带式输送机动态分析系统的设计与实现.pdf

第 2 5卷增刊 、 b1 ． 2 5 S u D D l 辽 宁工程技术大学学报 J o u r n a l o f Li a o n i n z T e c h n i c a l Un i v e r s i 2 0 0 6牟 6月 J u n． 2 0 o 6 文章编号1 0 o 8 ． 0 5 6 2 2 0 0 6 增刊- 0 2 2 7 ． 0 4 带式输送机动态分析系统的设计与实现 许丹 ，阚晓平 ，孙爱芹 ， 刘洋 1 ． 山东科技大学 机电学院， 山东 青岛 2 6 6 5 1 0 ； 2 ． 天地科技股份有限公司 唐山分公司， 河北 唐山0 6 3 0 1 2 ； 3 ．青 岛前湾集装箱码头有限责任公司 摘 要为使带式输送机系统的动态分析过程更简洁、更实用，适合大众需要，本文采用离散体动力模型法建立带式输送机的动力 学模型，并以此为基础，以 V i s u a l B a s i c和 Ma t l a b为工具，设计出了带式输送机动态分析系统。该系统可计算不7 - 况下运行的带式输 送机系统的动力学参数，并实现了动态参数的可视化。实验证明，该系统能较好地对带式输送机的纵 向动特性进行仿真。 关键词带式输送机； 动态分析仿真 中图分类号T H 2 2 2 文献标识码 A De s i g n o f a s i mu l a t i o n s y s t e m o f d y n a mi c a n a l y s i s o f b e l t c o n v e y o r XU Da n ， KAN Xi a o - p i n ， S UN Ai - q i n 1 ．C o ll e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n cer i n g h a n d o n g U n i v e r s it y o f S c i e n c e and T e c h n o l o g y ,Q i n g o 2 6 6 5 1 0 , C h i n a ； 2 ． T a n gS h an B r a n c ho f T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g yC o ． L t d , T a nS h a l l O 6 3 0 1 2 ． C h i n a ； 3 ． Qi n g d a o Qi anwa n C o n t a i n e r T e r mi n a l C o ． L t d Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma k e t h e p r o c e s s o f d y n a mi c a n a l y s i s o f b e l t c o n v e y e r s y s t e m mo r e s u c c i n c t ， p r a c t i c al， a n d s u i t a b l e f o r the ma s s e s ’ n e e d s ， thi s p a p e r a t t e mp t s t o s e t u p the d y n a mi c s mo d e l o f b e l t c o n v e y e r wi th n u me ric al me tho d ， a n d the n ， b a s e d o n thi s mo d e l ， wi th Vi s u a l Ba s i c an d Ma t l a b a s t o o l s， a s y s t e m i s d e s i g n e d t o h e l p t o c a r r y o u t the d y n a mi c an aly s i s o f b e l t c o n v e y e Th i s s y s t e m c an c alc u