大倾角上运带式输送机启动过程的动态分析.pdf

第 2 9卷第 3 期 2 0 0 8年 3月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e l V0 1 ． 2 9 No． 3 Ma r ．20 08 嚼问题探讨 聊 大倾角上运 带式 输送机起 动过程 的动态分析 王爱兵 ，郑红满 ，朱维胜 ，黄扬烛 ，满咏梅 煤炭科学研究总院 上海分院，上海 2 0 0 0 3 0 摘要 通过对大倾角上运带式输送机 的起动过程进行分析建模 ， 给 出了其边界条件 和求解 方法。在此基础上， 对实际使用中的大倾角输送机的起动过程进行了仿真分析， 分析表明该输送机 设计裕量较 大， 起动过程速度控制合适 ， 动态张力变化 不大 ， 起动平稳 ， 满足传动设计要求。 关键词 大倾角；带式输送机 ；起动过程 ；动态分析 中图分类号 T D 5 2 8 文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 8 0 3 ． 0 0 6 7 ． 0 3 Dy n a mi c An a l y s i s o f S t e e p l y I n c l i n e d Be l t Co n v e y o r S t a r t i n g Pr o c e s s W ANG Aib-Ⅱ l g，ZHENG Ho n gman，ZHU W e is h e n g，HUANG Ya ngz h u，M AN Yo ngme i S h a n g h a i B r a n c h o f C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h ai 2 0 0 0 3 0 ， C h i n a Ab s t r a c t An aly z e a n d mo d e l o n s t e e p l y i n c l i n e d b e l t c o n v e y o r s t a r t i n g，an d o ff e r e d t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s an d s o l u t i o n me t h od ．Me an wh i l e，i t c a r r i e d o ut s i mu l a t i o n an aly s i s o n the s t e e p l y i n c l i n e d b e l t c o n v e y o r r u n ． n i n g i n the c o al mi n e．T h e r e s ul t s h o we d tha t the c o n v e y o r h a s b i g d e s i g n p a r a me t e r ，a p p r o p r i a t e s t a r t i n g v e l o e i t y，l i t t l e d y na mi c b e l t t e n s i o n c h an g e an d s t e a d y s t a r t i n g p r o c e s s ．I t s a t i s fie d the r e q u i reme n t o f d riv e d e ． s i gn f u l l y． Ke y wo r d s s t e e p l y i n c l i n e d；b e l t c o n v e y o r ；s t a r t i n g p r o c e s s ；d yn a mi c an aly s i s 0引言 近年来煤炭行业 的发展对带式输送机提出越来 越高的要求 ， 具有大倾角 、 长距离 、 高带速 、 大运量特 征的大型带 式输送机 已成 为带 式输送机 发展 的趋 势 ， 本文通过对大倾角带式输送机建模仿真， 对其启 动过程进行分析 ， 从而为大倾 角上运带式输送机 的 设计提供指导。 