新疆紅棗檢測輸送裝置的減振機理研究

張靈通，李壽寧，羅雪寧

(塔里木大學 a.水利與建筑工程學院；b.機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾　843300)

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新疆紅棗檢測輸送裝置的減振機理研究

張靈通a，李壽寧a，羅雪寧b

(塔里木大學 a.水利與建筑工程學院；b.機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾843300)

摘要：利用近紅外光譜技術連續檢測紅棗品質時，需要輸送裝置穩定地將紅棗輸送至采樣點進行光譜采集。針對現階段市場上大多輸送裝置都存在的多種樣式振動，利用振動力學理論得出動力及傳動部分各參數對振動影響的表達式，并分析各參數對輸送帶振動的影響效果，為輸送裝置的設計及定制提供理論依據。

關鍵詞：紅棗；輸送裝置；近紅外光譜；振動力學

0引言

隨著科技的發展，輸送帶已廣泛應用于人們的工作、生活中，如礦山、化工、物流、食品、醫藥及娛樂設施等行業。振動作為機械設備不可避免的特性，總會對輸送裝置運行穩定性及可靠性造成一定的影響[1-2]。

新疆紅棗由于獨特的種植氣候，具有皮薄肉厚、色澤鮮亮、純真香甜及含糖量高等特點，深受我國各地人士的喜愛。隨著生活品質的不斷提高，新疆紅棗分級越來越細，抽樣檢測效率低、檢測不具體等特點逐漸成為加工廠家的無奈。近年來，近紅外光譜無損檢測技術在紅棗品質檢測方面已有較成熟的研究，具有操作方便、檢測速度快等特點，并已向產業化方向發展；但這種檢測方式中承載紅棗進行檢測的一般為帶式輸送裝置，輸送裝置的振動對最終紅棗品質的檢測存在一定的影響。因此，對帶式輸送裝置振動機理進行研究，對新疆紅棗分級精準性和穩定性有著重大意義。

1紅棗檢測機構分析

輸送線布局大致相似，典型的有“一”字型、“U”字形和“∞”字型。其中，“U”字形和“∞”字型一般采取鏈傳動形式，運行振動較大，并且在彎道處還存在離心力，使用時一般需要對運載物體進行夾持；而“一”字型雖然功能單一，但結構簡單且大部分輸送帶還有較好的減振效果。近紅外光譜檢測紅棗品質要對待測紅棗進行圖像采集，需要通過輸送裝置讓紅棗平穩地穿過光譜采集點，且不能存在其他物體影響紅棗拍攝效果。因此，多數有關利用近紅外光譜技術檢測紅棗品質的研究，輸送裝置選擇“一”字型帶式輸送機[3-5]。

帶式輸送機在運輸過程中存在著各種振動，振動類型可分為縱向(沿輸送帶運行方向)振動、橫向(垂直于輸送帶平面)振動、側向(輸送帶兩側)振動[6-8]。由于帶式輸送機輸送帶下方可以有平整光滑的托板支撐輸送帶，因此安裝好托板的位置可以有效避免輸送帶產生橫向振動。側向振動產生的原因有兩種：一是主、從動滾筒安裝不達標，讓輸送帶兩側張緊程度不一樣，在彈力作用下輸送帶朝著松的一側移動，與擋板接觸后產生振動；二是滾筒形狀不規則或輸送帶質量較差，輸送帶在運行時會向兩側擺動，這類振動可以通過提高設備制作技術實現減弱。縱向振動是由于輸送帶具有彈性，與托盤又存在阻力，并且主動滾筒對輸送帶提供的動力為周期性波動的力，所以這種振動難以避免[9]。因此，為探索減小影響紅棗檢測時紅棗在輸送帶上振動的方法，本文主要針對輸送裝置運轉過程中輸送帶的縱向振動進行研究。

2輸送帶縱向振動分析

輸送帶的動力由動力元件產生經減速器和同步帶傳遞給輸送帶滾筒并作用于輸送帶[10]。輸送帶縱向振動主要來源于動力元件提供的動力存在波動，負載不變時提供的轉速也會存在波動，最終導致輸送帶呈縱波形式振動。輸送帶與托盤接觸會有一定摩擦力，會消耗輸送帶的彈性勢能，阻止彈性波動的傳播。本文將從原動力及托盤阻力兩方面對輸送帶的振動進行分析。

