带式输送机动态特性数值模拟及仿真分析.docx
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带式输送机动态特性数值模拟及仿真分析
带式输送机动态特性数值模拟及仿真分析
摘要
带式输送机的动态研究在20世纪就已经开始,主要是在简化力学模型上进行分析,提出一些动态分析的计算公式。
如今,更多的是利用有限元、ADAMS等软件进行数值模拟及仿真分析。
传统的设计基本都是静态分析,分析结果并不十分直观。
因此,本文采用动态分析的方法对输送机进行分析。
本文主要对带式输送机系统进行了模型简化,简述了带式输送机虚拟样机模型的建立及验证过程,并利用ADAMS软件对模型进行了数值模拟和动态特性仿真,分析比较不同驱动速度有无张紧装置的带式输送机的动态特性。
同时,得出了张紧装置对带式输送机很重要的结论,也说明了虚拟仿真对实际运用有很大的帮助,以及利用ADAMS软件对其进行虚拟仿真模拟的必要性。
本文对带式输送机的动态仿真分析,不仅可以显著比较不同张紧装置的优劣,还能对模型进行优化设计,从而选择出更经济更合适的方案。
仿真结果表明,张紧装置能让带式输送机运行更稳定,仿真实验能帮助实际应用进行改善优化。
关键词:
带式输送机;ADAMS;动态特性仿真;张紧装置
Analysisofdynamiccharacteristicsofbeltconveyorandnumericalsimulation
Abstract:
ThedynamicresearchofbeltconveyerhasalreadystartedintwentiethCentury,mainlyinthesimplifiedmechanicsmodel,andthecalculationformulaofsomedynamicanalysisispresented.Now,moreistheuseoffiniteelementandADAMSsoftwaretoconductnumericalsimulationandthesimulationanalysis.Thetraditionaldesignisbasicallystaticanalysis,theanalysisresultisnotveryintuitive.Therefore,thispaperusesthemethodofdynamicanalysistoanalyzetheconveyer.
Thisarticlemainlysimplifiesthemodelofthebeltconveyorsystem,establishmentandvalidationprocessofbeltconveyorvirtualprototypemodelisintroduced,thesimulationofnumericalsimulationanddynamiccharacteristicsiscarriedoutonthemodelbyusingthesoftwareofADAMS,thedynamiccharacteristicsofthebeltconveyorareanalyzedandcomparedfordifferentdrivingspeedwithouttensioningdevice,fordifferentdrivingspeedwithtensioningdevice.Atthesametime,thetensioningdeviceofbeltconveyorisveryimportanttotheconclusion,alsoshowsthatthevirtualsimulationisofgreathelptothepracticalapplication,anduseADAMSsoftwareforthenecessityofvirtualsimulationofthe.
Inthispaper,thedynamicsimulationofbeltconveyor,cannotonlysignificantlycomparingtheadvantagesanddisadvantagesofdifferenttensioningdevice,alsocancarryontheoptimizationdesignonthemodel,tochoosethemoreappropriateeconomicplan.Thesimulationresultsshowthat,thetensioningdeviceofbeltconveyorcanmakeoperationmorestable,thesimulationexperimentcanhelptooptimizethepracticalapplication.
