新疆红枣检测输送装置的减振机理研究

张灵通，李寿宁，罗雪宁

(塔里木大学 a.水利与建筑工程学院；b.机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔　843300)



新疆红枣检测输送装置的减振机理研究

张灵通a，李寿宁a，罗雪宁b

(塔里木大学 a.水利与建筑工程学院；b.机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔843300)

摘要：利用近红外光谱技术连续检测红枣品质时，需要输送装置稳定地将红枣输送至采样点进行光谱采集。针对现阶段市场上大多输送装置都存在的多种样式振动，利用振动力学理论得出动力及传动部分各参数对振动影响的表达式，并分析各参数对输送带振动的影响效果，为输送装置的设计及定制提供理论依据。

关键词：红枣；输送装置；近红外光谱；振动力学

0引言

随着科技的发展，输送带已广泛应用于人们的工作、生活中，如矿山、化工、物流、食品、医药及娱乐设施等行业。振动作为机械设备不可避免的特性，总会对输送装置运行稳定性及可靠性造成一定的影响[1-2]。

新疆红枣由于独特的种植气候，具有皮薄肉厚、色泽鲜亮、纯真香甜及含糖量高等特点，深受我国各地人士的喜爱。随着生活品质的不断提高，新疆红枣分级越来越细，抽样检测效率低、检测不具体等特点逐渐成为加工厂家的无奈。近年来，近红外光谱无损检测技术在红枣品质检测方面已有较成熟的研究，具有操作方便、检测速度快等特点，并已向产业化方向发展；但这种检测方式中承载红枣进行检测的一般为带式输送装置，输送装置的振动对最终红枣品质的检测存在一定的影响。因此，对带式输送装置振动机理进行研究，对新疆红枣分级精准性和稳定性有着重大意义。

1红枣检测机构分析

输送线布局大致相似，典型的有“一”字型、“U”字形和“∞”字型。其中，“U”字形和“∞”字型一般采取链传动形式，运行振动较大，并且在弯道处还存在离心力，使用时一般需要对运载物体进行夹持；而“一”字型虽然功能单一，但结构简单且大部分输送带还有较好的减振效果。近红外光谱检测红枣品质要对待测红枣进行图像采集，需要通过输送装置让红枣平稳地穿过光谱采集点，且不能存在其他物体影响红枣拍摄效果。因此，多数有关利用近红外光谱技术检测红枣品质的研究，输送装置选择“一”字型带式输送机[3-5]。

带式输送机在运输过程中存在着各种振动，振动类型可分为纵向(沿输送带运行方向)振动、横向(垂直于输送带平面)振动、侧向(输送带两侧)振动[6-8]。由于带式输送机输送带下方可以有平整光滑的托板支撑输送带，因此安装好托板的位置可以有效避免输送带产生横向振动。侧向振动产生的原因有两种：一是主、从动滚筒安装不达标，让输送带两侧张紧程度不一样，在弹力作用下输送带朝着松的一侧移动，与挡板接触后产生振动；二是滚筒形状不规则或输送带质量较差，输送带在运行时会向两侧摆动，这类振动可以通过提高设备制作技术实现减弱。纵向振动是由于输送带具有弹性，与托盘又存在阻力，并且主动滚筒对输送带提供的动力为周期性波动的力，所以这种振动难以避免[9]。因此，为探索减小影响红枣检测时红枣在输送带上振动的方法，本文主要针对输送装置运转过程中输送带的纵向振动进行研究。

2输送带纵向振动分析

输送带的动力由动力元件产生经减速器和同步带传递给输送带滚筒并作用于输送带[10]。输送带纵向振动主要来源于动力元件提供的动力存在波动，负载不变时提供的转速也会存在波动，最终导致输送带呈纵波形式振动。输送带与托盘接触会有一定摩擦力，会消耗输送带的弹性势能，阻止弹性波动的传播。本文将从原动力及托盘阻力两方面对输送带的振动进行分析。

2.1原动力对输送带振动的影响

对检测用输送带，运行线速度需要严格的控制，因此动力元件一般采用转速稳定且可调的电机，需要较高稳定性时，传动一般采取同步带传动(本文忽略传动件引起的振动)。图1为输送装置动力传递示意图。假设步进电机提供的转速为

n=n0+n′·cosωt

(1)

式中n0—电机标定转速；

n′—电机转速浮动幅值。

若传动部分总传动比为i，则输送带主动滚筒线速度为

v=π·D·i·(n0+n′·cosωt)

(2)

其中，D为主动滚筒直径，则滚筒位移量可表示为

(3)

输送带与滚筒接触属于弹塑性，运行时弹性与阻尼共存，根据弹性力学原理建立运动微分方程为

(4)

式中k—输送带与滚筒接触点弹性模量；

c—输送带与滚筒接触点阻尼系数；

y—滚筒单元点位移量对时间t的函数；

y1—输送带与主动滚筒接触单元点位移量对时间t的函数；

利用单自由度振动系统中基础作简谐运动时阻尼系统的响应公式可得出y1稳态时的表达式分别为

π·D·i·n0·t

(5)

π·D·i·n0

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2托盘阻力对输送带振动的影响

输送带单元点移动速度的波动说明输送带具有弹性势能，在运行过程中，弹性势能与动能不断转换。在输送带自身存在阻尼系数及输送带与托板存在摩擦力等因素下，输送带在能量传递时总能量不断耗损，转化为弹性势能的量不断减少，输送带速度波动幅度逐渐降低。当输送距离足够长且忽略其他振动源时，输送速度最终可趋于平稳。

对每一次振动周期而言，当弹性势能降低到最低时，输送带单元点动能达到该振动周期的最大值。由动能公式可得与主动滚筒接触点处输送带单元点总能量E0为

(10)

