带式输送机胶带动力学特性建模与仿真研究.pdf

自动化应用数据处理与人工智能带式输送机胶带动力学特性建模与仿真研究李建生（晋能控股煤业集团地煤大同有限公司，山西大同0 37 0 0 0）摘要：针对带式输送机在运行过程中存在胶带张力异常、动态应力复杂等问题，易出现胶带的磨损和断裂，本文研究了带式输送机胶带动力学特性，建立了带式输送机胶带动力学特性数学模型，以运量为2 0 0 0 t/h，运行速度为4.5m/s的带式输送机作为研究对象，利用有限元分析软件Workbench搭建对应的输送带物理模型并进行仿真研究。结果表明，输送带和滚筒接触部位的应力最大，最大应力可达到18 MPa，并且最大应力由两边向中间递减，研究规律可为后期优化输送带结构并减小磨损提供一定参考依据。关键词：带式输送机，胶带，动力学特性，数学模型，WorkbenchLI Jiansheng中图分类号：H222Abstract:For the abnormal tape tension during the operation of the belt conveyor,problems such as complex dynamicstress,easy to cause wear and fracture of the tape.This paper studies the dynamic characteristics of the belt conveyor tape,amathematical model of belt conveyor tape,with the traffic volume of 2000th,a belt conveyor with a running speed of 4.5 m/s,asthe study object,the finite element analysis software Workbench was used to construct the corresponding conveyor beltphysical model and conduct the simulation study.The results show that the stress of the conveyor belt and the roller contactsite is the maximum,and the maximum stress can reach 18 MPa,and the maximum stress decreases from both sides to themiddle,the research rules can provide a reference for optimizing the conveyor belt structure and reducing the wear in thelater stage.Key words:belt conveyor,tape,kinetic characteristics,mathematical model,Workbench文献标识码：AResearch on Modeling and Simulation of Belt Conveyor Tape(Jinneng Coal Industry Group Datong Co.,Ltd.,Datong,Shanxi 037000,China)0引言带式输送机是散料输送系统中最重要的机械设备，广泛应用于港口、码头、煤矿、金属矿以及包装行业等1。随着我国对产量要求越来越大，带式输送机向高产量、长距离、大运量方向发展，其安全运行对保证稳定生产具有非常重要的作用2。带式输送机是一种常见的机电设备，通过驱动滚筒拉动输送带，利用物料与输送带之间的摩擦力将物料运输到机头部位并进行卸料。根据输送带的现场布置形式可以分为水平运输、倾斜运输和带有凹凸弧段的运输3种形式3。带式输送机主要用于输送物料,最常见的是倾斜布置形式,在物料输送过程中,位于胶带上的物料受自身重力的作用，胶带与滚筒接触力存在不均匀的情况，当以恒定运量输送物料时，输送带的动态应力比较复杂，易产生较大的振动和冲击，内部张力较大，影响带式输送机输送的平稳性4。为研究带式输送机胶带在运行状态作者简介：李建生，男，19 8 1年生，助理工程师，从事机电管理工作。210|自动化应用下的动力学特性，本文以主斜井运量为2 0 0 0 t/h的带式输送机作为分析对象，采用有限元分析法研究了带式输送机胶带动力学特性，在Workbench中搭建了输送带物理仿真模型并进行了模拟，最终得出了输送带的应力分布规律。1倾斜带式输送机结构与输送带参数特征倾斜带式输送机是目前常用的一种物料输送机电设备，整体结构和水平带式输送机相同，均由驱动滚筒、改向滚筒、张紧装置、输送带等部分组成，倾斜带式输送机布置形式图如图1所示。由图1可知，整个倾斜带式输送机的卸载滚筒直径为1800mm，整个带式输送机的工作原理是通过电动机驱动，将电能转变为机械能，输送带的速度为,拉动输送带运动并将输送带上的物料向前输送。其中,输送带是作为物料的承载构件，也是带式输送机的执行构件。输送带的型号与参数特征如表1所示。数据处理与人工智能自动化应用表1输送带参数特征(3)项目参数特征规格型号ST5000运量2.000 t/h提升高度H342.8 m带速4.5m/s上托辊间距1.5m上下托辊直径160 mm下托辊间距3m运输倾角。018改向1单位：mmV给煤点1400719205.86机尾滚筒图1倾斜带式输送机布置形式2带式输送机胶带动力学模型的建立输送带是由上下覆包胶、带芯和隔离层等组成，根据实际带芯的不同可分为尼龙带、钢丝绳芯带等，对于不同的输送带，在实际运行工作过程中都会受到张力作用，力学特性表现为粘弹性变形，为分析输送带的动力学特性，需要建立对应的模型进行分析5。输送带的动态特性一般均与材料有关，输送带的应变和所承受的外力有直接关系，当输送带在静止状态时，此时的应力和应变满足弹性特性,其表达式为：(1)8F=0A式中;E表示静弹性模量(N/mm);o。