基于ADAMS的帶式輸送機輸送帶動特性仿真分析

賀金虎，廉自生

HE Jin-hu，LIAN Zi-sheng

（太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，太原 030024）

0 引言

在以往用ADAMS軟件對帶式輸送機動特性分析中，都將輸送帶的模型建立為剛體或者部分是剛體以及柔性體或部分為柔性體，這兩種方式都可以較為準(zhǔn)確的模擬帶式輸送機的動特性，但是二者的優(yōu)劣還沒有經(jīng)行過比較。本文將對較為早出現(xiàn)的ADAMS中輸送帶不同的建模方式，在同一工況下即啟動工況下進行仿真分析，得出更適合的輸送帶建模方式。且新的ADAMS版本剛?cè)峤佑|已經(jīng)不需要再添加啞物體，這更能方便的利用ADAMS軟件對帶式輸送機輸送機輸送到動特性進行仿真。

1 ADAMS中輸送帶模型的建立

1）剛體和柔性體簡介：在任何力的作用下，體積和形狀都不發(fā)生改變的物體叫做剛體(Rigid body)。在物理學(xué)內(nèi)，理想的剛體是一個固體的，尺寸值有限的，形變情況可以被忽略的物體。不論有否受力，在剛體內(nèi)任意兩點的距離都不會改變。在運動中，剛體上任意一條直線在各個時刻的位置都保持平行。而柔性體是相對于剛體的概念，它強調(diào)了可變形性，至于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以是線彈性，也可以是粘彈性或者彈塑性等。且柔性體包括了彈性體。

2）如何建立輸送到模型：實際情況中輸送帶由三個部分構(gòu)成覆蓋層，帶芯，隔離層。而根據(jù)覆蓋層和帶芯的材料不同，輸送帶可分為橡膠輸送帶、塑料輸送帶、尼龍輸送帶等。從輸送帶的材料可以看出，輸送帶應(yīng)該當(dāng)作柔性體來處理。在ADAMS中，柔性體有兩種建模方法：第1種是將帶劃分為很多的剛性體小塊，并且在各個剛性體小塊之間施加約束bushing，用這種方法來擬合帶的變形以及柔性，這種方法類似于有限元思路即輸送帶整體是柔性，部分為剛性，然后在部分之間施加柔性連接，從而使得整體變?yōu)槿嵝裕坏?種方法是將輸送帶劃分成很多的柔性體小塊，然后再在帶塊間加以bushing。這種方法使輸送帶部分變成柔性，再在部分之間添加柔性連接，從而使整體也成為柔性。而其中的柔性體小塊可以用兩種方式可以解決：1）離散性方式：利用ADAMS自帶的Auto-flex，可以解決一些簡單的柔性體轉(zhuǎn)換，如一些梁，柱之類；2）模態(tài)性方式：利用有限元軟件做出模態(tài)中性MNF文件，然后再導(dǎo)入到ADAMS中替換相對應(yīng)的剛性體。本文中柔性小塊的建立是利用的第二種方式。

2 總體帶式輸送機模型的建立

1）帶式輸送機模型的簡化

根據(jù)目前的研究，將輸送帶視作粘彈性體則更能接近實際情況，尤其是對于長距大運量高速輸送帶來說，帶的粘彈性特性表現(xiàn)的更加突出（如帶的蠕變、松弛和動特性等粘彈性特征），以至于不能忽略，對帶的正常運行產(chǎn)生足夠明顯的影響。由于帶寬和帶厚方向相對于帶長方向（帶的運行方向）的尺度很小，即帶長方向是主要尺度方向。而帶式輸送機作為一個系統(tǒng)主要包括：輸送帶、驅(qū)動滾筒、張緊機構(gòu)以及其他改向和輔助機構(gòu)。其中輸送帶是直接與物料接觸實現(xiàn)運輸?shù)模渌麢C構(gòu)都可以看作是為了使帶長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)起來所提供的外圍輔助機構(gòu)（假設(shè)輸送帶可以自行連續(xù)回轉(zhuǎn)，在其他機構(gòu)都可省去），因此關(guān)鍵研究對象應(yīng)為輸送帶。且將帶看作是柔性體，其他部件都可以視為剛體。為使本模型中張緊機構(gòu)處的滾筒能夠?qū)崿F(xiàn)移動以及轉(zhuǎn)動，可以使此處模型轉(zhuǎn)化為一個圓柱體以及一個處于圓柱體中心出的一個轉(zhuǎn)動軸。簡化后布置方式如圖1所示。

