基于多體動力學特性的輸送帶跑偏影響因素分析

劉欣

【摘 要】 本文針對輸送機在運行中經常會出現輸送帶的跑偏問題，對各種跑偏形成的原因及其規律進行了分析研究，并提出運用多體系統動力學辦法對系統做離散化的處理，并對滾筒運行的情況及平行度、輸送帶的黏彈性和壓陷程度等各個方面的情況進行研究。研究顯示，輸送帶的跑偏不只是同其受力的程度相關，還跟材料的黏彈性相關;輸送帶的偏移量同所受壓陷的程度相關，受壓越深偏移量越大;輸送帶的跑偏問題會造成主動的滾筒應變應力及整體分布產生變化，減少輸送帶壽命。

【關鍵詞】 輸送帶跑偏;多體系統動力學;平行度;黏彈性

【中圖分類號】 TH222 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）03-0014-03

帶式輸送機是用來滿足生產物資運送需求的設備，因其具有低成本、適用性強等優勢被普遍用于化工、煤炭、石油等多個領域。該設備的關鍵組成部分是輸送帶，主要構成包括橡膠、金屬、塑料等各種材料，其動力學的主要特征為黏彈性，具體表現為：黏滯后、蠕變、松弛、非線性應力-應變等特性，容易造成運行中發生大位移、大變形、耦合效應等問題。其中黏彈性的耦合效應是讓整個輸送帶的軸向力、張力、加速度與速度等各項性能產生沖擊、振動、變化，以避免在設備工作運行時發生跑偏。皮帶跑偏作為一種普遍存在問題，國內外學者都在不斷地研究和優化，隨著科技的發展，國外已經將自動糾偏、遠程檢測等控制技術應用到皮帶輸送機中;我國將力學分析、軟件建模等技術手段在皮帶運輸機上使用，使其結構和控制不斷優化，皮帶跑偏問題得到了極大改善，但仍有很大的優化空間。本文利用多體動力學特性對皮帶運輸機建立剛柔耦合仿真模型，針對皮帶跑偏問題進行研究，找出皮帶機跑偏原因，為皮帶運輸機的優化提供可靠數據。

1滾筒平行度對輸送帶跑偏影響

1.1滾筒的軸線方向平行度

由于帶式輸送機從制造到安裝再到使用都存在誤差及磨損，在主動與從動的滾筒之間出現不平行軸線問題，造成輸送帶的兩側不能均勻受力，產生了軸向力，導致輸送帶跑偏問題出現。為了進一步確定兩個滾筒的平行度導致的跑偏程度，本文假定輸送機不存在制造和安裝誤差，主動滾筒的軸線方向和Z軸保持平行，按照逆時針方向從動滾筒朝Z軸的方向進行q角度偏轉，到達從動滾筒位置，這時在軸線的方向就會產生主動和從動兩滾筒的公差平行度。

1.2滾筒的軸線平行度造成輸送帶的跑偏影響

根據受力情況的分析研究可知，造成輸送帶發生偏移問題的主要原因是滾筒與輸送帶之間軸向力所致。故此，要對偏轉不同角度，輸送帶軸向力及偏移量在不同時間的情況變化進行重點研究，根據本文的研究可知，主滾筒的角度偏轉θ1=0°時，最初出現的輸送帶軸向力比較小，近乎不用考慮;但自2s起，軸向力開始增加，但作用仍然不大，自運動10s時，達到軸向力的最高值是1.0410 N ?10-7。輸送帶所承受的軸向力仍然較小，關鍵是因為滾筒和輸送帶前部相接觸的部分受擠壓，而后面部分處在放松的狀態，在輸送帶黏彈性的作用下，輸送帶擠壓恢復的過程比較遲滯，導致滾筒和輸送帶產生非對稱的接觸，以致滾筒和輸送帶之間出現軸向力。當從動滾筒的角度偏轉q1=0°時，輸送帶沒有發生偏移現象，當運行的時間不斷增加，偏移情況開始出現并不斷增加，直至達到1.39 ? 10-10 mm峰值為止，所承受的軸向力相對較小。由此可見，主動和從動兩個滾筒之間在不受公差平行度影響的情況下，其輸送帶偏移量比較小，存在跑偏的現象。

2輸送帶制造材料的黏彈性及其運行的狀態構成輸送帶的跑偏影響

2.1輸送帶制造材料的剛度及阻尼構成輸送帶的跑偏影響

輸送帶制造材質的剛度和阻尼是其黏彈性程度的重要因素，同單元離散能量及坐標變化緊密關聯。故此，通過建立滾筒與輸送帶之間多體系統剛柔耦合動力學仿真模型，根據其動態狀況分析輸送帶阻尼及剛度對跑偏的具體影響。研究表明，當輸送帶剛度的系統在8.0 ? 10 4N/mm 和9.0 ?104 N/mm 以及1.0 ? 10 5N/mm 的時候，與其相對的偏移量最高值可以達到1.39 ? 10 mm-10和3.08 ?? 10 mm-11以及2.45 ? 10-10 mm 。這表明在規定范圍之內，輸送帶的偏移量和材料剛度為遞減的關系。當輸送帶的材料阻尼比是0.4和0.6以及0.8的時候，與其相對偏移量最高值是1.43 ? 10-11 mm 和1.83 ? 10-11 mm 以及1.39 ? 10-10 mm。這表明在規定范圍之內，輸送帶所偏移的量隨材料的阻尼比增加而減小。由此可見，輸送帶黏彈性的變化對偏移量會造成影響，當條件不發生變化時，輸送帶剛度的系數越小和阻力比越大，其黏彈性越明顯，此時輸送帶的穩定可靠性能降低，其偏移量也相應地有所增加。

