送機(jī)(輔機(jī))，主機(jī)輸送帶(承載帶)借助重力或彈性壓力壓在輔機(jī)的輸送帶(驅(qū)動(dòng)帶)上，驅(qū)動(dòng)帶通過摩擦力驅(qū)動(dòng)承載帶，即驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)［4－5］，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

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

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)化

線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，由主機(jī)頭部驅(qū)動(dòng)滾筒、主機(jī)從動(dòng)滾筒、輔機(jī)頭部驅(qū)動(dòng)滾筒、輔機(jī)從動(dòng)滾筒、承載帶、驅(qū)動(dòng)帶等構(gòu)成。如果完全按照實(shí)際系統(tǒng)建立樣機(jī)模型，計(jì)算量非常大，因此在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)，先對(duì)系統(tǒng)模型作適當(dāng)、合理的簡(jiǎn)化。

在帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中，頭部驅(qū)動(dòng)滾筒、尾部從動(dòng)滾筒、改向滾筒、機(jī)架、托輥相對(duì)于輸送帶而言，其剛度相對(duì)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(jī)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(jī)架簡(jiǎn)化為地面，將托輥和滾筒與地面構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副。對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可簡(jiǎn)化為一個(gè)剛性整體，不考慮它的變形，將驅(qū)動(dòng)函數(shù)添加到頭部驅(qū)動(dòng)滾筒上的旋轉(zhuǎn)副來代替驅(qū)動(dòng)。由于所建線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)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(dòng)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(dòng)帶幾何、物理參數(shù)均相同，采用RecurDyn對(duì)承載帶和驅(qū)動(dòng)帶進(jìn)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(gè)矩形單元都有6個(gè)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(duì)線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)進(jìn)行縮放，簡(jiǎn)化，最終使得仿真結(jié)果的精度和運(yùn)算效率之間達(dá)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(zhǎng)度質(zhì)量qB=7.29 kg/m，輸送帶厚度b=10 mm。

將主機(jī)頭部驅(qū)動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒的直徑均設(shè)為200 mm，兩滾筒的中心距，即輸送帶的運(yùn)輸距離為8 m;輔機(jī)頭部驅(qū)動(dòng)滾筒和從動(dòng)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(gè)中間驅(qū)動(dòng)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(dòng)帶式輸送機(jī)樣機(jī)模型Fig.3 Prototype model of belt conveyor driven by linear friction

頭部驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)設(shè)在帶式輸送機(jī)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(jī)的運(yùn)行方向?yàn)閤軸負(fù)向，如圖3所示。分別在頭部滾筒趨入點(diǎn)和尾部滾筒奔離點(diǎn)設(shè)置張力傳感器，用以測(cè)定特定點(diǎn)張力。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 Harrison啟動(dòng)曲線

進(jìn)行虛擬樣機(jī)系統(tǒng)仿真之前，需要設(shè)定頭部驅(qū)動(dòng)滾筒的啟動(dòng)曲線。理想的啟動(dòng)過程應(yīng)該是在整個(gè)啟動(dòng)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(huì)造成慣性力大，后者對(duì)輸送機(jī)有強(qiáng)烈的沖擊作用［6］。常用的啟動(dòng)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(dòng)曲線:

式(1)中，v0為輸送帶穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的速度，T為輸送機(jī)總加速時(shí)間。

通過STEP函數(shù)構(gòu)造Harrison啟動(dòng)曲線，將其添加到主機(jī)頭部驅(qū)動(dòng)滾筒上，輸入驅(qū)動(dòng)函數(shù):

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

仿真時(shí)間為30 s，仿真步數(shù)為300步。承載帶的動(dòng)張力遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)帶，以承載帶為研究對(duì)象，并且任意選取帶上一個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，選取結(jié)點(diǎn)1(在主機(jī)頭部驅(qū)動(dòng)滾筒正上方位置)為例進(jìn)行仿真分析。

圖4為線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)主機(jī)的啟動(dòng)速度曲線和加速度曲線，在啟動(dòng)時(shí)間為5 s時(shí)，加速度達(dá)到最大值，在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)加速度曲線呈左右對(duì)稱形式。為了使傳動(dòng)帶和承載帶同步運(yùn)行，應(yīng)該保證主機(jī)頭部驅(qū)動(dòng)滾筒表面線速度和輔機(jī)頭部驅(qū)動(dòng)滾筒表面線速度相同。