Keywords:
Beltconveyor;ADAMS;Dynamiccharacteristicssimulation;Tensioningdevice
目次
1绪论
1.1选题的目的和意义
在现代物料运输中,带式输送机的十分重要的设备,无论是在冶金、电力、煤矿及港口,还是在大型工厂、流水生产线上,都被十分广泛的运用。
带式输送机是一种结构较简单、运行平稳、适应性强、耗电小的输送设备,它的运输能力很大,而且不需要投资太多的资金。
带式输送机的类型多种多样,主要有气垫式带式输送机、压带式带式输送机、大倾角的带式输送机和强力带式输送机等。
随着人类工业技术的发展,人们对大运量、长距离运输、高带速的带式输送机有着更高的要求,同时这也是当今带式输送机的发展主流。
为满足应用到各类环境中的带式输送机,那就必须对其设计、性能等进行改进。
就煤矿行业而言,应用到这行业中的带式输送机就要求是大运量、长距离运输类型的带式输送机。
从目前煤矿生产现状来看,矿山想增大生产能力,提高经济效益,那就要提高矿山的运输能力。
因此,怎样才能科学合理的提高作为矿山运输设备带式输送机的运输能力是当前的关键问题。
要解决这个问题,那就需要对带式输送机系统的动态特性进行全面深入的研究。
一般来说,带式输送机设计采用的都是静态设计法,这对带式输送机零件的设计影响可能并不大,但对实际运动的情况而言还是会存在许多不确定的问题的。
所以,我们需要对运动的带式输送机进行动态分析,找出具体问题才能更好的改善带式输送机的动态性能。
因此,本文利用ADAMS对其进行了数值模拟和动态特性仿真分析,从动态的角度来对带式输送机进行仿真实验。
1.2带式输送机的现状分析
据说现代的刮板输送机与斗式提升机的前身,其实就是我国古代提水用的翻车和高转筒车;17世纪中叶,人们开始应用架空索道来运输散状的物料;19世纪中叶,各种各样现代结构的输送机才相继出现[1]。
当今时代,科学技术的不断提高带动了各类机械设备的发展,对于带式输送机亦是如此。
总的来说,目前国内外带式输送机技术都在不断向前发展,其具备的功能也越来越完善了。
而我国与国外的带式输送机相比较的话,我国在某些技术方面仍与其存在一定的差距。
其中的差距包含带式输送机可靠性和寿命的差距、技术性能方面的差距、大型带式输送机核心技术方面的差距等。
这就是我国带式输送机的基本现状。
从目前来看,如今带式输送机设备有着向大型化方向发展的趋势,也就是说应用于各类采矿行业的大型带式输送机将会得到更好的发展。
其发展的方向主要包含提高各组件的性能和可靠性,提高运输能力,开发多功能机型以及新的专用机型[2]。
在20世纪的前苏联,带式输送机的动态研究就开始了,主要是在简化力学模型上进行分析,提出了第一个带式输送机非稳定状态运行期间动态分析的计算公式[3-10]。
国外的研究早于国内,并且取得很大的成果,如形成了以行波理论为基础的动态分析方法、利用有限元等大型软件对带式输送机进行动态模拟等[11]。
在国内,于岩等人建立了基于连续单元动态分析的模型,给出了边界问题的振动解[12]。
刘英林等人假设输送带作为弹性体,得出应力波的传播速度的计算公式[13]。
除此以外,国内一些研究工作者也从不同的角度来对其动态问题进行了探讨和分析,得到了一些宝贵经验[14-15]。
近年来,ADAMS虚拟样机技术越来越多的被广泛应用到各个机械领域当中,本课题就是运用该软件对带式输送机进行简单的数值模拟及仿真分析。
1.3研究的主要内容
1)根据带式输送机的动力学特性,总结其主要的影响因素,并根据粘弹性理论确定输送带模型及拉紧装置的类型。
2)根据实际带式输送机的结构,简化模型机构,确定主要约束副及参数,并根据参数建模仿真。
3)利用ADAMS2013软件对模型进行仿真分析,其中包括无张紧装置时输送带的动态特性分析和有张紧装置时输送带的动态特性分析,并对比不同驱动速度下的动态特性。
从而总结出张紧装置对输送带动态特性的影响,并选出更经济更合适的张紧装置方案。
2带式输送机的动力学模型
2.1影响因素
在实际工作环境中,影响输送带的动态特性的原因有很多,比如输送带自身的运动特性,输送带运行时所受阻力,运输物料的惯性,驱动力和制动力,拉紧装置的影响等等。
1)输送带自身的运动特性:
输送带在运动时,是承受拉力而运动的,这过程中有很复杂的力学特性。