输送带平稳时的运行速度为输送带所有单元点运行的平均速度，因此输送带单元点能量经传播之后最终降低为

(11)

输送带单元点因与托板摩擦力及自身阻尼系数引起的能量损耗量为单元点在和滚筒接触点处总能量与速度平稳时动能之差，即ΔE=E0-E1,可将损耗动能表示为

(13)

化简得

(14)

其中，m0为单元点质量。在振动势能较小时，输送带自身阻尼对能量损失影响不显著，本文重点研究托板摩擦力对势能能量损耗的影响。

摩擦力做功为

Q=Ff·s

(15)

式中Q—摩擦力做功量；

Ff—输送带某单位点受摩擦力大小；

s—摩擦力做功距离。

其中，Ff的大小与输送带单位点与托板间镇压力F压及摩擦角μ有关，其表达式为Ff=F压·μ。带入公式(15)，可得摩擦力做功公式表达式为

Q=F压·μ·s

(16)

E3=ΔE-Q

(17)

将式(14)与式(15)带入得

(18)

在运载物体很轻、达到可忽略的程度时，F压与m0存在着关系，即F压=m0·g。其中，g为重力加速度。

因此可将式(18)化简为

(19)

(20)

2.3结果分析

1)与主动滚筒接触点处输送带速度波动幅度A与滚筒直径D、传动比i、电机转速波动幅度n′、电机转速波动频率系数ω、输送带材料的弹性系数k与阻尼系数c等因素都有着密切的关系。其中，A值会随着D、i、n′数值的增大而增大，D与i的乘积为电动机连接的传动件直径。因此，减小输送带纵向振动可采取的措施有减小主动传动轮直径和选择输出转矩平稳的电动机。

2)输送带的弹性系数和阻力系数是振动产生的两个很重要的参数。根据实际情况，对式(8)中其他变量进行估测赋值后，利用MatLab数据分析软件进行处理，得出输送带起点处速度的波动幅度与输送带弹性系数及阻力系数的关系，如图2所示。

图2　速度波动幅度与弹性及阻尼系数关系图

3)式(8)中，m为输送带所受阻力的参数，m值的大小与输送带载物量、输送带与托板摩擦角等有关，是评价输送装置性能的很重要的参数。图3为A值与m值的关系曲线图。由图3可以看出：当m值为O时，A值约为25.133(π·D·i·n′)；随着m值逐渐增大，A值先增大、后减小，在m=400附近时A值达到最大；当m值足够大时，A值可低于π·D·i·n′，起到减振效果。在实际应用中，m值越大能耗越大，因此m值应控制在较小程度，通过降低m值达到防止振幅增大的效果。另外，当m值变化时，A的变化量很小，几乎可以忽略不计。

4)由式(9)得：ω与频率存在倍数关系，可代表频率反映一些问题。图4所示为A值与ω值关系曲线图。从图4中可以看出：当ω=0时，A值约为25.133；随着ω值逐渐增大，A值先快速增大、后缓慢减小；当ω=50左右时，A值达到最大；当m值足够大时，A值可低于25.133，起到减振效果。在实际生产作业中，电压波动频率f=50，对应ω值约为314，而且电动机对转子施加力的频率为电源频率的倍数，因此转子受力频率应为314的倍数。结合图4可得：转子受力频率越高，A的取值越小，即选择电动机级数越高，减震效果越明显。

图3　速度波动幅度与负载关系曲线图

图 4　速度波动幅度与频率关系曲线图

由图5可看出：对于相同的传播距离s0处，平均输送速度越快，波动量减小得越明显；当平均输送速度一定时，如果传播速度存在波动，则波动幅度随着s0的增大逐渐减小，并且减小的逐渐加快。由图6可以看出：当μ值很小时，s0值的变化对A0值大小影响很小；当μ值逐渐增大时，随着s0值的增大对A0值减小的效果逐渐显著。

图 5　速度波动幅度与平均速度、传播距离关系曲线图

图6　速度波动幅度与摩擦系数、传播距离关系曲线图

3)由式(8)可以看出：输送带速度振动刚好降低到0的单元点距与主动滚筒接触点的距离sm受摩擦因数μ及接触点处速度波动振幅A大小有关：sm随μ的增大而减小，随A的增大而增大；但μ值的增大同时也增大了输送带的载荷值m，m的增大也导致接触点处速度波动振幅A值的增大。因此，摩擦因数μ值的增大并不一定能使sm值减小。

3结论及建议

1)采用振动力学原理，结合合理的模型，对检测红枣用的输送装置的振动进行了分析。结果表明：电机转速、传动比、主动滚筒直径都会对输送带速度波动大小起到正向效果，同时较大的输送速度可加快速度波动的衰减。因此，建议在设计时根据实际参数进行综合分析，选择合适的输送速度及电机级数、传动比等相关参数。

2)输送带输送速度的波动随着传播距离的增大逐渐被削弱，因此可以在输送带纵向振动降低到一定程度时为位置设立采样点。若条件允许，还可适量增加采样点离主动滚筒的距离，尽可能地避免纵向振动对采样效果的影响。

3)输送带与托盘之间的摩擦因数对输送速度波动的衰减影响较大，但过大的阻力会增加能耗，因此在托板材料选择时还应综合考虑减震效果与能耗。

参考文献：

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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

文章编号：1003-188X(2016)06-0059-05

中图分类号：S229；G237．5

文献标识码：A

作者简介：张灵通(1988-)，男，河南商丘人，硕士研究生，(E-mail)854913405@qq.com。通讯作者：李寿宁(1954-)，男，甘肃民勤人，教授，硕士生导师，(E-mail)1525900551@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51168042)；塔里木大学校长基金项目(TDZKPY201401)

收稿日期：2015-05-31