带式输送机拉紧装置有限元模型分析*

崔 林

(山西安煤矿业设计工程有限公司,山西太原 030006)

带式输送机拉紧装置有限元模型分析*

崔 林

(山西安煤矿业设计工程有限公司,山西太原 030006)

拉紧装置是带式输送机的重要部件之一,依据带式输送机有限元模型,分析了几种拉紧装置的动力学模型和动力学方程,为研究带式输送机整机动态特性及仿真试验提供了理论基础。

带式输送机;拉紧装置;有限元;动力学

0 引 言

随着长距离、高带速、大功率的带式输送机发展,静态设计已经不能满足需要,需要对带式输送机进行动态分析,而建立动力学模型是进行动态设计的理论基础。目前,建立输送带动力学模型的方法有连续模型法和离散模型法。连续模型法可通过解析法或半解析法对简化后的模型进求解,离散模型可借助计算机进行数值求解,具有精度高、速度快的特点。拉紧装置作为带式输送机的重要部件之一,其动态特性直接影响整机的动态特性,因而本文对拉紧装置的动力学模型进行了分析研究。

1 拉紧装置的作用及类型

拉紧装置有着极其重要的作用,它通过调节输送带的松紧程度,使输送带具有足够的张力,防止打滑且满足输送带的垂度要求;其次,它可以补偿输送带的弹性伸长和塑形永久伸长。对于长距离、大功率皮带输送机的拉紧装置,不仅要求其能够满足正常运行的要求外,还要求其具有自动调节拉紧力、响应速度快、可靠性高等特点。

目前,常用的大型带式输送机拉紧装置主要有绞车拉紧式、重锤式和液压自动拉紧装置[1]3种。

绞车拉紧装置又分为绞车自动拉紧式和固定绞车拉紧式。绞车拉紧就是通过滑轮组钢丝绳牵引滚筒车架实现张紧,而且一旦调定好拉紧力后,不能自动调节,当绞车出现问题时,不能产生恒定的拉紧力或拉紧力失效,安全可靠性相对降低。绞车拉紧装置由于其拉紧力大,拉紧行程大,通常用于中长距离、大运量的带式输送机。

垂锤拉紧装置分为垂直重锤拉紧式和重锤车式拉紧式。该装置拉紧力的大小用增加或减少重锤块来实现,其结构简单,拉紧力恒定,拉紧行程大,能自动补偿输送带的伸长变化,但占用空间较大,通常用于中长距离、大功率输送机,尤其适合倾斜输送的输送机上。

液压自动拉紧装置利用液压油缸或液压绞车为系统进行张力调节,其特点是可以根据输送机运行工况的需要调节拉紧力的大小,运行安全可靠,是现代大型带式输送机中广泛应用的拉紧形式。此外,变频自动拉紧装置已成为研究热点之一,它主要由变频单元、驱动单元、滑轮单元和拉紧小车等组成[2],系统较为简单。优点是利用变频器和压力传感器反馈系统控制变频电机,响应迅速快,运行稳定。

2 粘弹性力学模型

长距离、大运量、高带速的带式输送机通常选用钢丝绳芯输送带,其上下边部覆以橡胶层。当受到外力时,输送带具有明显的粘弹性特性。用来描述输送带粘弹性模型有Maxwell模型、Kelvin模型和多元复合模型。

如图1所示,Maxwell模型是一个弹簧和一个阻尼器串联组成的,作用在2个元件上的应力相同,总应变是2个元件应变之和,即:

当给模型加上初应变后且总应变保持不变,可得松弛方程:

式中:E为弹性模量;η为阻尼系数;τ为流变常数。

图1 牛头刨床传动机构

Maxwell模型用于描述松弛特性,而不能确切的描述蠕变特性。

如图2所示,Kelvin模型是一个弹簧和一个阻尼器并联的模型,作用在2个元件上的应变相同,总应力是2个元件所受应力之和,即:

当给模型加上一个初应力且保持不变,可得蠕变方程:

Kelvin模型用于描述蠕变特性,而不能确切的描述松弛特性。

图2 Kelvin模型

多元复合模型就是上述两种模型的组合,如文献[3]给出了一个五元件复合模型。复合模型虽然能更为精确地模拟了输送带的特性,但其参数的确定也更为复杂。此外,考虑到自动张紧装置可以适当补偿输送带在运行中产生的松弛,因而通常选用Kelvin模型对带式输送机进行动力学分析。

