程良燕

(安徽城市管理職業(yè)學(xué)院 城市建設(shè)系，安徽 合肥 230001)

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基于LabVIEW的輸送機(jī)動(dòng)特性仿真及啟動(dòng)加速度研究*

程良燕

(安徽城市管理職業(yè)學(xué)院 城市建設(shè)系，安徽 合肥 230001)

利用LabVIEW軟件，建立了一種能夠體現(xiàn)帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性的仿真模型，通過(guò)對(duì)輸送機(jī)的滿(mǎn)載啟動(dòng)工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到了輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒承載段、回空段以及輸送機(jī)尾部的張力和速度曲線變化圖。在三種啟動(dòng)加速度下，得到輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒承載段的動(dòng)張力和速度變化圖。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)加速度的最大值和其最大變化率直接影響輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，從而為最佳啟動(dòng)加速度研究提供新的方法。

LabVIEW；動(dòng)態(tài)特性；仿真；啟動(dòng)加速度

帶式輸送機(jī)作為當(dāng)今社會(huì)煤炭、礦山、糧食等行業(yè)的大運(yùn)量機(jī)械設(shè)備，其應(yīng)用地位越來(lái)越高，為了使其適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)、制造業(yè)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的研究人員著手于輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性研究及啟動(dòng)加速度設(shè)計(jì)，致力于滿(mǎn)足各行各業(yè)對(duì)輸送機(jī)的長(zhǎng)距離、更大運(yùn)量、高速性和穩(wěn)定性等日益漸高的要求。傳統(tǒng)的研究方法是利用MATLAB軟件對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行相關(guān)的仿真研究[1]-[3]，近年來(lái)，也有部分文獻(xiàn)利用AMESim軟件來(lái)進(jìn)行輸送機(jī)的仿真研究[4]-[5]。本文利用由美國(guó)NI公司研發(fā)的LabVIEW軟件，在LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言的平臺(tái)上，對(duì)帶式輸送機(jī)在滿(mǎn)載啟動(dòng)工況下的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真研究。LabVIEW比MATLAB和AMESim更直觀、便捷，其具有方便的輸入輸出功能，仿真精度高及效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 輸送機(jī)模型的建立

1.1 基本假設(shè)

在對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)作如下假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立其動(dòng)力學(xué)模型：

(1)輸送帶和物料的橫向振動(dòng)較縱向振動(dòng)影響小，可只考慮縱向振動(dòng)；

(2)托輥的等效質(zhì)量和輸送物料的質(zhì)量在各分支上沿輸送帶縱向均勻分布；

(3)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)滾筒作為整體，都看作是剛體；

(4)纏繞在滾筒上的輸送帶在滾筒上無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，其質(zhì)量忽略不計(jì)；

(5)輸送帶的運(yùn)行阻力在上、下分支沿輸送帶段縱向均勻分布。

1.2 輸送帶模型的選擇

粘彈性是輸送帶的動(dòng)力學(xué)明顯特征，故利用輸送帶的粘彈性模型來(lái)建立輸送帶的動(dòng)力學(xué)模型。本文選用輸送帶的粘彈性模型為Kelvin模型[6]，它由彈簧和阻尼器并聯(lián)而成。

1.3 輸送機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

將輸送帶回轉(zhuǎn)系統(tǒng)劃分為有限單元，系統(tǒng)的分布質(zhì)量分段聚縮到有限各點(diǎn)上，各點(diǎn)之間通過(guò)Kelvin模型連接起來(lái)，于是形成離散系統(tǒng)。此分析方法也稱(chēng)為有限元法[7]。則輸送機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Dynamic model of the conveyor