圖4 主機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)裝置數(shù)量對(duì)輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖5為中間驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量對(duì)線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)頭尾處張力F的影響，圖5a為無中間驅(qū)動(dòng)裝置，圖5b有一臺(tái)中間驅(qū)動(dòng)裝置，圖5c為兩臺(tái)。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(dòng)前10 s，頭尾處張力均有較大的波動(dòng)，在5 s左右張力達(dá)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(dòng)加速度，之后加速度為零。

圖5 中間驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量對(duì)輸送機(jī)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(dòng)裝置數(shù)量的頭尾峰值張力對(duì)比值。

表1 不同中間驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量的張力對(duì)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(dòng)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(dòng)裝置數(shù)量對(duì)輸送帶結(jié)點(diǎn)張力變化的影響。

圖6 中間驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量對(duì)輸送帶結(jié)點(diǎn)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(dòng)裝置，圖6b和c分別為一臺(tái)和兩臺(tái)。其中曲線1是結(jié)點(diǎn)沿y向的位移曲線，正位移是結(jié)點(diǎn)運(yùn)行在承載段，負(fù)位移是結(jié)點(diǎn)運(yùn)行在回程段，能夠較準(zhǔn)確地描述結(jié)點(diǎn)的運(yùn)行軌跡。輸送帶在承載段的懸垂度遠(yuǎn)小于在回程段的懸垂度，并且輸送帶在回程段的張力波動(dòng)較大，這主要受托輥布置間距的影響。曲線2是結(jié)點(diǎn)的張力變化。從圖6a中曲線2可以看出結(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中兩邊的張力變化規(guī)律，即結(jié)點(diǎn)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(dòng)滾筒緊邊處;最小值為頭部驅(qū)動(dòng)滾筒松邊處，與實(shí)際相符。由圖6b中曲線2可知，當(dāng)結(jié)點(diǎn)運(yùn)行到驅(qū)動(dòng)段之前張力也是逐漸增大的，在承載帶與驅(qū)動(dòng)帶相遇點(diǎn)(中間驅(qū)動(dòng)裝置的尾部滾筒位置處)，達(dá)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(dòng)帶分離點(diǎn)(中間驅(qū)動(dòng)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(dòng)帶的滑移摩擦力;兩臺(tái)中間驅(qū)動(dòng)裝置的帶式輸送機(jī)，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，最大張力值出現(xiàn)在承載帶與驅(qū)動(dòng)帶相遇點(diǎn)(左邊第一臺(tái)中間驅(qū)動(dòng)裝置尾部滾筒處的位置)。

2.3 中間驅(qū)動(dòng)裝置長(zhǎng)度對(duì)輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖5b和圖7反映了中間驅(qū)動(dòng)裝置長(zhǎng)度對(duì)線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)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(zhǎng)的中間驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置長(zhǎng)度對(duì)輸送機(jī)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(dòng)裝置長(zhǎng)度的頭尾峰值張力對(duì)比值。

表2 不同中間驅(qū)動(dòng)裝置長(zhǎng)度的張力對(duì)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(dòng)裝置長(zhǎng)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(dòng)裝置長(zhǎng)度對(duì)輸送帶結(jié)點(diǎn)張力變化的影響。

圖8 中間驅(qū)動(dòng)裝置長(zhǎng)度對(duì)輸送帶結(jié)點(diǎn)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(zhǎng)的中間驅(qū)動(dòng)裝置。曲線1是結(jié)點(diǎn)沿y向位移，曲線2是結(jié)點(diǎn)的張力變化。由圖可以看出，隨著中間驅(qū)動(dòng)裝置長(zhǎng)度的增加，驅(qū)動(dòng)段承載帶張力減小的越大。1.8 m長(zhǎng)的中間驅(qū)動(dòng)裝置的帶式輸送機(jī)，穩(wěn)定運(yùn)行階段最大張力出現(xiàn)在承載帶與驅(qū)動(dòng)帶的相遇點(diǎn)(中間驅(qū)動(dòng)裝置尾部滾筒的位置)。

3 結(jié)論

(1)用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，通過分析證明，利用RecurDyn建立的線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)的模型，在給定條件下張力變化趨勢(shì)與實(shí)際相符。

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

(3)通過線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性分析，得到了啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)帶式輸送機(jī)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(dòng)裝置的數(shù)量、長(zhǎng)度以及驅(qū)動(dòng)力等有關(guān)。

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

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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(jī)械電子及基于聲強(qiáng)測(cè)量的寬帶聲全信息技術(shù)，E-mail:guanglinzhou@163.com。

(編輯 徐 巖)