l a t e the d y n a mi c s p a r a me t e r s o f b e l t c o n v e y e r u n d e r d i f f e r e n t wo r k i n g c o n d i ti o n s ， an d h a v e r e ali z e d the v i s u ali z a t i o n o f tho s e p ara me t e r s ． I t i s p r o v e d tha t the s y s t e m c an s i mu l a t e the l o n g i t u d i n al d i r e c t i o n d y n a mi c c h ara c t e r i s t i c o f b e l t c o n v e y o r p r e f e r a b l y Ke y wo r d s b e l t c o n v e y o r ；d y n a mi c an a l y s i s s i mu l a t e 引 言 带式输送机是煤炭、冶金、港口、化工、电力 等领域广泛使用的连续运输设备，随着现代工业技 术的发展，正朝长距离 、大运量、高速度及高可靠 性的方 向发展。带式输送机的动态特性在低速、短 距离运行的情况下， 表现并不明显， 但对于高速度 、 长距离的大型带式输送机会产生一些不良的影响， 如输送带在滚筒上打滑，胶带重叠，断带、胶带着 火等等。为此对带式输送机的动特性进行研究，已 经受到各国学者及工程技术人员的广泛关注 。 本文 旨在在通用、实用、操作简单的带式输送 机动态设计软件的研究方面进行探索 ，使带式输送 机的动态设计可以方便的应用在工业生产当中。 1带式输送机动态设计理论 影 响带式输送机 工作性 能的动特性 主要是与 胶带有直接联系的振动，即胶带的纵向振动、横向 振动和侧 向振动。胶带这几个方向的振动是相互影 响的，要精确的研究这种模型并不容易，但从工程 设计的角度看，分别研究这三个方 向的振动是完全 可 以满足设计的精度要求舸。 鉴于输送 带纵 向振 动理 论是带式输送机动态 设计方法的主要理论基础 ，本设计主要是在带式输 送机的纵向振动理论基础之上完成 。即确定带式输 送机在过渡过程 如启动、制动等 中，胶带及其 他部件在外界扰动力作用下所产生的动态响应，如 动张力、动位移等 。 1 ． 1 带式输送机系统的建模方法 力学分析方法主要有解析法和数值法两种。 具体到带式输送机系统 ，应用解析方法就是将胶带 看成一个弹性体 ，列出其运动的微分方程 ，再根据 边界条件求解方程得出速度 、加速度、动张力等变 量的表达式。应用数值方法则是将输送机系统划分 为几个具有粘弹性联系的刚性质点，然后再用机械 振动力学的方法建立系统动力学模型。 收稿日期2 0 0 6 ． 0 3 ． 1 0 作者简介许丹 1 9 7 9 ． ，女，辽宁 新民人，硕士研究生，助教，主要从事机械 C A D及仿真技术研究。本文编校焦丽 维普资讯 2 2 8 辽宁工程技术大学学报 增刊 解析方法 由于受带式输送机本身线路、结构条 件 的限制 ，偏微分方程的边界条件较复杂，因而有 时很难得到解析解 。 数值方法将含有偏 导数 的方程 用含有 时间变 量的一组常微分方程代替 ，方便求解 ，并且只要恰 当的划分节点，即可得到精确的解 。 经过综合比较，作者认为，对带式输送机系统 进行动态设计，数值方法更有利于计 肌 实现。 1 ． 2 带式输送机系统动力学方程 1 ． 2 ． 1 力学模型 带式输送机可 以看作 是一个 具有模块 式结构 的系统 ，因此只要分别建立起各组成部分的动力学 模型，然后将各模型进行有机的结合即可建立起带 式输送机系统的动力学模型。 带式输送机系统主要由三个部分组成承载输 送带部分、驱动或制动部分和拉紧部分 。 胶带具有明显的粘弹性特征，考虑一般情况 ， 输送机的驱动或制动部分、拉紧部分也具有粘弹性 作用。因此作者选用了被多数研究人员所接受的研 究胶带粘弹性特征 的 v o g i t模型对输送机系统其进 行模拟。