1.4 仿真模型的建立

以某輸送煤炭的帶式輸送機(jī)為例，輸送機(jī)總長(zhǎng)500m，輸送機(jī)為頭部單滾筒驅(qū)動(dòng)的水平運(yùn)輸系統(tǒng)，輸送帶型號(hào)為EP500/5 2+4mm，帶寬800m，尼龍帶層數(shù)為4，彈性模量為737KN/m層，流變常數(shù)為0.0268s/層，穩(wěn)定時(shí)的帶速為3.15m/s，上分支滿(mǎn)載時(shí)重量為71.58kg/m，上分支空載時(shí)重量為18.5kg/m，下分支的重量為13kg/m，上、下分支的運(yùn)行阻力系數(shù)分別為0.04和0.035。

利用上述的有限元法，將此輸送帶沿縱向等距離劃分為20個(gè)單元，即每25m作為一個(gè)單元，滾筒劃分在相近的單元中。在LabVIEW軟件環(huán)境中，利用程序框圖、MathScript節(jié)點(diǎn)和MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)，建立輸入量為啟動(dòng)加速度，輸出量為輸送帶的動(dòng)張力和速度的仿真模型。

1.5 仿真參數(shù)的設(shè)置

Simulation Loop中仿真參數(shù)的設(shè)置是運(yùn)行仿真模型的前提，各部分參數(shù)設(shè)置如下：

(1)仿真算法的選擇：本系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為剛性方程，所以采用向后微分(BDF)算法，仿真步長(zhǎng)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)智能選取，以保證其運(yùn)行速度和精度。

(2)仿真時(shí)間的設(shè)置：選擇仿真時(shí)間為70秒。

(3)仿真計(jì)時(shí)參數(shù)設(shè)置：根據(jù)所選擇的變步長(zhǎng)ODE算法，選擇軟件計(jì)時(shí)源(Software Timing)，以此來(lái)提高仿真的運(yùn)行速度。

2 仿真結(jié)果分析

在上述建立好的LabVIEW仿真模型的基礎(chǔ)上，以等加速度方式進(jìn)行滿(mǎn)載啟動(dòng)，通過(guò)LabVIEW前面板波形顯示窗口可觀察其仿真運(yùn)行結(jié)果，即為帶式輸送機(jī)在滿(mǎn)載啟動(dòng)工況下，輸送機(jī)各動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的變化過(guò)程。其仿真運(yùn)行結(jié)果如圖2所示：

圖2 輸送帶等加速啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性Fig.2 Dynamic characteristics of belt by constant acceleration

從圖2a(由上向下依次為單元1、單元11、單元20的張力曲線)可以觀察到，輸送機(jī)在等加速的啟動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)滾筒承載段(單元1)的輸送帶動(dòng)張力直線上升，直到達(dá)到最大值，最后趨向平穩(wěn)；輸送機(jī)尾部回空段(單元11)和驅(qū)動(dòng)滾筒回空段(單元20)的輸送帶動(dòng)張力先減小，直到達(dá)到最小值，最后趨向平穩(wěn)。這是因?yàn)樵谳斔蜋C(jī)啟動(dòng)瞬間，驅(qū)動(dòng)滾筒承載段已經(jīng)先于其他段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使得承載段產(chǎn)生的位移全部被尾部的拉緊滾筒承受，導(dǎo)致回空段張力下降。由仿真結(jié)果可知，從驅(qū)動(dòng)滾筒的承載段到驅(qū)動(dòng)滾筒的回空段，帶式輸送機(jī)的帶張力逐漸減小。即整個(gè)帶式輸送機(jī)，在啟動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)滾筒承載段的動(dòng)張力最大，驅(qū)動(dòng)滾筒回空段的動(dòng)張力最小。

從圖2b(由上向下分別為單元1和單元11的速度曲線)可以觀察到，在啟動(dòng)的初始階段，輸送機(jī)尾部回空段(單元11)的速度略滯后于驅(qū)動(dòng)滾筒承載段(單元1)的速度，完全符合輸送帶的粘彈性特性。

3 三種啟動(dòng)加速度控制下的動(dòng)態(tài)特性

3.1 三種啟動(dòng)加速度

本文在正弦形、梯形和三角形三種啟動(dòng)加速度下，研究輸送帶的動(dòng)力學(xué)特性。其中，T為啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間(仿真時(shí)間為60s)，v0為額定帶速(即3.15m/s)。

