帶式輸送機虛擬樣機建模及打滑仿真研究

伊國臣

（山西汾西正城煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 032300）

引言

帶式輸送機打滑是該系統(tǒng)在運行中不可回避的難題，因為打滑不僅會造成輸送皮帶磨損嚴重、產(chǎn)生噪音、降低應(yīng)用輸送機單位的生產(chǎn)效率，甚至在打滑嚴重時還會引起嚴重的火災(zāi)事故。然而，因此如何有效減輕甚至避免打滑已經(jīng)成了輸送機領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)弱點。因此，本文重點研究帶式輸送機的打滑問題。

1 虛擬樣機技術(shù)簡介

人們運用虛擬樣機技術(shù)可以從20世紀80年代初說起，該技術(shù)是把有限元技術(shù)與計算機技術(shù)二者有機的結(jié)合起來，在計算機系統(tǒng)中建造出需要的模型，并充分考慮建造的模型在實踐生產(chǎn)應(yīng)用中的工況然后對其進行仿真，最后仿真出的結(jié)果可以預(yù)測出該模型實物的未來性能，進而相關(guān)技術(shù)人員對其存在的不足性能進行改進。虛擬樣機技術(shù)不僅能在虛擬的條件下仿真出模型實物的受力情況與運動情況，還能模擬或者預(yù)測物理樣機難以模擬的環(huán)境，能高效、快速的對設(shè)計人員構(gòu)思出來的各種方案進行模擬仿真。虛擬樣機技術(shù)不僅僅用在設(shè)計階段，其可以貫穿產(chǎn)品設(shè)計始終。

韓國FunctionBay公司基于多柔體動力學(xué)技術(shù)開發(fā)的RecurDyn軟件可以大范圍的解決柔性體與剛形體、剛形體與柔性體、大變形等接觸類的復(fù)雜問題。該軟件在計算過程中求解的穩(wěn)定性超強、計算速度快使其有效地解決相關(guān)機構(gòu)接觸碰撞類難題，在一定程度上拓寬了RecurDyn軟件的應(yīng)用范圍。本文主要對帶式輸送機打滑進行仿真，因此首要考慮的是驅(qū)動滾筒與輸送帶二者之間相互接觸的問題。由于輸送帶的粘彈性，用一般的剛體模型去模擬仿真其肯定不能較真實的反映輸送機系統(tǒng)的打滑行為，會產(chǎn)生很大的誤差。只有利用剛性體與柔性體有機結(jié)合的方法對輸送機系統(tǒng)進行模擬仿真，才能較為準確的仿真出輸送機的打滑。而利用相對坐標(biāo)系運動方程理論與完全遞歸算法相結(jié)合的RecurDyn軟件內(nèi)還有帶模型模塊，使得利用該軟件建立帶式輸送機的虛擬樣機模型并來模擬帶式輸送機的打滑行為變得較簡單容易[1]。

2 帶式輸送機虛擬樣機建模

目前，在我國常見到的帶式輸送機一般是由輸送皮帶、改向及驅(qū)動滾筒、機架、托輥及皮帶張緊裝置。如果按照帶式輸送機的實際模型在RecurDyn中來建虛擬樣機的模型，在對其仿真時不僅會使計算繁復(fù)增大計算機的計算量，而且還會使大部分情況得不到仿真結(jié)果。因此在對帶式輸送機建立其虛擬樣機時，對其系統(tǒng)進行一些適當(dāng)?shù)暮喕怯斜匾摹?/p>

因此本文將充分考慮帶式輸送機的運行方式，把對輸送機打滑的一些非影響因素進行忽略簡化，可以通過在建模時刪減掉復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件、適量減少輸送帶及輸送機的長度，然后通過在軟件上對輸送機的相關(guān)屬性及參數(shù)進行設(shè)置修改來彌補。在帶式輸送機上，因為驅(qū)動及改向滾筒、托輥、機架這些構(gòu)件的剛度遠大于輸送帶的剛度，在輸送機系統(tǒng)上他們的變形可以看成忽略不計算，因此在建立虛擬樣機的時候可以不考慮這些構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

RecurDyn軟件上含有設(shè)置的參數(shù)化其可以應(yīng)用在多種行業(yè)的工具包，本文將要建立的帶式輸送機可以利用軟件中參數(shù)化的Belt模塊，該模塊內(nèi)含有輸送機系統(tǒng)中各構(gòu)件的子模塊，因此可以便捷、準確的建立帶式輸送機虛擬樣機。