2.1原動力對輸送帶振動的影響

對檢測用輸送帶，運行線速度需要嚴格的控制，因此動力元件一般采用轉速穩定且可調的電機，需要較高穩定性時，傳動一般采取同步帶傳動(本文忽略傳動件引起的振動)。圖1為輸送裝置動力傳遞示意圖。假設步進電機提供的轉速為

n=n0+n′·cosωt

(1)

式中n0—電機標定轉速；

n′—電機轉速浮動幅值。

若傳動部分總傳動比為i，則輸送帶主動滾筒線速度為

v=π·D·i·(n0+n′·cosωt)

(2)

其中，D為主動滾筒直徑，則滾筒位移量可表示為

(3)

輸送帶與滾筒接觸屬于彈塑性，運行時彈性與阻尼共存，根據彈性力學原理建立運動微分方程為

(4)

式中k—輸送帶與滾筒接觸點彈性模量；

c—輸送帶與滾筒接觸點阻尼系數；

y—滾筒單元點位移量對時間t的函數；

y1—輸送帶與主動滾筒接觸單元點位移量對時間t的函數；

利用單自由度振動系統中基礎作簡諧運動時阻尼系統的響應公式可得出y1穩態時的表達式分別為

π·D·i·n0·t

(5)

π·D·i·n0

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2托盤阻力對輸送帶振動的影響

輸送帶單元點移動速度的波動說明輸送帶具有彈性勢能，在運行過程中，彈性勢能與動能不斷轉換。在輸送帶自身存在阻尼系數及輸送帶與托板存在摩擦力等因素下，輸送帶在能量傳遞時總能量不斷耗損，轉化為彈性勢能的量不斷減少，輸送帶速度波動幅度逐漸降低。當輸送距離足夠長且忽略其他振動源時，輸送速度最終可趨于平穩。

對每一次振動周期而言，當彈性勢能降低到最低時，輸送帶單元點動能達到該振動周期的最大值。由動能公式可得與主動滾筒接觸點處輸送帶單元點總能量E0為

(10)

輸送帶平穩時的運行速度為輸送帶所有單元點運行的平均速度，因此輸送帶單元點能量經傳播之后最終降低為

(11)

輸送帶單元點因與托板摩擦力及自身阻尼系數引起的能量損耗量為單元點在和滾筒接觸點處總能量與速度平穩時動能之差，即ΔE=E0-E1,可將損耗動能表示為

(13)

化簡得

(14)

其中，m0為單元點質量。在振動勢能較小時，輸送帶自身阻尼對能量損失影響不顯著，本文重點研究托板摩擦力對勢能能量損耗的影響。

摩擦力做功為

Q=Ff·s

(15)

式中Q—摩擦力做功量；

Ff—輸送帶某單位點受摩擦力大小；

s—摩擦力做功距離。

其中，Ff的大小與輸送帶單位點與托板間鎮壓力F壓及摩擦角μ有關，其表達式為Ff=F壓·μ。帶入公式(15)，可得摩擦力做功公式表達式為

Q=F壓·μ·s

(16)

E3=ΔE-Q

(17)

將式(14)與式(15)帶入得

(18)

在運載物體很輕、達到可忽略的程度時，F壓與m0存在著關系，即F壓=m0·g。其中，g為重力加速度。

因此可將式(18)化簡為

(19)

(20)

2.3結果分析

1)與主動滾筒接觸點處輸送帶速度波動幅度A與滾筒直徑D、傳動比i、電機轉速波動幅度n′、電機轉速波動頻率系數ω、輸送帶材料的彈性系數k與阻尼系數c等因素都有著密切的關系。其中，A值會隨著D、i、n′數值的增大而增大，D與i的乘積為電動機連接的傳動件直徑。因此，減小輸送帶縱向振動可采取的措施有減小主動傳動輪直徑和選擇輸出轉矩平穩的電動機。

2)輸送帶的彈性系數和阻力系數是振動產生的兩個很重要的參數。根據實際情況，對式(8)中其他變量進行估測賦值后，利用MatLab數據分析軟件進行處理，得出輸送帶起點處速度的波動幅度與輸送帶彈性系數及阻力系數的關系，如圖2所示。

