帶式輸送機虛擬樣機設(shè)計研究

撰文/王茜　韓剛　韻婷婷

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帶式輸送機虛擬樣機設(shè)計研究

撰文/王茜韓剛韻婷婷

本文通過帶式輸送機系統(tǒng)簡化、3D樣機建模、樣機裝配、施加載荷約束等設(shè)計步驟，最終在ADAMS上建立簡化的帶式輸送機虛擬樣機。通對樣機進行模擬性能測試，達到提高設(shè)計性能、降低設(shè)計成本、減少產(chǎn)品開發(fā)周期的目的。帶式輸送機；虛擬樣機；設(shè)計

■030024太原科技大學(xué)山西太原

傳統(tǒng)的帶式輸送機（以下簡稱輸送機）的設(shè)計通常采用靜態(tài)設(shè)計方法，將輸送機的輸送帶作為剛體來研究，在靜力學(xué)基礎(chǔ)上按勻速運行狀態(tài)對輸送機進行受力分析和相關(guān)參數(shù)的設(shè)計，通過加大安全系數(shù)的方法來考慮輸送機非穩(wěn)定工況下的動載荷問題，這種設(shè)計方法不符合長距離大型輸送機的實際使用情況，它不僅使輸送機的成本增大，而且還可能引起制動過程中產(chǎn)生較大的輸送帶動張力和運行的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致輸送帶接頭失效和滾筒、托輥以及其他部件的損壞。

隨著機械產(chǎn)品設(shè)計方法的不斷更新，人們將虛擬樣機技術(shù)引入到輸送機的設(shè)計中，使輸送機的設(shè)計精度有了很大的提高。由于輸送機的虛擬樣機技術(shù)對于工業(yè)社會的發(fā)展有相當(dāng)大的促進作用，因此得到了國家的足夠重視[1]。

1　輸送機虛擬樣機模型的建立

在建立的輸送機虛擬樣機模型中，簡化驅(qū)動滾筒、改向滾筒、輸送帶、張緊裝置等主要部件結(jié)構(gòu)。把驅(qū)動滾筒設(shè)在輸送機系統(tǒng)的頭部，驅(qū)動裝置簡化成為一個驅(qū)動力矩，并將驅(qū)動加在傳動滾筒上。把改向滾筒設(shè)在輸送機系統(tǒng)的尾部，將其簡化為由軸和繞軸轉(zhuǎn)動圓柱體組成的兩個剛體，對其施加一個預(yù)緊力，張緊方式采用重力式，并將其直接簡化為力，直接將張緊力作用在改向滾筒的軸上[2]。即簡化成一個最基本、最原始的輸送機系統(tǒng)。簡圖如圖1 所示。

圖1　帶式輸送機系統(tǒng)簡圖

2　輸送機虛擬樣機的簡化

在建立輸送機虛擬樣機過程中，將固定不運動的輸送機的機架簡化為地面，將驅(qū)動裝置、傳動滾筒、改向滾筒、托輥以及其他零部件視作剛性體；將作為主要傳動和承載部件的輸送帶當(dāng)作柔性體[2]。

通過三維造型軟件Solidworks完成滾筒、托輥和機架等基本部件的建模。輸送帶采取離散法建模,將帶體離散成尺寸相同的若干個小帶塊,再按照幾何關(guān)系進行裝配。然后將建立的三維模型轉(zhuǎn)化成Parasolid類型文件,導(dǎo)入ADAMS。因為此時導(dǎo)入的帶塊仍為剛體,需調(diào)用ADAMS/Flex模塊進行帶塊的柔性化,然后施加約束和載荷，完成輸送機的虛擬樣機。

3　輸送機虛擬樣機設(shè)計過程中存在的一些問題

3.1輸送帶的建模。輸送帶是輸送機的主要部件，起到承載貨物、傳遞動力的作用，它的動態(tài)特性取決于輸送帶的力學(xué)性能，且直接影響著整機的運行質(zhì)量。它本身的物理特性復(fù)雜，應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系呈非線性關(guān)系，是一種典型的黏彈性體,具有蠕變特性、松弛特性、滯后特性和材料動特性等。

在虛擬樣機的建模過程中，將輸送帶的視作柔性體，要準(zhǔn)確處理輸送帶的建模是很困難的。目前大多采用離散單元法，以離散模型替代連續(xù)模型，將輸送帶分成有限個剛體單元，使用具有柔性特征的彈簧阻尼單元使剛體單元之間相互連接。我們知道，雖然在理論上離散性可以很好的代替連續(xù)性計算，但在實際操作中，采用ADAMS軟件來處理輸送帶三維模型時,長距離的輸送帶是不易處理的,主要原因在于計算在有限元劃分時,龐大的單元數(shù)目和連接約束對計算機硬件有很大的挑戰(zhàn)，很難完成[3]。因此，運用ADAMS做仿真計算時，處理短距離輸送機優(yōu)勢比較明顯，對于處理長距離帶式輸送機弊端是比較多的，但長距離的帶式輸送機更需要動態(tài)特性分析與仿真計算。

3.2物料流均勻與非均勻負載模擬。即使我們認為輸送帶離散單元的處理方式合理，但物料流的負載問題依舊是個難點。常規(guī)的方法是：將輸送帶所承載的物料均勻化，將物料質(zhì)量等效在輸送帶的離散單元質(zhì)量上，但這種等質(zhì)量的劃分與實際運行的帶式輸送機是不相符的[3]。

3.3帶式輸送機系統(tǒng)簡化。由于輸送機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,要建立基于零件級的動力學(xué)方程幾乎是不可能，因此，我們要對輸送機的系統(tǒng)進行必要的簡化。

4　結(jié)論

帶式輸送機一直向高帶速、重載、大運量的方向發(fā)展，關(guān)鍵零部件的優(yōu)化和系統(tǒng)的動態(tài)特性計算直接影響著整機運行性能和資本投入。隨著虛擬樣機技術(shù)的快速發(fā)展，將虛擬樣機技術(shù)引入到輸送機的設(shè)計中將有很重要的實際意義。因此，我們要繼續(xù)深入的研究輸送機的虛擬樣機技術(shù)，結(jié)合國外的先進技術(shù)，建立出更加完善的輸送機的虛擬樣機，進而降低輸送機的設(shè)計成本，提高其性能。

參考：

[1]段秀兵,郝志勇,岳東鵬,宋寶安.基于虛擬樣機技術(shù)的車用柴油機曲軸系統(tǒng)動態(tài)特性研究[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2014(2):31-33.

[2]郭永存，胡 坤，許志洋.帶式輸送機虛擬樣機設(shè)計研究[J].起重運輸機械，2009（8）:63-65.

[3]胡坤，郭永存，陳明強.帶式輸送機綠色設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究[J].2012（6）:30-32.

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