1 大倾角上运带式输送机系统的动力学模型 由于输送机倾角的加大 ， 使得倾斜阻力远 大于 输送机 的主要阻力 ， 所 以在输送 机起 动前必须要施 加逆止力来阻止其反转 ， 这样使 得起 动前输送带 的 初始张力发生了变化 ， 从而使 大倾 角输送机 的起动 特性与普通输送机有很大的不同。 1 ． 1 模型建立 带式输送机系统是 由闭环的输送带 、 托辊 、 驱动 装置、 拉 紧装置和改 向滚筒等构成的系统。在工程 设计中， 输送机的运行阻力按定值进行计算 ， 作 为承 载的输送带按黏弹性处理 。考虑输送带挠度对 刚度 的影响采用等效刚度 ， 等效刚度与输送带的刚度 、 输 送带 的张力有关 。在建立动力 学模 型时， 驱动装 置 所提供的驱动力作为系统的输 入 ， 为 了降低 输送机 起动时的动张力 ， 目前输送机 的起动大都采用控制 速度起动的方式 ， 通过控制速度 的变化来求解出驱 动装置输出的驱动力 。大倾角上运输送机 的布置如 图 1 所示 图 1 大倾角输送机 的布置图 1 ． 驱动滚筒2 ． 改 向滚筒3 ． 机尾 滚筒 拉 紧滚筒 从第 1 驱动滚筒 开始 ， 将输送带划分成若干单 元 ， 每个单元 由 1 个黏弹性模型和 1 个带倾角 的质 量块组成 ， 如图 2 所示 ， 图中 k 为输送带刚度； c 为 阻尼 ； m 为单元质量 ； 为单元上 的运行 阻力 ； 拉 紧滚筒有转动和移动 2个 自由度的运动 ； F 为驱动 单元的驱动力 。将输送带单元 、 驱动单元、 拉紧单元 动力学方程组合可得输送机系统的动力学方程为 MuC uK uF 1 式中 、 C、 、 F 质量矩阵， 刚度矩阵 ， 阻尼矩 阵和力向量 ； U、 U、 单元的位移 、速度 和加速度 向量 一 6 7一 图 2 带式输送机 离散模 型 维普资讯 V o 1 ． 2 9 N o ． 3 大倾角上运带 输送 起动 猩 动查 _王爱兵， 等 第 2 9 卷第 3 期 1 ． 2 边界条件和初始条件 1 拉紧装置 常用的拉 紧装置有固定拉紧 、 重锤拉紧和 自动 拉紧 3 种， 在大倾角带式输送机中， 大部分都使用尾 部重锤拉紧 ， 只有距离较长的输送机采用头部重锤 或 自动拉紧方式 。 对于拉紧装置 2 x 1 一 2 Is i Is 1 一Fm 3 式中 ⋯ 、 Is 、 S i l 拉紧滚筒两边输送带的 位移和张力 ； 、m 拉紧装置平动部分 的位 移和质量 ； F 拉紧装置的拉紧力 。 在 自动拉紧装置中， m 和 都很小， 所以在工 程设计中， 一般取 m x 0 。 2 输送带张力初始条件 由于等效刚度与带张力有关， 所以输送带张力 的确定在带式输送机动态分析中相当重要。在大倾 角带式输送机中， 由于输送机在起动前有逆止器的 作用存在， 所以其初始张力分布与普通输送机的初 始张力不同， 在承载段， 其倾斜阻力大于主要阻力， 故输送带张力在逆止器处取到最大值， 而在回空段， 其输送带张力分布却和普通输送机相同。这一点也 正是大倾角输送机与普通输送机的不同之处。 在承载段 S S 一 一 4 在回空段 S ⋯ S i 5 式中S 、 S i l 单元 ， 1 处的输送带张力； 单元 i 处的倾斜阻力； 单元 i 处的最大静摩擦力 。 1 ． 3 模型求解 输送机的起动是一个逐级起动的过程 ， 只有运 动的单元才受到动摩擦力的作用，V i e r l i n g 研究表 明 在速度 1 ． 5 5 m ／ s 内， 输送机的综合阻力系数 可近似地采取与速度 的线性关系。所以在起动过程 中， 输送机所受外阻力是变化的。 在模型求解过程中， 采用离散的数值方法 ’v il s o n 一0 方法， 该方法具有绝对收敛的特性。从而求 解出输送机单元在不同起动时刻的位移、 速度、 加速 度， 第 i 单元输送带动张力 S i k f “ ． 1 C i x x i 1 6 2 大倾角带式输送机起动过程仿真 为了对大倾角上运输送机的起动特性有个整体 的认识， 采用 M A T L A B对某矿的一条大倾角输送机 进行了仿真分析， 该输送机主要参数如下 运距 8 0 0 m ， 运量 Q 2 0 0 t／ h ， 倾角为 2 5 ． 3 。 ， 带宽 8 0 0 m ln ， 带速 2 m ／ s ， 输送带采用 S T 2 0 0 0 ， 采用头部单机驱动 ， 机尾重锤拉紧方式。装机功率为 3 5 5 k W， 拉紧力 3 0 k N 。