表示静应力(MPa);8表示静应变;F表示外部载荷作用（N);A表示有效横截面积(mm)。建立输送带的动力学模型时需要结合输送带的弹性和粘性，根据对组合理想弹性元件和理想粘性模型可得到输送带粘弹性模型，如图2 所示。(a)Maxwell 模型图2 输送带粘弹性模型由图2 可知，Maxwell模型是由弹性元件和阻尼元件串联构成,这两个模型的两个元件的应力是相同的，所以总的应变是两部分的叠加，可得到：E将式(3)对时间进行求导，可得到：de1d+%dEdn当其中的应变不变时,此时 de/dt=0,可得到;=0.e-sh。由式(4)可知，带式输送机的胶带应力随时间变化呈现指数型减小，在一定程度上输送带会变得越来越松弛，在实际使用过程中，输送带都会随着负载的作用导致内部卸载滚筒的粘性变形特增比较明显。18008d160018003121800T800k11.X2改向2$214传动21555.9E(4)3基于Workbench的胶带物理模型的建立为验证带式输送机输送带在恒定运量工况下的动力13传动1(2)E(b)Kelvin-Voigt 模型学特性，在SolidWorks2019中建立了胶带的三维模型,并将模型导人Workbench中进行仿真。根据输送带的参数特征,设定槽角为35,布置的间距为150 0 mm，输送带的运量为2 0 0 0 t/h,定义材料和属性参数如表2 所示。项目属性弹性模量/CPa泊松比密度/g/mm)参数特征橡胶定义材料后对整个结构进行网格划分，网格划分采用四面体单元划分法，并通过参数设置网格大小，划分后生成的节点数为56 36 3个，单元数为450 2 3，表明划分网格质量较高，网格划分结果如图3所示。图3网格划分结果由图3可知，输送带和滚筒接触位置对网格加密了间隙，细化网格的目的是提高求解精度,计算接触面位置的应力变化趋势6。对于整个带式输送机，机架部件是固定在地面上的，其中,驱动滚筒是采用直径为18 0 0 mm的圆柱代替，模拟现场运行工况下带式输送机胶带的应力变化趋势，设定求解项后对其进行求解计算。4胶带动力学特性仿真结果分析在SolidWorks2019中建立输送带的三维模型并导人到ANSYSWorkbench中进行应力分析，添加求解项进行计算，可得到带式输送机胶带运量为2 0 0 0 t/h时的动应力分析结果，如图4所示。由图4(a)可知，带式输送机在运动过程中的最大应表2 胶带的属性定义0.007 80.470.000.672023|16期|2 11参考文献4沈卫娜.长距离大运量胶带输送机动态特性研究D.唐山：河自动化应用数据处理与人工智能力为34.46 9 MPa，最大应力分布在输送带直线段与驱动滚筒接触位置处，此时的应力呈现中间位置小两边应力大的趋势,近似于呈现应力宽带形式7。由图4(b)可知,当输送带围包驱动滚筒2 时，输送带最大应力分布在直段与滚筒相切位置处，最大应力值为2 2.0 8 7 MPa。通过以上的分析可知，输送带在滚筒的绕人和绕出点之间是存在比较大的摩擦力作用,并且应力变化比较明显，应力出现集中情况，当作用在输送带的应力集中时，将会造成内部的张力变大,整个输送带的受力不均匀,在轴与滚筒接触处因存在轮毂边缘效应，会出现较大的压力集中，从而使得驱动滚筒的轴两端部存在较大的应力，轴的主要受力区域的应力范围是31 51MPa,因此，为保证输送带的稳定运行，需要合理控制输送带的绕人和绕出位置点。(a）1号驱动滚筒输送带应力分布图4输送带动态应力分布5结语带式输送机是一种常用的散料输送设备，输送带是带式输送机中的关键部件，本文采用有限元法分析了胶带的动力学特性，通过建立输送带的粘弹性数学模型，利用ANSYSWorkbench对输送带进行数值模拟。结果表明，当运量为2 0 0 0 t/h,运行速度为4.5m/s时，输送带和滚筒接触部位的应力值最大，并且出现了应力集中，应力集中将会引起输送带出现振动和冲击，内部张力产生突变,因此，为延长输送带的寿命，保证带式输送机的稳定安全运行，需要合理控制输送带的应力分布，改进和优化应力较大的部位。1潘鹏“蛇行”带式输送机转向动力学特性研究D.阜新：辽宁工程技术大学,2 0 15.2李晓婧.带式输送机动力学特性仿真与分析D.阜新：辽宁工程技术大学,2 0 15.3陈秋虹.大型带式输送机动力学建模与软件开发D.阜新：辽宁工程技术大学,2 0 11.057MaX19.6337.379472512279.01647.36234.90922.45411.0129e-7 Min（b）2 号驱动滚筒输送带应力分布北理工大学,2 0 0 9.5张晓君.胶带输送机输送带的动力学模型及分析方法J.机械管理开发,2 0 15,30(10)：10-12+2 3.6李玉瑾,何建平,冯强.带式输送机在采用固定拉紧装置时胶带的动力学特性分析与软起动设计C/中国机械工程学会，北京机械工程学会.制造业与未来中国2 0 0 2 年中国机械工程学会年会论文集，2 0 0 2：8 2-8 2.7马玉春.输送机胶带侧向动力学特性及控制装置研究D.阜新：辽宁工程技术大学，2 0 19.(责任编辑：黄霞）移动信息征稿启事移动信息由重庆西南信息有限公司（原国家科技部西南信息中心)主管主办，期刊目前已被中文科技期刊数据库(维普）收录。移动信息报道通信与信息技术相关行业最新研究成果和应用技术,以促进产学研合作,推动行业发展。主要报道方向为：工业互联网、能源互联网、5G/6G技术、物联网、移动通信、传感器网络、企业/档案信息化、数据治理、数字经济、人工智能、多媒体技术、大数据、数据科学、虚拟现实、自动化应用、计算机辅助教学、MOOC、信息通信人才培养、移动学习、网络课程教学探讨、教学模式创新与教学方法改革、与网络通信及计算机技术交叉结合的其他方向。主要读者对象是信息通信相关领域科研和工程技术人员,以及各大院校信息相关专业师生。欢迎广大作者与读者积极投稿和订阅！邮发代号：7 8-7 2。投稿邮箱：联系地址：重庆市渝北区洪湖西路18 号移动信息编辑部编辑部电话：[phone]邮编:40 112 1212|自动化应用