織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶的固有特性分析

王 偉，梁清香，張 釗

（太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原030024）

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織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶的固有特性分析

王 偉，梁清香，張 釗

（太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原030024）

摘 要：以織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶為研究對(duì)象，利用ansys軟件對(duì)其進(jìn)行固有特性分析，得到托輥間距、預(yù)緊力、載重物體質(zhì)量密度對(duì)輸送帶固有頻率影響的規(guī)律。研究表明：①織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶的模態(tài)與其他輸送帶的模態(tài)基本相同；②托輥間距較小時(shí)，較小的預(yù)緊力對(duì)輸送帶前四階固有頻率的影響比較大；③預(yù)緊力較大時(shí)，較大的托輥間距對(duì)輸送帶前四階固有頻率的影響比較大；④物料質(zhì)量密度不大時(shí)，物料質(zhì)量密度對(duì)輸送帶前四階固有頻率的影響比較大。研究結(jié)果可為該類輸送帶的應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶；固有特性；有限元；ANSYS

織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶材料作為一種柔性的涂層織物，具有非線性、大變形、高度粘彈性等特性，需要在外加張力的作用下，才能承受外加荷載并保持一定的剛度，這些力學(xué)特性均給織物增強(qiáng)輕型輸送帶的設(shè)計(jì)、力學(xué)性能分析及應(yīng)用帶來(lái)不少困難。一方面理想化的假設(shè)使其在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了不可避免的偏差，另一方面，由于不能準(zhǔn)確地把握其在復(fù)雜載荷、復(fù)雜工況下的力學(xué)性能，造成強(qiáng)度利用率低或使用壽命的縮短。因此對(duì)織物芯輕型輸送帶的力學(xué)性能開展研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

輸送帶動(dòng)態(tài)特性的研究與應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注［1］，但到目前為止，對(duì)織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶的研究較少，且主要是對(duì)其拉伸力學(xué)性能的研究，導(dǎo)致了對(duì)織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶的動(dòng)態(tài)特性的掌握仍顯不足。因此對(duì)其進(jìn)行固有特性研究，了解影響此類輸送帶固有特性的敏感因素，將為該類輸送帶的應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

1 分析對(duì)象

選擇青島橡膠六廠生產(chǎn)的織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶為分析對(duì)象。輸送帶長(zhǎng)200 m，寬5 m，由三層抗拉體組成，上下表面各涂一層覆蓋膠［2］。上覆蓋層、三層抗拉體、下覆蓋層厚度分別為4.5 mm、1.5 mm、1.5 mm、1.5 mm、3 mm.抗拉體為尼龍材料，覆蓋層為橡膠材料。輸送帶水平放置，分為上下兩部分，滾筒直徑為640 mm.

本文對(duì)影響輸送帶固有特性的三方面因素進(jìn)行分析：托輥間距、預(yù)緊力、載重物體質(zhì)量密度。

2 輸送帶模態(tài)分析

橡膠彈性模量為7.84 MPa，泊松比0.47，質(zhì)量密度1350 kg/ m3.尼龍彈性模量為2.83 GPa，泊松比0.4，質(zhì)量密度1140 kg/ m3.輸送帶自重產(chǎn)生的懸垂度對(duì)其彈性模量有較大影響，水平輸送帶的等效彈性模量計(jì)算公式為［3］：

式中E為等效彈性模量，EB為膠帶單位寬度上的彈性模量，q為輸送帶單位長(zhǎng)度值重量，q0為物料單位長(zhǎng)度質(zhì)量，l為托輥間距，B為輸送帶寬度，T為預(yù)緊力［4］。輸送帶共五層，每層預(yù)緊力設(shè)定為總預(yù)緊力的1/5.