2.2輸送帶的速度構成輸送帶的跑偏影響

因受其輸送帶的黏彈性影響，帶式輸送機在工作時，其速度會影響輸送帶的張力與振動，帶速越快，張力越大，振動越明顯。通過本文的研究可知，在規定范圍之內，輸送帶工作運行的速度越高，偏移量峰值也越大，同時輸送帶偏移量的產生時間受其速度影響，速度越快偏移量產生的時間越早。輸送帶工作運行得越快，其系統振動就越劇烈。當穩定性能降低時，輸送帶的偏移量就會跟著加大。

2.3輸送的距離構成輸送帶的跑偏影響

當張緊力保持不變的情況下，運送距離越大、輸送帶的垂度越大，同時會影響帶傳動體系的動態性能。通過本文的研究可知，在規定范圍之內，運送帶的偏移量同運送距離保持逐漸遞減的關系，也就是帶傳動運送的距離越長，輸送帶的偏移量越大。

3輸送帶的壓陷對輸送帶的跑偏影響

3.1 輸送帶同滾筒之間動態壓陷

滾筒同輸送帶發生接觸時，因為材料及黏彈性不盡相同，會在接觸中出現非對稱性接觸，以致于輸送帶產生遲滯性變形壓陷，具體情況可見圖1。

離散之后，滾筒同輸送帶在動態式接觸時，滾筒同輸送帶之間始終存在約束接觸，而且接觸的對象隨時間不斷變換。因受輸送帶黏彈性的影響而產生的變形量會隨時間發生改變，不同時間段滾筒與輸送帶產生的壓陷程度也不相同，而與之相關的接觸點范圍、軸向力、接觸力等各項參數都會隨之改變。

3.2 輸送帶的壓陷程度帶給輸送帶的跑偏影響

在規定的范圍之內，滾筒與輸送帶之間的壓陷程度越深，輸送帶最大軸向力和偏移量都會有所增加。研究表明，滾筒的平行度和輸送帶的阻尼及剛度對偏移量構成相應的影響。滾筒與輸送帶之間軸向力和偏移量是逐漸遞減的關系，也就是輸送帶的偏移量隨軸向力的增加而加大;輸送帶制造材料的阻尼越小則剛度就越大，滾筒及輸送帶之間的壓陷程度越小，其輸送帶的偏移量也就越小。

4輸送帶的跑偏問題對于滾筒的穩定性影響

滾筒與輸送帶接觸時，滾筒的平行度和輸送帶的阻尼與剛度對偏移量會構成相應的影響。并且在這個過程當中，輸送帶產生跑偏同樣影響滾筒的穩定及可靠性。并且，在這個過程當中，輸送帶的跑偏問題也會影響滾筒的穩定性能。根據多體系統動力學剛柔耦合仿真模型主動輪的變化情況如圖2所示。

研究表明，當從動的滾筒處于角度偏轉q= 0°的時候，變形量呈現整體對稱狀分布;當從動的滾筒處于角度偏轉q=0.5°的時候，整體出現不均勻狀分布。通過從動的滾筒q= 0°角度偏轉時主動的滾筒應變應力變化及分布情況可以看出，由輸送帶黏彈性導致的彈性受壓變形基本不會影響主動的滾筒穩定性能。如果輸送帶偏移量過大，不只會導致主動滾筒的最大變形量和最大應力值增加，還會令其整體分布產生變化，減少輸送帶使用的壽命。

5結論

本文研究并提出多體系統動力學解決辦法，對輸送帶的傳動運行系統做離散化處理，再按照滾筒和輸送帶相互接觸的特點、變化的能量、單元的坐標等參數搭建圍繞輸送帶多體系統動力學剛柔耦合仿真模型，并以此為基礎對輸送帶運行跑偏進行研究。

輸送帶的偏移量會隨滾筒之間公差平行度的增大而增大。但即使是滾筒之間沒有公差平行度，輸送帶仍然會存在較小偏移，可以說輸送帶的跑偏問題不只是與受力程度相關，還同材料所具有的黏彈性相關。

研究表明，輸送帶的偏移量與其速度及距離相關，在規定范圍之內，輸送帶剛度的系數越小，其阻尼比就越大，滾筒與輸送帶之間出現的壓陷程度和所偏移的量也就越大。

輸送帶跑偏讓主動滾筒最大變形量和最大應力值相應的增大，還會造成整體分布出現變化，使主動的滾筒穩定性能降低，壽命減少。

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