该机采用耦合器 电机方式起动， 由于耦合器 的速度控制困难 ， 在实际中大都采用连续起动方式 ， 所以其起动速度 曲线采用线性 速度 曲线 ， 起 动时间 5 0 s 。考虑 到输送 机的运行工况 ， 本 文对其满载起 动情况进行仿真， 仿真时间 1 0 0 s 。 图 3为该输送机的仿真结果 。 e 驱动 装置 功翠输 出 f 输送带最大 张力 图 3 大倾角输送机起动 过程仿真 结果 从图 3 a 可 以看 出， 在起动初始 阶段 ， 输送机 尾部的速度略滞后 于头部速度 ， 并且在机尾拉 紧位 置， 输送带有负速度， 这完全符合输送带的黏弹性特 性。图3 b 表明输送带张力在整个过程中变化不 大 ， 这是 由于倾斜 阻力大于输送带最大静阻力而采 用逆止器 的原因。从 3 c 可 以看 出， 在起 动初始 ， 由于逆止力的撤 出， 驱动力有突变 ， 随后有个小的下 降突变， 这是由于输送带与托辊最大静摩擦力作用 的结果 ， 在输送带整体开始运动后 ， 随着起动速度 的 提高， 驱动力缓慢变化。图 3 d 表明在起动过程 中， 拉紧装置 的最大动态行程 0 ． 0 3 7 2 m， 这说 明由 于输送带张力变化不大 ，输送带的伸长量也变化不 一 6 8 维普资讯 第 2 9 卷第 3期 2 O 0 8年 3 月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e l V0 1 ． 2 9 N o． 3 Ma r ．20 08 局 部损失 阎题 的有限元麓析 曲鲁滨 。王伸 勋 烟台职业学院 材料工程学院，山东 烟台 2 6 4 0 0 0 摘要应用c O s M O s ／ n 0 w0 r k s 软件模拟圆管的内部流场以解决其局部损失问题， 与现有的 解析和 实验结果进行 了比较。结果显示， 应用 c O s MO s ／ no w0 r k s 软件模拟圆管 内部 流场是可靠的 ， 为 C O S M O S ／ F lo W o r k s 软件在流体力学理论研究中的应用提供了参考。 关键词 局部损失 ；数值模拟 ；c O s MO s ／ F 1 0 w0 r k s 软件 ；圆管 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 8 0 3 0 0 6 9 0 3 Lo c a l LO S S Pr o b l e m s Ba s e d 0 n F EM Q U L ub i n 。WA N G Z h o n gx n n C o l l e g e o f M a t e r i a l s E n g i n e e r i n g ， Y a n t a i V o c a t i o n a l C o l l e g e ，Y a n t a i 2 6 4 O O O ， C h i n a Ab s t r a c t I n n e r flo w fie l d o f r o u n d p i p e wa s n u me ri c a l l y s i mu l a t e d wi t h COS MOS ／ no W o r k s s o f t wa r e t o sol v e t he p r o b l e l l i s o f l o e a l l o s s ． e r e s u l t s we r e c o mp a r ed wi t h t h e p r e s e n t a n a l y t i c a l a n d e x p e rime n t a l s o l u t i o n． T h e r e s u l t s s h o w t h a t i t i S a v a i l a b l e t o s i mu l a t e t h e i n n e r fl o w fi e l d o f r o u n d p i p e wi th COs MOs ／ n0 W0 r k S sof t ． wa r e．