ansys中輸送帶選用的單元類型為shell99［5］，載荷采用的單元類型為solid45，在托輥處與滾筒處均施加限制法向的約束，由于需對(duì)輸送帶進(jìn)行多次模擬分析，故采用ansys二次開發(fā)語(yǔ)言APDL［6］進(jìn)行建模，設(shè)定分析4階模態(tài)。圖1為輸送帶整體有限元分析模型，圖2為輸送帶在滾動(dòng)處的局部有限元分析模型。

圖1 輸送帶整體有限元分析模型Fig.1 Finite element analysis model of the belt

圖2 輸送帶在滾動(dòng)處的局部有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model at conveyor belt roll

3 模態(tài)分析結(jié)果

3.1 模態(tài)響應(yīng)

設(shè)定輸送帶托輥間距為1.5 m，預(yù)緊力為50 kN，空載時(shí)輸送帶前4階模態(tài)如圖3～圖6所示。

圖3 一階模態(tài)響應(yīng)Fig.3 The first order mode response

圖4 二階模態(tài)響應(yīng)Fig.4 The second order mode response

圖5 三階模態(tài)響應(yīng)Fig.5 The third-order modal response

圖6 四階模態(tài)響應(yīng)Fig.6 The fourth-order modal response

由此可見，織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶的模態(tài)與其他輸送帶的模態(tài)［7］基本相同。

3.2 托輥間距、預(yù)緊力對(duì)輸送帶固有頻率影響

改變托輥間距和預(yù)緊力，得到空載時(shí)不同托輥間距和預(yù)緊力時(shí)輸送帶前4階固有頻率值，列于表1.圖7～圖9為托輥間距分別為0.5 m、1 m、1.5 m時(shí)隨預(yù)緊力增加前4階固有頻率的變化曲線，圖10～圖13為預(yù)緊力分別為50 kN、100 kN、150 kN、200 kN時(shí)隨托輥間距增加前4階固有頻率的變化曲線。

表1 不同托輥間距和預(yù)緊力的固有頻率分析結(jié)果Tab.1 Natural frequency analysis results of different roller spacing and preload

率/ Hz三階　四階 0.695 14 0.699 12 0.695 74 0.701 09 0.695 81 0.701 37 0.360 76 0.444 35 0.455 49 0.508 61 0.527 83 0.546 46 0.546 30 0.670 42 0.566 96 0.695 97 0.589 10 0.695 98 0.611 05 0.696 00 0.272 26 0.272 79 0.427 53 0.4320 40 0.497 28 0.513 57 0.530 24 0.594 16 0.546 58 0.695 96 0.564 26 0.695 97 0.582 75 0.695 98 0.159 34 0.196 48 0.226 21 0.305 12 0.313 05 0.416 48 0.392 54 0.515 29 150　 0.193 71 0.351 77 0.442 78 0.618 82 175　 0.215 27 0.371 50 0.467 59 0.695 85 200　 0.236 08 0.386 71 0.481 84 0.695 92

圖7 托輥間距為0.5 m，前4階固有頻率隨預(yù)力變化曲線Fig.7 Roller spacing of 0.5 m，the first four-order natural frequency with changing preload

由圖可見，托輥間距一定時(shí)，隨著預(yù)緊力的增加各階固有頻率增大；托輥間距較小時(shí)，較小的預(yù)緊力對(duì)固有頻率影響較大，較大的預(yù)緊力只對(duì)基頻有影響；托輥間距較大時(shí)，預(yù)緊力對(duì)各階固有頻率影響均較大；預(yù)緊力一定時(shí)，隨著托輥間距增加各階固有頻率減?。粺o(wú)論預(yù)緊力大小如何，托輥間距對(duì)各階固有頻率影響均較大，對(duì)基頻的影響較小，對(duì)高階頻率的影響較大。

圖8 托輥間距為1 m，前4階固有頻率隨預(yù)緊力變化曲線Fig.8 Idler spacing of 1 m，the first four-order natural frequency with changing preload

圖9 托輥間距為1.75 m，前4階固有頻率隨預(yù)緊力變化曲線Fig.9 Idler spacing of 1.75 m，the first four-order natural frequency with changing preload

