伊國(guó)臣

（山西汾西正城煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 032300）

引言

帶式輸送機(jī)打滑是該系統(tǒng)在運(yùn)行中不可回避的難題，因?yàn)榇蚧粌H會(huì)造成輸送皮帶磨損嚴(yán)重、產(chǎn)生噪音、降低應(yīng)用輸送機(jī)單位的生產(chǎn)效率，甚至在打滑嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起嚴(yán)重的火災(zāi)事故。然而，因此如何有效減輕甚至避免打滑已經(jīng)成了輸送機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)弱點(diǎn)。因此，本文重點(diǎn)研究帶式輸送機(jī)的打滑問(wèn)題。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

人們運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以從20世紀(jì)80年代初說(shuō)起，該技術(shù)是把有限元技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)二者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中建造出需要的模型，并充分考慮建造的模型在實(shí)踐生產(chǎn)應(yīng)用中的工況然后對(duì)其進(jìn)行仿真，最后仿真出的結(jié)果可以預(yù)測(cè)出該模型實(shí)物的未來(lái)性能，進(jìn)而相關(guān)技術(shù)人員對(duì)其存在的不足性能進(jìn)行改進(jìn)。虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅能在虛擬的條件下仿真出模型實(shí)物的受力情況與運(yùn)動(dòng)情況，還能模擬或者預(yù)測(cè)物理樣機(jī)難以模擬的環(huán)境，能高效、快速的對(duì)設(shè)計(jì)人員構(gòu)思出來(lái)的各種方案進(jìn)行模擬仿真。虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅僅用在設(shè)計(jì)階段，其可以貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)始終。

韓國(guó)FunctionBay公司基于多柔體動(dòng)力學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)的RecurDyn軟件可以大范圍的解決柔性體與剛形體、剛形體與柔性體、大變形等接觸類(lèi)的復(fù)雜問(wèn)題。該軟件在計(jì)算過(guò)程中求解的穩(wěn)定性超強(qiáng)、計(jì)算速度快使其有效地解決相關(guān)機(jī)構(gòu)接觸碰撞類(lèi)難題，在一定程度上拓寬了RecurDyn軟件的應(yīng)用范圍。本文主要對(duì)帶式輸送機(jī)打滑進(jìn)行仿真，因此首要考慮的是驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶二者之間相互接觸的問(wèn)題。由于輸送帶的粘彈性，用一般的剛體模型去模擬仿真其肯定不能較真實(shí)的反映輸送機(jī)系統(tǒng)的打滑行為，會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。只有利用剛性體與柔性體有機(jī)結(jié)合的方法對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，才能較為準(zhǔn)確的仿真出輸送機(jī)的打滑。而利用相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論與完全遞歸算法相結(jié)合的RecurDyn軟件內(nèi)還有帶模型模塊，使得利用該軟件建立帶式輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)模型并來(lái)模擬帶式輸送機(jī)的打滑行為變得較簡(jiǎn)單容易[1]。

2 帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)建模

目前，在我國(guó)常見(jiàn)到的帶式輸送機(jī)一般是由輸送皮帶、改向及驅(qū)動(dòng)滾筒、機(jī)架、托輥及皮帶張緊裝置。如果按照帶式輸送機(jī)的實(shí)際模型在RecurDyn中來(lái)建虛擬樣機(jī)的模型，在對(duì)其仿真時(shí)不僅會(huì)使計(jì)算繁復(fù)增大計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，而且還會(huì)使大部分情況得不到仿真結(jié)果。因此在對(duì)帶式輸送機(jī)建立其虛擬樣機(jī)時(shí)，對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化是有必要的。

因此本文將充分考慮帶式輸送機(jī)的運(yùn)行方式，把對(duì)輸送機(jī)打滑的一些非影響因素進(jìn)行忽略簡(jiǎn)化，可以通過(guò)在建模時(shí)刪減掉復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件、適量減少輸送帶及輸送機(jī)的長(zhǎng)度，然后通過(guò)在軟件上對(duì)輸送機(jī)的相關(guān)屬性及參數(shù)進(jìn)行設(shè)置修改來(lái)彌補(bǔ)。在帶式輸送機(jī)上，因?yàn)轵?qū)動(dòng)及改向滾筒、托輥、機(jī)架這些構(gòu)件的剛度遠(yuǎn)大于輸送帶的剛度，在輸送機(jī)系統(tǒng)上他們的變形可以看成忽略不計(jì)算，因此在建立虛擬樣機(jī)的時(shí)候可以不考慮這些構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

RecurDyn軟件上含有設(shè)置的參數(shù)化其可以應(yīng)用在多種行業(yè)的工具包，本文將要建立的帶式輸送機(jī)可以利用軟件中參數(shù)化的Belt模塊，該模塊內(nèi)含有輸送機(jī)系統(tǒng)中各構(gòu)件的子模塊，因此可以便捷、準(zhǔn)確的建立帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)。

本文結(jié)合某礦實(shí)際圖紙，對(duì)其輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后對(duì)帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)建模采用如下步驟：