3 拉紧装置的有限元模型及方程

3.1 假设条件

带式输送机在运行过程中,存在多种振动形式,在此主要研究带式输送机的纵向振动,所以在建模前要有以下假设条件:①输送带运行阻力沿纵向均匀分布;②不考虑输送带的横向振动,只考虑纵向拉伸;③不考虑机架及托辊组等的弹性振动。

3.2 离散单元划分

假设物料在输送带上是均匀分布的,将输送带连续系统的分布质量分段聚缩到n个点上,各点之间用弹簧、阻尼和质点连接起来,如图3所示。这样就将连续系统划分为离散系统,系统中的刚度系数k和阻尼系数c可用以下公式计算:

式中:B为输送带的宽度,m。

目前,测定输送带动力学模型参数的方法有衰减自由振动法、动态拉伸法和应力波传播速度法等。文献[4]采用动态拉伸法测定了弹性模量E,并利用能量衰减理论测得流变常数τ,结果表明Kelvin模型能够精确描述输送带的粘弹性特性,利用动态拉伸法测试的结果也相当稳定。

图3 设置从动轴

3.3 带式输送机系统的动力学方程建立

依据胶带的Kelvin模型,对每个单元建立动力学方程,然后写出矩阵的形式:

上式是一个非线性一阶微分方程,采用四阶龙格-库塔方法可进行数值求解,进而可获得任意时刻输送带的运动参量,那么两相邻单元间的动张力为:

3.4 拉紧装置的动力学方程建立

不同的拉紧装置受力不同,针对不同的拉紧装置需要建立相应的动力学模型及方程[5]。

(1)液压自动拉紧装置动力学方程

液压自动拉紧装置动力学模型如图4所示。

图4 液压自动拉紧装置动力学模型图

式中:m0为滑轮组及液压缸活塞杆的质量,kg;m1为拉紧小车及滚筒的变位质量之和,kg;m2为拉紧滚筒圆周的变位质量,kg;F为液压缸活塞杆拉力,N。

(2)重锤拉紧装置的动力学方程

重锤拉紧装置动力学模型如图5所示。

图5 重锤拉紧装置动力学模型

式中:m0为拉紧小车、拉紧滚筒和重锤的变位质量之和,kg;m1为拉紧滚筒圆周的变位质量,kg。

(3)固定绞车拉紧装置动力学方程

固定绞车拉紧装置动力学模型如图6所示。

图6 固定绞车拉紧装置动力学模型

式中:m0为拉紧小车和拉紧滚筒的变位质量之和, kg;m1为拉紧滚筒圆周的变位质量,kg。

4 结 语

依据材料粘弹性理论,对拉紧装置的一维有限元模型进行了分析,并建立了动力学方程,对带式输送机整机动态优化设计有着重要的意义,同时也为带式输送机动态特性仿真试验提供了理论基础。

[1] 田 恬.带式输送机拉紧装置的类型与布置[J].煤炭工程, 2012(10):181-182.

[2] 孙方相,李秀云,宋 峰.变频恒扭矩自动拉紧装置的开发设计[J].煤矿机械,2015,36(1):163-165.

[3] Lodewijks.G.Two Decades Dynamics of Belt Conveyor Systems[J]. Bulk Solids Handling,2002,22(2):124-132.

[4] 陈 珏.大型带式输送机动态分析用输送带参数的测定[J].煤矿机械,2008,29(11):3-6.

[5] 李冬梅,程秀芳.带式输送机拉紧装置动态特性分析[J].煤矿机械,2010,31(7):72-74.

Finite Element Analysis of the Tension Device in Belt Conveyor

CUI Lin
(Shanxi Anmei Mining Design Engineering Co.,Ltd,Taiyuan Shanxi 030006,China)

The tension device is one of the important parts of belt conveyor.In this paper,based on the finite element model of belt conveyor,the dynamic models and dynamic equations of several tension devices are analyzed.Thus a theoretical basis on dynamic characteristics and simulation experiments of the belt conveyor is provided.

belt conveyor;tension device;finite element;dynamics

TD528

A

1007-4414(2015)05-0026-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.009

2015-07-09

崔 林(1986-),男,山西大同人,硕士研究生,助理工程师,主要从事带式输送机及矿井地面生产系统设计方面的工作。