圖1 帶式輸送機布置方式

2）參數(shù)的設(shè)置

帶式輸送機ADAMS模型尺寸及參數(shù)的確定：簡化后的帶式輸送機的總機簡化幾何模型只包含尾部驅(qū)動滾筒、張緊機構(gòu)處滾筒、軸及輸送帶。具體參數(shù)如下：驅(qū)動滾筒各改向滾筒直徑分別為112mm，總長380張緊機構(gòu)處滾筒直徑為108mm,總長320與此滾筒嚙合的軸的直徑為25，總長為380且材料均為剛性材料，帶式輸送機輸送長度3000mm，輸送帶寬度300mm，驅(qū)動滾筒、張緊滾筒、托輥與輸送帶的摩擦因數(shù)0.3。輸送帶初始拉緊力5KN，恒力拉緊，啟動時間8s、正常運行時間10s.輸送帶穩(wěn)定運行后的速度為1m/s,根據(jù)以上參數(shù)建立的帶式輸送機虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 帶式輸送機虛擬樣機模型

3）在ADAMS中建模與仿真流程

1）剛性體的輸送帶建模流程：建立滾筒模型—用宏命令定義帶塊—在帶塊之間時間bushing—在各個帶塊與各個滾筒間之間施加接觸約束contact（solid to slid）—施加約束（在除張緊機構(gòu)處，滾筒與軸處施加旋轉(zhuǎn)副，在軸上添加移動副，在其他滾筒處與地面施加旋轉(zhuǎn)副）—施加驅(qū)動（利用step函數(shù)，且采用恒加速度啟動）—仿真—得出結(jié)果并進行后處理。

2）柔性體的輸送帶建模流程：建立滾筒模型—用宏命令定義帶塊—導(dǎo)入帶塊模態(tài)中性文件，并且替換—在帶塊之間時間bushing—在各個帶塊與各個滾筒間之間施加接觸約束contact（flex to slid）—施加約束（在除張緊機構(gòu)處，滾筒與軸處施加旋轉(zhuǎn)副，在軸上添加移動副，在其他滾筒處與地面施加旋轉(zhuǎn)副）—施加驅(qū)動（利用step函數(shù)，且采用恒加速度啟動）—仿真—得出結(jié)果并進行后處理。

添加完約束等模型如圖3所示。

圖3 加完約束，接觸之后的帶式輸送機模型

4）測量機頭駛?cè)朦c處張力

因為輸送帶模型是由很多的帶塊以bushing連接所建成的，所以可以用bushing的力來模擬輸送帶的動張力。而驅(qū)動滾筒處駛?cè)朦c處的動張力可以由距其最近的bushing力來模擬。當(dāng)bushing超過驅(qū)動滾筒駛?cè)朦c處的時候，換下一個距駛?cè)朦c最近的bushing來模擬，然后把各個時間點記錄。在ADAMS后處理中輸出各個時間點的bushing力曲線，輸入到EXCEL中，把各個時間點bushing曲線擬合到一起就是駛?cè)朦c處動張力曲線。

3 仿真結(jié)果對比

仿真結(jié)果分析如下：

圖4 驅(qū)動滾筒駛?cè)朦c示意圖

圖5 剛性帶塊方式動張力曲線

圖6 柔性帶塊方式動張力曲線

圖5和圖6表示不同帶塊建模方式下，帶式輸送機啟動時，其驅(qū)動滾筒駛?cè)朦c出動張力的變化曲線。可以看出，兩種方式都是4秒左右達到峰值25.5kN，8秒之后達逐步恢復(fù)到平穩(wěn)值，這是因為初始輸送帶跟著滾筒一起轉(zhuǎn)動，二者之間是靜摩擦，兩者之間沒有相對速度。當(dāng)某一時刻后,兩者產(chǎn)生動摩擦,兩者會存在相對速度。由靜摩擦轉(zhuǎn)到動摩擦，摩擦力反而會突然減小。所以4s的峰值就是在這一瞬間產(chǎn)生的。只是，剛性帶塊在啟動工況下的動張力的波動更大，在達到平穩(wěn)后，仍然會有一些較大的波動，這是因為剛性帶塊之間的碰撞所造成的，這是無法避免的且這是這種方法最大的弊端。而柔性帶塊在運行后，波動較小，較為平穩(wěn)，更適合對帶式輸送機進行動力學(xué)分析。

觀測兩張力曲線。可以得出結(jié)果柔性帶塊仿真出來的曲線較為平滑，更接近與皮帶機啟動的情形。更適合用，更準(zhǔn)確的對帶式輸送機的動態(tài)特性進行分析。

4 結(jié)論

1）利用ADAMS軟件對帶式輸送機進行動特性分析是有效而且方便的。

2）利用柔性帶塊擬合建立輸送帶模型比用剛性帶塊擬合建立輸送帶模型較為準(zhǔn)確，較能準(zhǔn)確的仿真分析帶式輸送機的動特性。

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