圖10 預(yù)緊力為50 kN，前4階固有頻率隨托輥間距變化曲線Fig.10 Preload 50 kN，the first four-order natural frequency with changing roller spacing

圖11 預(yù)緊力為100 kN，前4階固有頻率隨托輥間距變化曲線Fig.11 Preload 100 kN，the first four-order natural frequency with changing roller spacing

圖12 預(yù)緊力為150 kN，前4階固有頻率隨托輥間距變化曲線Fig.12 reload 150 kN，the first four-order natural frequency with changing roller spacing

圖13 預(yù)緊力為200 kN，前4階固有頻率隨托輥間距變化曲線Fig.13 Preload 200 kN，the first four-order natural frequency with changing roller spacing

3.3 物料質(zhì)量密度對(duì)固有頻率的影響

設(shè)定輸送帶托輥間距為1.5 m，預(yù)緊力為50 kN，改變物料的密度，得到不同物料質(zhì)量密度情況下，輸送帶前4階固有頻率值，圖14為輸送帶前4階固有頻率的變化曲線。

由圖14可見，隨著物料質(zhì)量密度增加，輸送帶前4階固有頻率減小；物料質(zhì)量密度較小時(shí)固有頻率減小幅度較大，物料質(zhì)量密度較大時(shí)影響逐漸減??；越高階的頻率受物料質(zhì)量密度影響越大。

圖14 前4階固有頻率隨物料質(zhì)量密度變化曲線Fig.14 he first four-order natural frequencies with changing mass density

4 結(jié)論

通過(guò)本文的數(shù)值分析，得出如下結(jié)論：

（1）織物芯增強(qiáng)輕型輸送帶的模態(tài)與其他輸送帶的模態(tài)基本相同；

（2）托輥間距較小時(shí)，較小的預(yù)緊力對(duì)固有頻率影響較大，較大的預(yù)緊力只對(duì)基頻有影響，因此增加預(yù)緊力必須關(guān)注基頻；托輥間距較大時(shí)，預(yù)緊力對(duì)固有頻率影響均較大，因此此時(shí)增加預(yù)緊力應(yīng)關(guān)注各階頻率的變化；

（3）無(wú)論預(yù)緊力大小如何，托輥間距對(duì)各階固有頻率均有影響，但對(duì)基頻的影響較小，對(duì)高階頻率的影響較大，因此預(yù)緊力一定時(shí)，改變托輥間距應(yīng)關(guān)注各階頻率，尤其是高階頻率；

（4）越高階的頻率受物料質(zhì)量密度影響越大；物料質(zhì)量密度不大時(shí)，它對(duì)輸送帶前四階固有頻率有較大影響。

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Inherent Characteristics Analysis of Fabric Core Reinforced Light Conveyor Belt

WANG wei，LIANG Qing-xiang，ZHANG zhao
（School of Applied Science，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：The natural frequency of the core fabric-reinforced light conveyor belt was studied by using ANSYS software，and the law of the influence of the distance between the rollers，the preload and the mass density of load on natural frequency of the conveyor belt was obtained.The results show that：①the modal of the core fabric-reinforced light conveyor belt is basically the same as those of other belts；②the smaller preload has more influence on the former four-order natural frequency of belt when the distance between the rollers is smaller；③the larger distance between the rollers has more influence on the former four-order inherent frequency of belt when the preload is larger；④the mass density has more influence on the former four-order inherent frequency of belt when it is not large.The above results can provide valuable reference for the application of such kind of conveyor belt.

Key words：core fabric-reinforced light conveyor belt，inherent characteristics，finite element，ANSYS

中圖分類號(hào)：TE972

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/ j.issn.1673 -2057.2016.03.015

文章編號(hào)：1673 -2057（2016）03 -0238 -05

收稿日期：2015-07-15

作者簡(jiǎn)介：王偉（1989 -），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣こ虇?wèn)題的數(shù)值解法與優(yōu)化設(shè)計(jì)。