这种模型参数测定较容易，并且蠕变特性 也比较适合做胶带的蠕变特性研究模型，虽然松弛 特性表现不 出来 ，但在大型带式输送机中 ，胶带多 采用钢丝绳芯输送带，张紧装置多采用 自 动或重锤 式拉紧 ，可以 自动补偿输送带的变形，输送带的松 弛效应并不明显 。 有关用 V o g k模型建立带式输送机各组成部分 动力学模型的方法，在相关的文献 中已有较 为详细 的论述 ，这里就不再赘述⋯。 式 1 即为 以头部双滚筒驱动为例 的带式输 送机系统动力学方程 。 啪 ～ ． f f 与 一 丘 - x O F f 4矗4 “X n _ 4 -- X n _ 3 “ 卜 ] f ， 一 f ， ， } l 2 毫2 - 。 十 托 卜 2 叫 I O O a f ， 毫 卜 2 _ 2 卜 2 一 毫 O 1 ． 3 动力学方程参数的确定 带式输送 机系统动力学方程 中的参数主要有 节点质量、刚度系数和粘性阻尼系数。具体确定方 法如下 1 节点质量 1 重载段 ， 苇 鼋 d鼋鼋 f 苇 f 2 q d 为输送带线密度 ，k g ． r n - ；q为物料线密度 ， k g m～ ； q f 苇 为重载段托辊组旋转线密度， k g ． m～ ； f 币 为重载段节点间距，m。 2 空载段 m轻 鼋 d 鼋 腔 f 空 3 为输送带线密度，k g ． q l 守 为空载段托 辊组旋转线密度 ，k g ． ；f 空载段节点间距 ，m。 3 旋转部件 按动能相等的原理，把旋转部件的质量等效至 旋转部件表面 。 ， ， l 4J - 4 D m 为相应 的旋转部件质量； 为相应的旋转部 件转动惯量；D 为相应的旋转部件直径 。 2 刚度系数与粘性阻尼系数 对于平直胶带，其刚度 系数和粘性阻尼系数可 由下式确定 丁E B ] } 5 丁J 但实际运行中胶带在托辊组之间并不能完全 张紧成直线，托辊组间的胶带长度大于托辊组间距 离，如图 1 。 在计算胶带长度时， 把托辊组间的胶带分支看 作由式 6 表示的抛物线，这时 v 6 8 经过换算可得 出由垂度和变形 决定的折算弹 性模量 1 2 S3 q 7 式中，S为所考查的胶带平均张力； q 输送 带线密度，k g ． m～ ； q d为物料线密度 ，k g ． q 0 为单位载荷在胶带承载分支上 q 0 q 在空载 分支上 q o q d z 为托辊组间距；E o 为胶带的纵向 维普资讯 增刊 许丹等带式输送机动态分析系统的设计与实现 2 2 9 图 1 胶 带在托辊之 间的挠 曲形状 F i g ． 1 d e fl e c t i o n p r o f i l e o f t h e a d h e s i v e t a p e 动力弹性模量， E 8 由于折算弹性模量考虑 了带宽因素，并且折算 弹性模量只间考虑 了一组托辊间的情况，因此折算 的刚度系数和粘性阻尼系数计算式应作如下变化 8 1 ． 4 带式输送机系统动力学方程的求解 将带式输送机离散体动力微分方程 写成矩 阵 的形式可得到 } 【c } } } f }⋯ 【 c } } 0 这是一个二阶常微分方程组，对它进行数值求 解 必须先求解系统 的特征 问题 ，要耗 费大量 的机 时，若将其做变换 料 一 r - 】 _ [ c 】 _ { F f 1 0 令 J J 并将其代入式 1 0 中，即可以得到 一 r - r [c r f 1 1 这样，就将一个对二阶常微分方程组 的求解问 题转化成 了对一阶常微分方程组的求解。 2 带式输送机动态分析系统的设计 2 ． 1 带式输送机动态分析系统的开发工具 本系统以 V i s a u l B a s i c进行系统前端开发，以 MA T L A B进行后端仿真 。 实践表明，编程 的昂贵部分主要是开发与调试 时间。而 V i s u a l B a s i c的开发周期之短超过 了其他 Wi n d o ws 开发语言，可大大降低开发成本。因此 ， 应用 Vis u a l B a s i c开发应用程序界面是现实而有意 义的。但是，V i s u a l B a s i c在图形处理上存在着明显 的不足 ，为此 ，本系统在设计 中采用 了将 V i s u a l B a s i c与绘图功能强大的 MA T L A B相结合的方法来 弥补这一缺憾 。 