帶式輸送機虛擬樣機設計研究

撰文/王茜　韓剛　韻婷婷

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帶式輸送機虛擬樣機設計研究

撰文/王茜韓剛韻婷婷

本文通過帶式輸送機系統簡化、3D樣機建模、樣機裝配、施加載荷約束等設計步驟，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，達到提高設計性能、降低設計成本、減少產品開發周期的目的。帶式輸送機；虛擬樣機；設計

■030024太原科技大學山西太原

傳統的帶式輸送機（以下簡稱輸送機）的設計通常采用靜態設計方法，將輸送機的輸送帶作為剛體來研究，在靜力學基礎上按勻速運行狀態對輸送機進行受力分析和相關參數的設計，通過加大安全系數的方法來考慮輸送機非穩定工況下的動載荷問題，這種設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生較大的輸送帶動張力和運行的不穩定性，從而導致輸送帶接頭失效和滾筒、托輥以及其他部件的損壞。

隨著機械產品設計方法的不斷更新，人們將虛擬樣機技術引入到輸送機的設計中，使輸送機的設計精度有了很大的提高。由于輸送機的虛擬樣機技術對于工業社會的發展有相當大的促進作用，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，簡化驅動滾筒、改向滾筒、輸送帶、張緊裝置等主要部件結構。把驅動滾筒設在輸送機系統的頭部，驅動裝置簡化成為一個驅動力矩，并將驅動加在傳動滾筒上。把改向滾筒設在輸送機系統的尾部，將其簡化為由軸和繞軸轉動圓柱體組成的兩個剛體，對其施加一個預緊力，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。簡圖如圖1 所示。

圖1　帶式輸送機系統簡圖

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,再按照幾何關系進行裝配。然后將建立的三維模型轉化成Parasolid類型文件,導入ADAMS。因為此時導入的帶塊仍為剛體,需調用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，它的動態特性取決于輸送帶的力學性能，且直接影響著整機的運行質量。它本身的物理特性復雜，應力——應變關系呈非線性關系，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,龐大的單元數目和連接約束對計算機硬件有很大的挑戰，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。常規的方法是：將輸送帶所承載的物料均勻化，將物料質量等效在輸送帶的離散單元質量上，但這種等質量的劃分與實際運行的帶式輸送機是不相符的[3]。

3.3帶式輸送機系統簡化。由于輸送機系統的結構復雜性,要建立基于零件級的動力學方程幾乎是不可能，因此，我們要對輸送機的系統進行必要的簡化。

4　結論

帶式輸送機一直向高帶速、重載、大運量的方向發展，關鍵零部件的優化和系統的動態特性計算直接影響著整機運行性能和資本投入。隨著虛擬樣機技術的快速發展，將虛擬樣機技術引入到輸送機的設計中將有很重要的實際意義。因此，我們要繼續深入的研究輸送機的虛擬樣機技術，結合國外的先進技術，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.基于虛擬樣機技術的車用柴油機曲軸系統動態特性研究[J].拖拉機與農用運輸車,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.帶式輸送機綠色設計關鍵技術與應用研究[J].2012（6）:30-32.

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