圖2　速度波動幅度與彈性及阻尼系數關系圖

3)式(8)中，m為輸送帶所受阻力的參數，m值的大小與輸送帶載物量、輸送帶與托板摩擦角等有關，是評價輸送裝置性能的很重要的參數。圖3為A值與m值的關系曲線圖。由圖3可以看出：當m值為O時，A值約為25.133(π·D·i·n′)；隨著m值逐漸增大，A值先增大、后減小，在m=400附近時A值達到最大；當m值足夠大時，A值可低于π·D·i·n′，起到減振效果。在實際應用中，m值越大能耗越大，因此m值應控制在較小程度，通過降低m值達到防止振幅增大的效果。另外，當m值變化時，A的變化量很小，幾乎可以忽略不計。

4)由式(9)得：ω與頻率存在倍數關系，可代表頻率反映一些問題。圖4所示為A值與ω值關系曲線圖。從圖4中可以看出：當ω=0時，A值約為25.133；隨著ω值逐漸增大，A值先快速增大、后緩慢減小；當ω=50左右時，A值達到最大；當m值足夠大時，A值可低于25.133，起到減振效果。在實際生產作業中，電壓波動頻率f=50，對應ω值約為314，而且電動機對轉子施加力的頻率為電源頻率的倍數，因此轉子受力頻率應為314的倍數。結合圖4可得：轉子受力頻率越高，A的取值越小，即選擇電動機級數越高，減震效果越明顯。

圖3　速度波動幅度與負載關系曲線圖

圖 4　速度波動幅度與頻率關系曲線圖

由圖5可看出：對于相同的傳播距離s0處，平均輸送速度越快，波動量減小得越明顯；當平均輸送速度一定時，如果傳播速度存在波動，則波動幅度隨著s0的增大逐漸減小，并且減小的逐漸加快。由圖6可以看出：當μ值很小時，s0值的變化對A0值大小影響很小；當μ值逐漸增大時，隨著s0值的增大對A0值減小的效果逐漸顯著。

圖 5　速度波動幅度與平均速度、傳播距離關系曲線圖

圖6　速度波動幅度與摩擦系數、傳播距離關系曲線圖

3)由式(8)可以看出：輸送帶速度振動剛好降低到0的單元點距與主動滾筒接觸點的距離sm受摩擦因數μ及接觸點處速度波動振幅A大小有關：sm隨μ的增大而減小，隨A的增大而增大；但μ值的增大同時也增大了輸送帶的載荷值m，m的增大也導致接觸點處速度波動振幅A值的增大。因此，摩擦因數μ值的增大并不一定能使sm值減小。

3結論及建議

1)采用振動力學原理，結合合理的模型，對檢測紅棗用的輸送裝置的振動進行了分析。結果表明：電機轉速、傳動比、主動滾筒直徑都會對輸送帶速度波動大小起到正向效果，同時較大的輸送速度可加快速度波動的衰減。因此，建議在設計時根據實際參數進行綜合分析，選擇合適的輸送速度及電機級數、傳動比等相關參數。

2)輸送帶輸送速度的波動隨著傳播距離的增大逐漸被削弱，因此可以在輸送帶縱向振動降低到一定程度時為位置設立采樣點。若條件允許，還可適量增加采樣點離主動滾筒的距離，盡可能地避免縱向振動對采樣效果的影響。

3)輸送帶與托盤之間的摩擦因數對輸送速度波動的衰減影響較大，但過大的阻力會增加能耗，因此在托板材料選擇時還應綜合考慮減震效果與能耗。

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Mechanism Research of Vibration Reduction for Detecting Conveyer of Red Jujube in Xinjiang

Zhang Lingtonga, Li Shouninga, Luo Xueningb

(a.College of Water Resource and Architectural Engineering; b.College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, China)

Abstract：It needs to stable conveying equipment of the red jujube to spectrum sampling point when the samples are collected by adopting near infrared spectroscopy detecting the quality continuously. At present, there are many kinds of style vibration in most conveyers on the market. So adopting the theory of vibration mechanics, the dynamic expression and various parameters on the vibration of the transmission part, analysis the influence of various parameters on the conveyor belt vibration effect, as to provide theoretical basis for conveying equipment design and customization and some suggestions are put forward.

Key words：red jujube; conveying device; near-infrared spectrum; vibration mechanics

文章編號：1003-188X(2016)06-0059-05

中圖分類號：S229；G237．5

文獻標識碼：A

作者簡介：張靈通(1988-)，男，河南商丘人，碩士研究生，(E-mail)854913405@qq.com。通訊作者：李壽寧(1954-)，男，甘肅民勤人，教授，碩士生導師，(E-mail)1525900551@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51168042)；塔里木大學校長基金項目(TDZKPY201401)

收稿日期：2015-05-31