(1)正弦形加速度

(2)梯形加速度

梯形加速度控制曲線表達(dá)式為：

(3)三角形加速度

三角形加速度控制曲線表達(dá)式為：

3.2 三種啟動(dòng)加速度控制下的仿真分析

在前面建立的仿真模型的基礎(chǔ)上，以正弦形、梯形、三角形加速度分別為輸入，得到啟動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)滾筒承載段(單元1)的動(dòng)張力曲線(圖3)和速度曲線(圖4)。

圖3 三種啟動(dòng)加速度下輸送帶動(dòng)張力Fig.3 Dynamic tension of belt by three starting acceleration

圖4 三種啟動(dòng)加速度下輸送帶速度Fig.4 Velocity of belt by three starting acceleration

由仿真結(jié)果可看出，相比較而言，輸送帶啟動(dòng)過(guò)程中的最大動(dòng)張力在梯形加速度控制下最大，在三角形加速度控制下最??；輸送帶啟動(dòng)過(guò)程中的速度變化在梯形加速度控制下最平緩，在三角形加速度控制下最快。此結(jié)果表明，輸送帶啟動(dòng)過(guò)程中的最大動(dòng)張力受到啟動(dòng)加速度變化率的影響，加速度變化率越大，對(duì)輸送帶的沖擊就越大；啟動(dòng)加速度的最大值影響著輸送帶啟動(dòng)過(guò)程中速度上升的快慢，啟動(dòng)加速度的最大值越大，輸送帶速度上升的就越快，輸送帶就越容易打滑或跑偏。

4 結(jié)論

(1)本文利用LabVIEW軟件對(duì)帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況相符合，為以后帶式輸送機(jī)研究指出了新的建模及仿真工具。

(2)通過(guò)對(duì)三種啟動(dòng)加速度控制下的帶式輸送機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真，對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在研究輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，不僅要考慮啟動(dòng)加速度的最大值對(duì)啟動(dòng)速度的影響，還要考慮啟動(dòng)加速度的變化率對(duì)啟動(dòng)張力的影響。在此規(guī)則下，若能找到一種加速度曲線，其加速度的最大值和其加速度變化率都較其他曲線小，則此加速度為最佳啟動(dòng)加速度。

[1]Harrison A．On the Appropriate Use of Dynamic Stress Models for Conveyor Design [J]. Bulk solids handling, 1988, 8(6): 677-680.

[2]郭峰. 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014, 36(12): 246 - 250.

[3]宋偉剛. 用計(jì)算機(jī)繪制交流電動(dòng)機(jī)與液力偶合器聯(lián)合工作特性曲線的方法[J].連續(xù)輸送技術(shù),1996(1):2-4.

[4]趙東升. 基于AMESim的帶式輸送機(jī)仿真建模方法研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2013, 22(2):114-116, 121．

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[6]A Harrison. Simulation of Conveyor Dynamics [J].bulk solids handling, 1996, 16(1):33-36.

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Dynamic characteristics simulation of Conveyor and research of starting acceleration based on LabVIEW

CHENG Liang-yan

(Department of City Construction, Anhui Vocational College of City Management, Hefei 230001, China)

This paper uses the LabVIEW software to establish a simulation model, which can reflect the dynamic characteristics of the belt conveyor, and carried out dynamic simulation in condition of starting up and full loads, the belt tension and velocity of driving drum of loaded section, back section and tail of belt are obtained. The belt tension and velocity of driving drum of loaded section are obtained by three starting accelerations, through the comparison of the simulation results; found that the dynamic characteristics of belt conveyor are affected by the maximum value and the maximum variance ratio of the starting acceleration. Then a method is present for the research of optimal soft starting.

LabVIEW; dynamic characteristics; simulation; starting acceleration

2015-11-27

程良燕(1984-)，女，安徽懷寧人，助教、碩士。主要研究方向：自動(dòng)控制。

TD528

A

1673-6125(2016)01-0010-04