Re f e r e n c e i S p r o v i d ed f o r the a D p l i c a t i o n o f COS MOS ／ n0 W 0 r k S s o f twa r e i n flu i d the o r e t i c a l r e s e a r c h， Ke y wo r d s l o c a l l o s s ；n u me fi c s i mula t i o n ；C O S MOs ／ no Wo S sof twa r e ；r o u n d p i pe 0前言 C O S MO nd W0 r k s 软件 是 S o l i d Wo r k s 软 件 的插 件 ， 是基于 C F D C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s 技 术 ， 即计算流体力学技术的有限元分析软件。随着电子 计算机的推广普及和计算方法的新 发展 ， C F D技术 几十年来得到了蓬勃 的发展 ， 显示 出巨大活力。相 对实验研究， 数值模拟有其独特的优点 1 研究成 本低 ； 2 无实验仪器干扰 ； 3 能 获得完整 的数据 ； 4 能将计算结果在计算 机屏幕上形象地显现。流 s s 大。从 图 3 e 可 以看 出， 在起动过程 中， 驱动装置 输出比较稳定 ， 最大输 出功率 为 2 2 5 ． 3 8 k W， 这说 明 该设计的裕量 比较大。从 图 3 f 可 以看 出， 输送机 在起动过程 中输送带最 大张力 厂 2 1 2 ． 5 3 k N， 从而 可计算输送带动态安全系数为 7 ． 5 3 ， 大于其许用安 全系数 6 ． 4 8 。仿真结 果表 明， 该输送 机设计合 理 ， 起动过程速度控制合适 ， 动态张力变化不大 ， 起动平 稳 ， 满足传动设计要求。 3 结 语 本文通过对大倾角输送机起动过程数学模型的 建立 ， 给出了边界条件和求解方法 ， 并对某矿使用的 大倾角输送机进行了仿真 ， 仿真结果表明 1 大倾 角输送机在起 动过程 中， 其输送带张 力与稳态运行相 比变化不大 ， 而驱动力在起动过程 有大的突变 ； 2 大倾 角输送机在起 动过程 中 ， 其动态拉 紧 行程不大。 体流动经过各种管道构件 和管道连接件时 ， 由于流 体 的相互碰撞和形成漩 涡等原 因， 存 在局部能量损 失 ， 其损失程度大小可 由局部损失系数表示 。其 中， 大多数形状变 化是没有解 析解 的。需要具体 的数 据 ， 只有通过实验测量 的方法。而实验测量耗费大 量的人力 、 物力和财力 且实验过程 中受各种实验仪 器的精度及不稳定状况影响。运用流体计算软件可 解决上述的问题 。本文通过对圆管内部流场的数值 模拟 ，得到 了不 同截面 比的局部损失系数与经验值 s 参考文献 [ 1 ] 宋伟刚， 柳洪义 ， 王鹰． 带式输送机动力学及其计算机仿真的研究 [ J ] ． 机械工程学报 ，2 O 0 3 9 1 3 31 3 8 ． [ 2 ] 张炳福 ， 彭承鹏 ． 高倾角上 运带式 输送机 的研究 与应用 [ J ] ． 煤 矿 机械 ， 2 0 o 3 8 2 1 2 3 ． [ 3 ] 刘 肖建 ， 侯友夫 ， 陆长德 ． 高速带式输送机 的计算机辅 助动态设计 [ J ] ． 起重运输机械 ， 2 0 0 4 3 1 21 4． [ 4 ] 徐静 ， 董雁 ． 带式输送机纵 向振动的有限元分析法 [ J ] ． 机械设计 ， 2 0 0 2 6 5 55 7 ． [ 5 ] 宋伟刚． 通用带式输送机设计[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 O O 6 ． [ 6 ] 北京起 重运 输机械研 究所 ． 叩 I A 型带式 输送机设 计手册 [ K] ． 北京 冶金 工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 作者简介 王爱兵 1 9 7 9一 ， 山西兴县 人 ， 助 理工程 师 ， 2 0 0 6年 毕业 于中国矿业大学机电工程学 院测试 计量技 术及仪 器专业 ， 硕士 学位 ， 现从 事带 式输送 机设计及 动态分 析工作 ， 电话 0 2 1 6 4 3 8 2 3 4 4 1 9 1 2 ， 电子信箱 w a b 1 6 3 1 6 3 ． C O IT I ． 一 69一 收稿 日期 2 0 0 7 ． 1 1 - 2 8 维普资讯