这其中包括:
输送带的滞后现象,即加载和卸载应力应变关系不一样;应力与应变的非线性关系;明显的蠕变和松弛现象;在拉力作用下的变形及速度的变化等。
2)输送带运行时所受阻力:
其阻力有四个部分组成:
①一般的输送带都是个不完全弹性体,即在纵横方向上的刚度是有限的,所以输送带在托辊之间会产生一定的变形,而且在大概在输送带中间的变形最大;②输送带变形会产生一定能量的损失,而这部分能量用输送带的变形阻力来表示;③输送带上零散物料会随输送带变形而产生变形,同样也属于其变形阻力;④两滚筒的旋转也会对皮带产生阻力,这是不可忽略的[16]。
3)运动物体的惯性:
输送机运动的部分有两个,一个是滚筒转动的转动惯量,一个是输送带的运动以及输送带上物料的运动惯性。
4)驱动与制动特性:
输送带的动力部件主要就是驱动装置和制动装置,这两个的性能对输送机的运输成本、运输能力、输送带的张力、以及运行过程中的稳定性和安全性等也是很重要的。
5)拉紧装置:
拉紧装置即是张紧装置,在带式输送机中是不可或缺的部分,它可以解决实际中带式输送机经常碰到的问题,比如运行过程中张力的损失,驱动和制动时的打滑现象以及冲击力等问题。
2.2输送带的动力学模型的确定
2.2.1粘弹性理论分析
带式输送机系统的运行过程是一个不稳定的工况,因为速度和加速度在起动时变化非常大,往往使得输送带中的动张力在开始的时候就达到了最大值。
输送带与驱动滚筒的启动阻力的大小会影响到启动的平稳以及启动所需时间。
因此,减小输送带的启动阻力对于带式输送机的优化是非常重要的。
实际中,对输送带相对垂度的要求是十分严格的,而且运行中输送带的挠曲变形主要就是弹性变形,因此,将输送带视为有纵向载荷的两端固定薄板小挠度弯曲,这会随着垂度的增加而产生一定程度的误差。
由于输送带的横向挠曲变形是很小的,为了简化计算过程,假设其挠度只与x有关,与y无关。
则输送带的控制方程简化为:
(2-1)
(2-2)
式中
——挠度
——带的纵向刚度
(2-3)
——输送带单位宽度张力
——纵向弹性模量
——输送带单位面积载荷集度
——输送带的泊松比
——运行速度
——托辊间距
——单位面积质量
——输送带厚度
考虑到一般的工程实际中,
是大于零的,令
,则方程的解为
(2-4)
其中,A、B由下式确定
(2-5)
(2-6)
2.2.2粘弹性模型的选择
在输送带动力学特征中,最为重要的就是粘弹性。
就当前来说,摩擦、阻尼和弹性这三种是最基本的粘弹性元件,而根据他们的组合形式的不同,所以建立的粘弹性模型也是不同的。
其类型主要有麦克斯韦尔模型、伏格特模型、三元件粘弹性模型[17]。
麦克斯韦尔模型是由线性弹簧与阻尼器串联而成的,同时它也叫做松弛模型。
它的应力和应变关系如下:
(2-7)
式中
为流变常数,
。
这种模型是粘弹性液体的流变模型,多用于液体建模中。
伏格特非松弛模型即是开尔文模型,这个模型是由弹性元件与阻尼元件并联组成的。
而且在纯拉伸情况下,该模型的应力与应变关系如下:
(2-8)
保持σ不变,积分可得:
(2-9)
该模型是物体的蠕变和弹性后效现象,即是突然卸载的时候变形不是瞬间消失的,而是在一定的时间内慢慢变小。
在施加载荷的瞬间,模型的初始变形是等于零的。
如果σ保持不变的话,该应变趋于一个稳定值。
三元件粘弹性模型是以麦克斯韦尔模型和伏格特模型为基础建立的,该模型不仅仅可以反映物体的粘弹性,还能反映物体的流变性[18]。
以上三种粘弹性模型是最为常见的了,其中麦克斯韦尔是粘弹性液体流变模型,所以它是不可以作为输送带的粘弹性模型。
三元件粘弹性模型是各类研究中用得最多的,同时它也是研究输送带的比较理想的模型特别是对于固定式拉紧装置的带式输送机更为合适。
然而现实中,确定其参数的合理方法并没有发现,所以这种模型也只是理论上运用得多,在实际中并没有得到应用。
伏格特非松弛模型不能反映物体的流变过程,但是其模型参数是很容易确定的,而且该模型也可以很好的反映物体的动态弹性过程,大多的带式输送机都是采用恒力拉紧装置的,输送带的松弛现象不是特别的明显,所以在输送机的动态特性研究中中类模型常常被采用。
故,本文最终采用的就是伏格特非松弛模型。
2.2.3输送带模型的选定
带式输送机的输送带类型有很多种,本文选用的是同步带,在建模中采用的也就是平带,ADAMS2013建模中即为“Smooth”类型。
该软件只要设定好段长,它就可以自动将完整的皮带划分为很多等段长的皮带小段。
在仿真结束后,可查看各个小段的速度、位移、加速度等相关运动特性曲线。
2.3.4拉紧装置的确定