1）在計(jì)算機(jī)上開(kāi)啟RecurDyn軟件，然后對(duì)其進(jìn)行重力方向的設(shè)置，下一步對(duì)單位制進(jìn)行設(shè)值，本文單位制設(shè)置為MMKS。

2）按照某礦圖紙的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模，在Belt子模塊中挑選出相應(yīng)的輸送機(jī)系統(tǒng)部件，然后對(duì)該輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)置重錘張緊，最后對(duì)輸送帶通過(guò)Segment Assembly進(jìn)行組合連接。

建立好后的帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)如圖1所示，其主要尺寸有：輸送帶長(zhǎng)100 m，寬度為0.9 m，帶厚13.8 mm；輸送機(jī)整機(jī)長(zhǎng)35 m；托輥的直徑為108 mm；驅(qū)動(dòng)滾筒的直徑為1.2 m；采用單滾筒來(lái)對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)。

圖1 帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)

3 帶式輸送機(jī)打滑仿真

3.1 對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行約束

在對(duì)帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)建完模以后，要想對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行仿真，必須對(duì)該系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接通過(guò)約束副關(guān)系來(lái)定義彼此之間的運(yùn)動(dòng)。

3.1.1 對(duì)虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行定義

對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行仿真，對(duì)其虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要關(guān)注的有：輸送帶在滾筒或托輥之間的轉(zhuǎn)動(dòng)及滾筒或托輥之間的自轉(zhuǎn)。在對(duì)帶式輸送機(jī)建立虛擬樣機(jī)完成后，RecurDyn軟件已經(jīng)對(duì)輸送帶與托輥或滾筒間的運(yùn)動(dòng)副完成了定義，因此現(xiàn)在只需對(duì)滾筒或托輥之間的自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)副來(lái)定義就好。本文，對(duì)于滾筒或托輥之間的自轉(zhuǎn)用轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副來(lái)定義。

3.1.2 對(duì)帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)驅(qū)動(dòng)的定義

在RecurDyn軟件中，只有對(duì)虛擬樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)完成定義后，才能使帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)按照一定的方式來(lái)進(jìn)行運(yùn)行。本文在對(duì)帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)驅(qū)動(dòng)的定義主要通過(guò)對(duì)運(yùn)行托輥及傳動(dòng)滾筒添加轉(zhuǎn)動(dòng)副來(lái)進(jìn)行定義。

3.1.3 在虛擬樣機(jī)系統(tǒng)上布置傳感器

RecurDyn軟件上具有豐富的傳感器功能，為了研究帶式輸送機(jī)的打滑，本文在帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)上分布定義傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送機(jī)的運(yùn)行狀況，進(jìn)而來(lái)觀(guān)測(cè)其的打滑行為。

按照上述對(duì)帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)的約束，完成定義后，就可以對(duì)帶式輸送機(jī)的打滑進(jìn)行仿真，完成約束定義后的虛擬樣機(jī)如圖2所示。

3.2 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真

圖2 完成約束定義后的虛擬樣機(jī)

為了便于觀(guān)察虛擬樣機(jī)的打滑，本文對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)定義為角加速度為固定值的轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置角加速度的值為1.06 r/s2，仿真時(shí)間定義為7 s，步數(shù)設(shè)定為400，然后開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行仿真，仿真完成后，利用布置的速度傳感器分別實(shí)時(shí)測(cè)量輸送帶與驅(qū)動(dòng)滾筒的旋轉(zhuǎn)角速度，監(jiān)測(cè)及仿真結(jié)果如圖3所示，其中橫軸X為仿真時(shí)間，縱軸Y為角速度，紅色線(xiàn)為輸送帶的角速度，黑色線(xiàn)為傳動(dòng)滾筒的角速度。

圖3 虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果

4 仿真結(jié)果分析

1）在0～4.1 s這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，輸送帶與傳動(dòng)滾筒的角速度基本一致，只是輸送帶的角速度在傳動(dòng)滾筒角速度的大小上上下波動(dòng)，這是由于帶式輸送機(jī)的輸送帶的粘彈性，在輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中輸送帶有彈性滑動(dòng)，這種彈性滑動(dòng)是客觀(guān)存在且，不可避免的。

2）在4.1 s以后，輸送帶的角速度線(xiàn)與傳動(dòng)滾筒的角速度線(xiàn)突然相差很大，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)就是帶式輸送機(jī)開(kāi)始打滑的時(shí)間點(diǎn)。

3）在4.1～7 s這個(gè)時(shí)間內(nèi)，由于傳動(dòng)滾筒所能傳遞的力滿(mǎn)足不了輸送機(jī)系統(tǒng)的阻力，此時(shí)帶式輸送機(jī)一直在打滑。

4）通過(guò)上述分析可以得出，本文仿真得出的帶式輸送機(jī)打滑結(jié)果與實(shí)際工況上的運(yùn)動(dòng)特性相吻合，因此可以得出Recurdyn軟件可以很好地用來(lái)研究帶式輸送機(jī)打滑問(wèn)題；進(jìn)而也能得出本文建立的帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)也是正確的[2]。