中间驱动装置对线摩擦带式输送机动态特性的影响

周广林， 孙文涛

(黑龙江科技学院 机械工程学院，哈尔滨 150027)

中间驱动装置对线摩擦带式输送机动态特性的影响

周广林， 孙文涛

(黑龙江科技学院 机械工程学院，哈尔滨 150027)

随着输送机向高速度、大功率、大运量发展，目前采用的静态设计法已不能满足应用要求。笔者采用增加中间驱动装置的方案，保证长距离的输送，利用RecurDyn软件建立了线摩擦驱动带式输送机样机模型，采用Harrison启动曲线进行仿真。结果表明:中间驱动装置的数量和长度的增加会降低输送带的最大张力，同时会影响输送带最大张力出现的位置，对头部滚筒紧边张力影响较大，而对尾部滚筒松边张力没有影响。线摩擦驱动带式输送机可以在不提高输送带强度和加大驱动功率的条件下实现长距离输送。

线摩擦驱动带式输送机;动态特性;中间驱动装置;RecurDyn

0 引言

随着带式输送机向长距离、高速度、大运量、大功率的发展，如何在不提高输送带强度，不采用大功率驱动设备的情况下，保证长距离输送问题，引起研究者的关注。采用线摩擦驱动装置［1］是研制长距离输送机的方向之一。目前，线摩擦驱动带式输送机的设计、选型和使用依然是在考虑静特性条件下进行的。随着带速的提高，其动态特性［2］成为输送机技术合理、安全可靠、经济可行的关键。文中应用虚拟样机技术，分析线摩擦驱动带式输送机的动态特性，利用RecurDyn［3］软件建立线摩擦驱动带式输送机样机模型，分析带式输送机中间驱动装置数量以及长度的增加，对输送带动态特性的影响，以期为线摩擦驱动带式输送机设计提供参考。

1 虚拟样机模型

线摩擦驱动带式输送机，是在一台长距离带式输送机(主机)的输送带下面，装设一台或几台短的带式输送机(辅机)，主机输送带(承载带)借助重力或弹性压力压在辅机的输送带(驱动带)上，驱动带通过摩擦力驱动承载带，即驱动长距离带式输送机［4－5］，其结构如图 1 所示。

图1 线摩擦驱动带式输送机结构Fig.1 Structure of belt conveyor driven by linear friction

1.1 系统简化

线摩擦驱动带式输送机系统是一个复杂的机械系统，由主机头部驱动滚筒、主机从动滚筒、辅机头部驱动滚筒、辅机从动滚筒、承载带、驱动带等构成。如果完全按照实际系统建立样机模型，计算量非常大，因此在对系统进行动态特性分析时，先对系统模型作适当、合理的简化。

在带式输送机系统中，头部驱动滚筒、尾部从动滚筒、改向滚筒、机架、托辊相对于输送带而言，其刚度相对很大，变形很小，故把输送带以外的其他装置均按刚体来处理，输送带设为柔性体。机架在系统中起支撑和固定作用，直接被固定在地面上，因此，文中直接将机架简化为地面，将托辊和滚筒与地面构成转动副。对于驱动系统，可简化为一个刚性整体，不考虑它的变形，将驱动函数添加到头部驱动滚筒上的旋转副来代替驱动。由于所建线摩擦驱动带式输送机模型输送距离较短，所以采用固定式拉紧装置。

假设承载带、驱动带为各向同性的均质材料，承载带面为平行断面而且承载带与驱动带几何、物理参数均相同，采用RecurDyn对承载带和驱动带进行建模，软件提供了壳形单元带(Shell Belt)，它被划分成一些矩形单元，这些矩形通过平面力连接起来，并且每一个矩形单元都有6个自由度，如图2所示。

图2 带体模型Fig.2 Belt model

1.2 参数确定

根据相似理论，按照几何相似和物理相似的原则，对线摩擦驱动带式输送机进行缩放，简化，最终使得仿真结果的精度和运算效率之间达到一种平衡。

输送带的材料属性:弹性模量E=1.25×107N/m，阻尼c=1×106(N·m/s)，输送带单位长度质量qB=7.29 kg/m，输送带厚度b=10 mm。

将主机头部驱动滚筒和从动滚筒的直径均设为200 mm，两滚筒的中心距，即输送带的运输距离为8 m;辅机头部驱动滚筒和从动滚筒的直径均为100 mm;托辊直径为40 mm，上托辊间距为0.6 m，下托辊间距为1 m;一个中间驱动装置的位置处于承载带的中间，如图3所示。