拉紧装置是带式输送机中非常重要的部分,它的作用是使输送带具有一定的初张力,可以防止悬垂度过大、驱动滚筒与输送带的打滑现象,同时也可以使得启动和制动时输送机变得相对稳定,减小输送带中的动应力。
拉紧装置可以分为自动拉紧装置,固定式拉紧装置,重力拉紧装置这三类。
本文采用的是固定式拉紧装置。
即给模型增加张紧装置,可通过调节张紧轮的半径大小和调整张紧装置的旋转中心来调节皮带的张紧程度,以此来达到对输送机的拉紧作用。
2.4本章小结
本章主要简述了建立简化系统的带式输送机虚拟样机模型所需考虑的一些影响因素,约束副和参数的确定,粘弹性理论分析和模型的选定,还有拉紧装置的分类及作用。
3建模及仿真分析
本章主要讲述带式输送机虚拟样机机构的简化,带式输送机几何模型的建立,在其模型上各类约束的建立及施加,以及其具体参数和几何尺寸的确定。
最后就是对所建立好的虚拟样机模型进行简单的运动学验证。
3.1模型的简化
本文研究的是带式输送机的运动仿真,由于实际设备的限制,所以只能由繁化简,将带式输送机由复杂的实际机构化成简单的虚拟模型,并对其进行一些简单的数值模拟和运动学仿真,从而实现对现实生活中带式输送机的不断优化和改良。
带式输送机一般包括驱动滚筒、尾部滚筒(即从动滚筒)、输送带、机架、托辊以及张紧装置等。
如果仿真模型也按照实际中的机构来创建模型的话,那么不仅仅需要计算大量的数据,而且从现有的设备和软件技术来看,也是无法达到的,同时这也是不必要的。
所以,采取将其简化的方法,只保留驱动滚筒、从动滚筒、输送带和张紧装置,至于机架之类的则简化成大地。
简化的带式输送机模型主要由四个部分组成,其中驱动滚动、从动滚筒以及张紧装置的张紧轮都看做是刚体,不考虑它们的变形。
而作为输送机支撑件的托辊则被简化成一个具有旋转副的圆柱体,即在驱动滚筒和从动滚筒上施加一个旋转副。
张紧装置则用一个固定的圆柱体作为张紧轮,模型中安装在驱动滚筒和从动滚筒的下方中心位置。
至于输送带,在ADAMS2013中,只需设定好驱动滚筒和从动滚筒的位置、输送带划分段的每段段长以及输送带的材料属性(如弹性模量等),就可以智能生成完整的皮带,同时也会建立好皮带与滚筒之间的接触副。
这相对于以往输送带模型的建立而言,实在是方便许多。
以往的输送带模型是视为柔性体的,需要在有限元中建好模型,定义好材料属性,划分网格,然后输出MNF中性模态文件,再将此中性文件导入到ADAMS中。
而且导入的输送带模型是无法移动的,一旦有所移动便会变形。
总而言之,以往的方法是十分复杂而麻烦的。
而上述输送带的建模方法只有ADAMS2013之后的版本才会具备。
3.2约束副和参数的确定
1)由于带式输送机系统的简化,原本输送机上复杂繁琐的约束副也随之变得简单了。
在ADAMS中,软件提供的约束副有:
理想约束、虚约束、高副约束和运动驱动等类型。
其主要包含旋转副、移动副、圆柱副、球副、固定副、万向节副、恒速度副、平面副、螺纹副、齿轮副、耦合副、凸轮副和驱动副等。
该模型主要施加的约束副如下:
圆柱副:
简化带式输送机模型的驱动滚筒和从动滚筒被视为圆柱刚体,所以需要给其施加圆柱副。
同样的张紧装置中的张紧轮也需要创建圆柱副。
旋转副:
在模型中,旋转的物体有驱动滚筒,从动滚筒和张紧轮,因此,这三个都需要创建旋转副。
驱动副:
输送带是由驱动滚筒因摩擦力而带动的,在驱动滚筒上创建驱动即是给该模型施加动力。
接触副:
驱动滚筒与输送带之间通过摩擦力来传动的,在ADAMS/View中,它提供了十几种接触类型,它们分别是实体与实体(solidtosolid)、外球与球(spheretosphere)、内球与球(sphereinsphere)、球与平面(spheretoplane)、圆与平面(circletoplane)、点与曲线(pointtocurve)、平面与曲线(planetocurve)、圆与曲线(circletocurve)曲线与曲线(curvetocurve)等。
此外还有刚体与柔性体接触类型,但是ADAMS2013版中有着这么一个模块(Machinery),里面专门有一个针对皮带的模块(belt),利用这个模块,驱动滚筒与输送带和从动滚筒与输送带之间的接触是软件系统自动施加的。
这样一来,对于一些与皮带相关的建模,我们就能很方便,很简单的完成。
输送带上物料的加载方法有两种,一种是在输送带上施加一个随着位置变化的力,一个是直接在输送带负载段上加上离散的块状物。
本文主要研究输送带的运动及张紧问题,所以输送带上采取空载,不施加任何的东西。
2)本文所建立的实体模型选择的输送带型号是ST-1000,输送带的宽度定位是800mm,输送带大致材料属性为:
弹性模量E为1.25e8N/m;密度为2000N/m³;阻尼系数c为166780Ns/m;输送带的厚度为25mm。
驱动滚筒与从动滚筒的直径都设为800mm。
两个滚筒都是刚性材料(steel)。
由于实际设备的限制,无法承受太大的计算,所以输送带的运输距离定位为2m,即两个滚筒的中心距。
张紧装置的确定,本文采用的是固定式张紧装置,其放置的位置是两滚筒中心的正下方,在仿真实验中通过调节张紧轮的大小来实现输送带的张紧程度。
3.3建模步骤
本文采用的建模方式是ADAMS2013/View中的Machinery,利用里面的Belt模块建模。
其中分为三个部分。
第一部分是驱动滚筒、从动滚筒以及张紧轮的建模。
图3.1驱动滚筒、从动滚筒以及张紧轮的建模
1)滚筒类型的选择。
因为两滚筒与张紧轮都视为刚体,所以选择的类型为smooth。
表面接触类型选择3DLinks;
2)确定滚筒坐标,材料类型。
两滚筒材料均为steel;
3)确定两滚筒的输出项,主要有角位移、角速度、角加速度、接触力等;
4)张紧轮数目和参数的确定,设定采用的张紧轮的数目和放置位置,还有张紧轮的大小,即张紧轮半径大小。
第二部分是输送带的建模。
图3.2输送带的建模
1)确定输送带类型和接触类型,输送带为平带,接触方式与滚筒一样,同为3DLinks;
2)设定输送带基本参数,每段长度为7.5mm,输送带厚度为25mm,宽度为800mm,以及弹性模量等基本参数的设定;
3)确定输送带的输出项,一般为位移、速度、加速度等。
第三部分就是驱动的施加。
图3.4驱动的施加
这部分主要是驱动滚筒的确定,施加旋转副和驱动副、施加运动速度以及确定输出项。
图3.4带式输送机实体模型
以上就是虚拟样机模型的基本过程。
对于该输送机的建模模块,相对于以往的建模方式而言的确简单了许多,对于多次不同数据的仿真实验而言,它还是要重新建模的,重新设定参数的,好在它的建模过程还是相对简单明了的。
3.4仿真结果分析
本次仿真的驱动方式是:
给驱动滚筒设定一个固定角速度,驱动角速度为180deg/sec,仿真时间为2秒,仿真步数Steps为1000,仿真大概耗时30~40分钟。
张紧轮参数设定为:
半径200mm,旋转中心坐标为(1000,-500,0)。
建立好模型后,需要对其进行简单的验证,首先验证模型是否按预定要求来运动。
图3.4是仿真前的图,驱动滚筒下方输送带上的红色位置就是输送带带段segment1,给驱动滚筒一个180deg/sec的角速度,然后进行仿真。
带段segment1的运动曲线主要包括带段在X方向和Y方向上的位置曲线、在X方向和Y方向上的速度曲线。
图3.5带式输送机虚拟样机模型
从图3.5中,可以看到输送带被划分为很多的小带段,每个带段的长度为7.5mm。
图3.6带段segment1的位置曲线和速度曲线
从实际的运动可以知道,当带式输送机运行的时候,带段(segment1)从图3.5所示位置开始,先是绕着驱动滚筒运动,然后水平移动。
图3.6为输送带段带段segment1在X方向上的位置曲线和速度曲线。
图3.6表明,图中红色实曲线为带段在X方向上的位置曲线。
由于张紧轮的关系,带段1开始时的X坐标是一个正值,然后随着输送带的运动。
红色曲线中的波谷即为带段1运动到了X轴的最左端,而后面趋于递增的斜线就是带段水平向右的移动曲线。
从X轴的速度来看,带段的速度也从小变大,最后趋于一个稳定值。
同样的,Y轴上的位置曲线和速度曲线也是符合实际情况的。
图3.7带段segment1的动态曲线图
如上图所示,图中红色曲线为带段segment1与带段segment2在运动过程中的相互作用力。
从曲线可以看出它是从大不断变小,最后趋于一个稳定的值,这符合实际输送带的张力变化。
而且,从速度曲线也可以看到,速度从小变大,最后也达到一个稳定的值。
因此,该模型符合输送带的动态特性。
3.5本章小结
本章首先对带式输送机进行系统简化,然后叙述了虚拟样机模型建立的主要步骤,主要约束和参数的确定,最后利用ADAMS2013对建立的模型进行仿真模拟验证。
实验结果表明,本次建立的虚拟样机模型是符合带式输送机运动学的。
4带式输送机的动态特性分析
本章主要对不同驱动速度对输送带的动态特性进行分析,以及相同速度下有张紧轮的输送带的动态特性分析。
首先对无张紧装置时的输送带进行分析,然后再对有张紧装置的输送带分析,最后
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