2 ． 2 带式输送机动态分析系统 的结构 本系统设计按照功能调用 的关系 控制流 进 行模块划分，设置一个主模块，主模块通过调用关 系将各处理模块组织起来 。 将功能划分成相对独立的形式，使每个功能模 块可以独立地被理解 、编码、测试、排错或修改， 这大大简化了复杂的软件开发工作。同时，也有效 地防止了错误在模块之间的扩散蔓延 ，从而提高了 系统 的可靠性 。 图 2即为系统 的核心模块之一，线路形态特征 的计算机 自动识别模块的设计【 2 】 图 2 线 路 形态 设 计 F i g ． 2 mo d a l i t y o f the r u n n i n g l i n e 3 动态分析系统的应用实例 软件设计完成后进行 了大量的测试工作 ，根据 已进行的测试，可以结论本系统对带式输送机系统 进行动态分析的结果是可靠的，但是，测试并不能 发现所有的错误 ，因为无论采用何种办法，都无法 完成 一个软件 系统 所有各种状态 的组合运行 ，因 此 ，“ 彻底的” 测试是不可能的。 由于不可预知状况的存在，本系统仍需在实践 中进行进一步的检验 。 3 ． 1 应用实例数据 实例条件 运输量 Q2 5 0 0t ／ h ； 带速 v 4 m ／ s 胶带型号 S T 3 1 5 0 ；带宽 B I 4 0 0 n l i n ；弹性模量 E 2 ． 2 4 x 1 0 8 ； 上托辊间距 L 1 ． 2 m 下托辊间距L x 3 维普资讯 2 3 0 辽宁工程技术大学学报 增 刊 m；上托辊回转部分质量 q r s 3 0 k g ／ m；下托辊回转 部分质量 q T x 1 1 k g ／ m；拉紧装置的初拉力 F o 2 4 5 2 5 0 N； 驱动滚筒质量 8 8 0 0 k g ，直径 1 4 0 0 mr f l ；拉 紧滚筒质量 3 5 0 0 k g ，直径 1 0 0 0 mr f l 。 工作条件 温度正常，灰尘不大，设备质量一 般条件 1 具有预起动的起动工况 ，重载，可控起 动 起动曲线为反 S形 ， R K4算法，仿真时间 O ～ 1 5 0 S 部分仿真结果如图 3 、图 4 。 图 3 改 向滚 筒 处 的时 间 一速 度 曲线 F i g ． 3 t i me v e l o c i t y C U l V e o f b e n d p u l l e y 图 4 动 张 力 三维 曲面 F i g ．4 c u r v e d s u rfa c e o f d y n a mi c t e n s i l e f o r c e 4 结 论 本设计采用胶带粘弹性力学模型一V 0 g i t 模型， 用离散体动 力模 型法建 立带式输送机 的系统动力 学模型，并在此基础之上开发出带式输送机动态分 析系统。该系统能够对不同工况下的输送机动态特 性进行仿真， 得出相对精确 的数值解 ， 实现了 V i s u a l Ba s i c与 Ma u a b的有机结合。 由于作者的能力有限， 系统在自动建立带式输送机系统状态方程方面还 存在着一些不足之处，有待进一步的完善。 参考文献 【 1 】毛君， 解本铭， 孙国敏． 带式输送机动态设计理论与应用口 咽． 沈阳 辽宁 科学技术出版社。 1 9 9 6 ． [2 ]许丹． 带式输送机动态分析软件开发ID] ．阜新 辽宁工程技术大学， 机械 工程学院。2 0 0 4 ． 【 3 】陈 艳， 计算机模拟技术在带式输送机系统设计中的应用啪． 煤矿机 械。 2 0 0 4 1 0 6 2 - 6 3 ． 【 4 】张媛， 周满山， 于岩． 长距离带式输送机动态特性仿真分析m． 矿山机 械，2 0 0 5 8 8 1 8 3 ． 【5 】宋伟刚， 王丹．7 6 k m 长距离带式输送机系统动力学的计算机仿真啪．煤 炭学报,2 0 0 4 。2 9 4 2 5 0 - 2 5 3 ． 【 6 】魏晓华， 毛 君 ． 刮板 输送机 动态设计 软件 的开发【 J 】 _ 煤矿机械 ， 2 0 0 2 1 2 2 3 2 5 ． 维普资讯