本文結(jié)合某礦實際圖紙，對其輸送機系統(tǒng)進行簡化，然后對帶式輸送機虛擬樣機建模采用如下步驟：

1）在計算機上開啟RecurDyn軟件，然后對其進行重力方向的設(shè)置，下一步對單位制進行設(shè)值，本文單位制設(shè)置為MMKS。

2）按照某礦圖紙的設(shè)計參數(shù)進行建模，在Belt子模塊中挑選出相應(yīng)的輸送機系統(tǒng)部件，然后對該輸送機系統(tǒng)設(shè)置重錘張緊，最后對輸送帶通過Segment Assembly進行組合連接。

建立好后的帶式輸送機虛擬樣機如圖1所示，其主要尺寸有：輸送帶長100 m，寬度為0.9 m，帶厚13.8 mm；輸送機整機長35 m；托輥的直徑為108 mm；驅(qū)動滾筒的直徑為1.2 m；采用單滾筒來對帶式輸送機進行傳動。

圖1 帶式輸送機虛擬樣機

3 帶式輸送機打滑仿真

3.1 對虛擬樣機進行約束

在對帶式輸送機虛擬樣機建完模以后，要想對其系統(tǒng)進行仿真，必須對該系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接通過約束副關(guān)系來定義彼此之間的運動。

3.1.1 對虛擬樣機的運動副進行定義

對帶式輸送機進行仿真，對其虛擬樣機的運動主要關(guān)注的有：輸送帶在滾筒或托輥之間的轉(zhuǎn)動及滾筒或托輥之間的自轉(zhuǎn)。在對帶式輸送機建立虛擬樣機完成后，RecurDyn軟件已經(jīng)對輸送帶與托輥或滾筒間的運動副完成了定義，因此現(xiàn)在只需對滾筒或托輥之間的自轉(zhuǎn)的運動副來定義就好。本文，對于滾筒或托輥之間的自轉(zhuǎn)用轉(zhuǎn)動運動副來定義。

3.1.2 對帶式輸送機虛擬樣機驅(qū)動的定義

在RecurDyn軟件中，只有對虛擬樣機的驅(qū)動完成定義后，才能使帶式輸送機虛擬樣機按照一定的方式來進行運行。本文在對帶式輸送機虛擬樣機驅(qū)動的定義主要通過對運行托輥及傳動滾筒添加轉(zhuǎn)動副來進行定義。

3.1.3 在虛擬樣機系統(tǒng)上布置傳感器

RecurDyn軟件上具有豐富的傳感器功能，為了研究帶式輸送機的打滑，本文在帶式輸送機虛擬樣機上分布定義傳感器來實時監(jiān)測輸送機的運行狀況，進而來觀測其的打滑行為。

按照上述對帶式輸送機虛擬樣機的約束，完成定義后，就可以對帶式輸送機的打滑進行仿真，完成約束定義后的虛擬樣機如圖2所示。

3.2 帶式輸送機系統(tǒng)進行仿真

圖2 完成約束定義后的虛擬樣機

為了便于觀察虛擬樣機的打滑，本文對驅(qū)動滾筒的驅(qū)動定義為角加速度為固定值的轉(zhuǎn)動，設(shè)置角加速度的值為1.06 r/s2，仿真時間定義為7 s，步數(shù)設(shè)定為400，然后開始對其進行仿真，仿真完成后，利用布置的速度傳感器分別實時測量輸送帶與驅(qū)動滾筒的旋轉(zhuǎn)角速度，監(jiān)測及仿真結(jié)果如圖3所示，其中橫軸X為仿真時間，縱軸Y為角速度，紅色線為輸送帶的角速度，黑色線為傳動滾筒的角速度。

圖3 虛擬樣機仿真結(jié)果

4 仿真結(jié)果分析

1）在0～4.1 s這個時間段內(nèi)，輸送帶與傳動滾筒的角速度基本一致，只是輸送帶的角速度在傳動滾筒角速度的大小上上下波動，這是由于帶式輸送機的輸送帶的粘彈性，在輸送機運行過程中輸送帶有彈性滑動，這種彈性滑動是客觀存在且，不可避免的。

2）在4.1 s以后，輸送帶的角速度線與傳動滾筒的角速度線突然相差很大，這個時間點就是帶式輸送機開始打滑的時間點。

3）在4.1～7 s這個時間內(nèi)，由于傳動滾筒所能傳遞的力滿足不了輸送機系統(tǒng)的阻力，此時帶式輸送機一直在打滑。

4）通過上述分析可以得出，本文仿真得出的帶式輸送機打滑結(jié)果與實際工況上的運動特性相吻合，因此可以得出Recurdyn軟件可以很好地用來研究帶式輸送機打滑問題；進而也能得出本文建立的帶式輸送機虛擬樣機也是正確的[2]。