带式输送机动态分析系统的设计与实现

0
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。
063012;3.青岛前湾集装箱码头有限责任公司）
（1.山东科技大学 机电学院,山东 青岛 266510;2.天地科技股份有限公司 唐山分公司,河北 唐山
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 Visual Basic 和 Matlab 为工具，设计出了带式输送机动态分析系统。该系统可计算不工况下运行的带式输 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。
&&1 +k1(x1 −x2 ) +c1(x &1 −x &2 ) +kn−1(x1 −xn−1) +cn−1(xn−1 −x1) = F1(t)⎫ m 1x &2+k2 (x2 −x3 ) +c2 (x &2 −x &3 ) +k1(x2 −x1) +c1(x2−x1) = F2 (t) ⎪ m2& x ⎪ &3 +k3 (x3 −x4 ) +c3 (x &3 −x &4 ) +k2 (x3 −x2 ) +c2 (x3 −x2 ) = F3(t) ⎪ m3& x ⎪ M ⎪ &n−4 +kn−4 (xn−4 −xn−3 ) +cn−4 (x &x−4 −xn−3) + mn−4& x ⎪（1） ⎪ &n−4 −x &n−5 ) +cn−5 (x &n−4 −x &n−5 ) = Fn−4 (t) kn−5 (x ⎪ &n−3 +kn−3(xn−3 −xn−2 −xn ) +cn−3(x &n−3 −x &n−2 −x &n ) + mn−3& x ⎪ ⎬ kn−4 (xn−3 −xn−4 ) +cn−4 (xn−3 −xn−4 ) = Fn−3 (t) ⎪ &n−2 +kn−2 (xn−2 −xn−1 −xn ) +cn−2 (xn−2 −xn−1 −xn ) + mn−2& x ⎪ ⎪ kn−3(xn−2 −xn−3 +xn ) +cn−3 (xn−2 −xn−3 + xn ) =0 ⎪ &n−1 +kn−1(xn−1 −x1) +cn−1(x &n−1 −x &1) + mn−1& x ⎪ ⎪ kn−2 (xn−1 −xn−2 +xn ) +cn−2 (xn−1 −xn−2 + xn ) = Fn−1(t) ⎪ &n +kn−2 (xn−2 −xn−1 −xn ) +cn−2 (x &n−2 −x &n−1 −x &n ) + mn& x ⎪ ⎪ &n−2 + x &n −x &n−3) +cn−3(x &n−2 +x &n −x &n−3) =0 kn−3(x ⎭
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 mi 1)重载段 （2） qd 为输送带线密度，kg•m-1；q 为物料线密度， kg•m-1； ql 重为重载段托辊组旋转线密度, kg•m-1； l 重为重载段节点间距，m。 2)空载段 （3） qd 为输送带线密度，kg•m-1； ql 空为空载段托 辊组旋转线密度，kg•m-1；l 空空载段节点间距，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。 4J m= 2 （4） D m 为相应的旋转部件质量；J 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
收稿日期：2006-03-10 作者简介：许 丹（1979-） ，女，辽宁 新民人，硕士研究生，助教，主要从事机械 CAD 及仿真技术研究。本文编校：焦 丽
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辽宁工程技术大学学报 1.3 动力学方程参数的确定
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算机实现。 1.2 1.2.1 带式输送机系统动力学方程 力学模型
第 25 卷增 刊 Vol.25 Suppl.
文章编号：1008-0562(2006)增刊-0227-04
辽宁工程技术大学学报 Journal of Liaoning Technical University
2006 年 6 月 Jun. 2006
带式输送机动态分析系统的设计与实现
许
摘
丹 1，阚晓平 2，孙爱芹 1,刘洋 3
关键词：带式输送机；动态分析；仿真 中图分类号：TH 222 文献标识码： A
Design of a simulation system of dynamic analysis of belt conveyor
XU Dan, KAN Xiao-pin, SUN Ai-qin (1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China;2.Tang Shan Branch of Tiandi Science & Technology Co.Ltd,Tan shan 063012, China;3.Qingdao Qianwan Container Terminal Co.Ltd ) Abstract：In order to make the process of dynamic analysis of belt conveyer system more succinct , practical, and suitable for the masses' needs, this paper attempts to set up the dynamics model of belt conveyer with numerical method, and then,based on this model, with Visual Basic and Matlab as tools , a system is designed to help to carry out the dynamic analysis of belt conveyer. This system can calculate the dynamics parameters of belt conveyer under different working conditions, and have realized the visualization of those parameters. It is proved that the system can simulate the longitudinal direction dynamic characteristic of belt conveyor preferably Key words：belt conveyor；dynamic analysis；simulate
EB ⎫ li ⎪ ⎪ EBτ ⎬ ⎪ ci = li ⎪ ⎭ ki =
（5）
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
(qd + q) x 2 （6） 8S 经过换算可得出由垂度和变形决定的折算弹 性模量 y=
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
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。
1.4 带式输送机系统动力学方程的求解
（8）
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]：
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的。 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
12 S 3 （7） 12 S 2 2 ' 2 q0 (l p ) + E0 式中，S 为所考查的胶带平均张力； qd—输送 带线密度，kg•m-1； qd 为物料线密度，kg•m-1；q0 为单位载荷：在胶带承载分支上 q0=qd+q；在空载 ' 分支上 q0=qd； l p 为托辊组间距；E0 为胶带的纵向 Enp =
m轻 = （q d + ql空） × l空
m重 = （q d + q + ql重） × l重
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 vogit 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 Vogit 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[1]。 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。
Fig.1 deflection profile of the adhesive tape
动力弹性模量，E0=EB 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：
Enp ⎫ li ⎪ ⎪ l 'p ⎪ Enpτ ⎬ ⎪ ci = li ⎪ l 'p ⎪ ⎭ ki =
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许
丹等：带式输送机动态分析系统的设Fra bibliotek与实现s
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lp Ln
义的。但是，Visual Basic 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 Visual Basic 与绘图功能强大的 MATLAB 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
图1
胶带在托辊之间的挠曲形状
itisprovedthatthesystemcansimulatethelongitudinaldirectiondynamiccharacteristicofbeltconveyorpreferablykeywordsbeltconveyordynamicanalysissimulate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鉴于输送带纵向振动理论是带式输送机动态可以满足设计的精度要求的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11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辽宁工程技术大学学报增刊228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数值方法将含有偏导数的方程用含有时间变因而有时很难得到解析解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算机实现12带式输送机系统动力学方程121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