图3 线摩擦驱动带式输送机样机模型Fig.3 Prototype model of belt conveyor driven by linear friction

头部驱动滚筒采用包胶表面，与输送带的接触摩擦系数取0.35，尾部从动滚筒与改向滚筒均采用刚性光面，与输送带的接触摩擦系数取0.30，托辊与输送带的摩擦系数取0.30，驱动带与承载带的接触摩擦系数取0.40。

在仿真系统中，坐标原点设在带式输送机系统几何中心处，x轴正向向右，y轴正向向上，z轴垂直纸面向外;输送机的运行方向为x轴负向，如图3所示。分别在头部滚筒趋入点和尾部滚筒奔离点设置张力传感器，用以测定特定点张力。

2 仿真结果与分析

2.1 Harrison启动曲线

进行虚拟样机系统仿真之前，需要设定头部驱动滚筒的启动曲线。理想的启动过程应该是在整个启动过程中加速度的最大值较小，且没有加速度的突变。否则，前者会造成惯性力大，后者对输送机有强烈的冲击作用［6］。常用的启动曲线有Harrison和Nordell两种，两种曲线都可以有效地减小输送带张力峰值(Fmax)和所受的冲击。文中采用Harrison启动曲线:

式(1)中，v0为输送带稳定运行时的速度，T为输送机总加速时间。

通过STEP函数构造Harrison启动曲线，将其添加到主机头部驱动滚筒上，输入驱动函数:

在式(2)中，TIME为时间变量，并设定了输送带的稳定运行速度为3 m/s，输送机的总加速时间为10 s。与此类似在辅机头部驱动滚筒添加Harrison启动曲线的驱动。

仿真时间为30 s，仿真步数为300步。承载带的动张力远大于驱动带，以承载带为研究对象，并且任意选取带上一个结点进行运动学和动力学分析，选取结点1(在主机头部驱动滚筒正上方位置)为例进行仿真分析。

图4为线摩擦驱动带式输送机主机的启动速度曲线和加速度曲线，在启动时间为5 s时，加速度达到最大值，在启动时间内加速度曲线呈左右对称形式。为了使传动带和承载带同步运行，应该保证主机头部驱动滚筒表面线速度和辅机头部驱动滚筒表面线速度相同。

图4 主机的启动速度和加速度曲线Fig.4 Host’s velocity and acceleration curves of startup process

2.2 中间驱动装置数量对输送机动态特性的影响

图5为中间驱动装置数量对线摩擦驱动带式输送机头尾处张力F的影响，图5a为无中间驱动装置，图5b有一台中间驱动装置，图5c为两台。图5可见，曲线1为头部滚筒紧边张力，曲线2为尾部滚筒松边张力。启动前10 s，头尾处张力均有较大的波动，在5 s左右张力达到最大值，10 s后张力值趋于稳定，这是由于前10 s存在启动加速度，之后加速度为零。

图5 中间驱动装置数量对输送机头尾处张力的影响Fig.5 Influence of midway driving unit number on head-tail’s tension of belt conveyer

表1为不同中间驱动装置数量的头尾峰值张力对比值。

表1 不同中间驱动装置数量的张力对比Talbe 1 Tension comparison of different midway driving unit number

由表1可以看出随着中间驱动装置数量的增加，头部滚筒紧边张力逐渐减小，尾部滚筒松边张力没有显著变化。

图6为中间驱动装置数量对输送带结点张力变化的影响。

图6 中间驱动装置数量对输送带结点张力变化的影响Fig.6 Influence of midway driving unit number on node tension change of belt

同样，图6a为无中间驱动装置，图6b和c分别为一台和两台。其中曲线1是结点沿y向的位移曲线，正位移是结点运行在承载段，负位移是结点运行在回程段，能够较准确地描述结点的运行轨迹。输送带在承载段的悬垂度远小于在回程段的悬垂度，并且输送带在回程段的张力波动较大，这主要受托辊布置间距的影响。曲线2是结点的张力变化。从图6a中曲线2可以看出结点在运行过程中两边的张力变化规律，即结点在回程段由头部到尾部，张力是逐渐增大的;承载段，由尾部到头部张力是逐渐增大的，故最大值出现在头部驱动滚筒紧边处;最小值为头部驱动滚筒松边处，与实际相符。由图6b中曲线2可知，当结点运行到驱动段之前张力也是逐渐增大的，在承载带与驱动带相遇点(中间驱动装置的尾部滚筒位置处)，达到极大值;最后受到滑移摩擦力的影响逐渐减小，在承载带与驱动带分离点(中间驱动装置的头部滚筒处)降至极小值。图6c中曲线2和b中曲线2有相同的规律，不同的是在承载段有两段受到了驱动带的滑移摩擦力;两台中间驱动装置的带式输送机，在稳定运行阶段，最大张力值出现在承载带与驱动带相遇点(左边第一台中间驱动装置尾部滚筒处的位置)。

2.3 中间驱动装置长度对输送机动态特性的影响

图5b和图7反映了中间驱动装置长度对线摩擦驱动带式输送机头尾处张力的影响。图5b、图7a、b分别为0.6、1、2和1.8 m长的中间驱动装置，图中曲线1是头部滚筒紧边张力，曲线2是尾部滚筒松边张力。

图7 中间驱动装置长度对输送机头尾处张力的影响Fig.7 Influence of midway driving unit length on head-tail’s tension of belt conveyer

表2为不同中间驱动装置长度的头尾峰值张力对比值。

表2 不同中间驱动装置长度的张力对比Table 2 Terision comparison of different didway driving unit length

由表2可以看出随着中间驱动装置长度的增加，头部滚筒紧边张力逐渐减小，尾部滚筒松边张力没有显著变化。

图6b和图8反映了中间驱动装置长度对输送带结点张力变化的影响。

图8 中间驱动装置长度对输送带结点张力变化的影响Fig.8 Influence of midway driving unit length on node tension change of belt

图6b和图8a、b分别为0.6、1.2、1.8 m 长的中间驱动装置。曲线1是结点沿y向位移，曲线2是结点的张力变化。由图可以看出，随着中间驱动装置长度的增加，驱动段承载带张力减小的越大。1.8 m长的中间驱动装置的带式输送机，稳定运行阶段最大张力出现在承载带与驱动带的相遇点(中间驱动装置尾部滚筒的位置)。

3 结论

(1)用虚拟样机技术研究线摩擦驱动带式输送机的动态特性，通过分析证明，利用RecurDyn建立的线摩擦驱动带式输送机虚拟样机的模型，在给定条件下张力变化趋势与实际相符。

(2)中间驱动装置的数量和长度的增加会降低输送带的最大张力，对头部滚筒紧边张力影响较大，而对尾部滚筒松边张力没有影响。

(3)通过线摩擦驱动带式输送机的动态特性分析，得到了启动及稳定运行过程中输送带张力分布规律和峰值张力出现的位置，线摩擦驱动带式输送机最大张力并不一定出现在头部滚筒的紧边处，它的位置和中间驱动装置的数量、长度以及驱动力等有关。

［1］杨复兴.胶带输送机结构原理与计算［M］.北京:煤炭工业出版社，1990:66－67.

［2］曾国元，唐彩霞，王永业.线摩擦驱动带式输送机动力分析及动力设计［J］.西安矿业学院学报，1995，15(1):46－52，28.

［3］焦晓娟，张湝渭，彭斌彬.RecurDyn多体系统优化仿真技术［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［4］庄 严.线摩擦带式输送机的研究及应用［J］.煤矿机械，2008，29(5):139－141.

［5］邓永胜，沙丽娜，宋伟刚.线摩擦多驱动带式输送机的设计计算方法［J］.煤矿机械，2004(2):16－19.

［6］ 宋伟刚.通用带式输送机设计［M］.北京:机械工业出版社，2006:265－268.

Influence of midway driving unit on dynamic characteristics of belt conveyor driven by linear friction

ZHOU Guanglin，SUN Wentao
(College of Mechanical Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at the solution to static design method incapable of fulfilling a more stringent requirement due to development of the high-speed，big-power and large-capacity conveyor，this paper introduces the realization of long distance transportation by increasing midway driving unit，the development of a prototype model of belt conveyor driven by linear friction using software RecurDyn，and simulation using startup curve of Harrison.The results show that the increase in number and length of midway driving unit results in reduction in maximal tension of belt，along with an effect on location of maximal tension，a greater one on tight side tension of head，and little one on loose side tension of tail.Belt conveyor driven by linear friction is capable of long distance transportation without increasing belt strength and driving power.

belt conveyor driven by linear friction;dynamic characteristics;midway driving unit;RecurDyn

TD528

A

1671－0118(2012)01－0047－05

2011－12－10

周广林(1961－)，男，吉林省怀德人，教授，博士，研究方向:机械电子及基于声强测量的宽带声全信息技术，E-mail:guanglinzhou@163.com。

(编辑 徐 岩)