带式输送机虚拟样机设计研究

撰文/王茜　韩刚　韵婷婷



带式输送机虚拟样机设计研究

撰文/王茜韩刚韵婷婷

本文通过带式输送机系统简化、3D样机建模、样机装配、施加载荷约束等设计步骤，最终在ADAMS上建立简化的带式输送机虚拟样机。通对样机进行模拟性能测试，达到提高设计性能、降低设计成本、减少产品开发周期的目的。带式输送机；虚拟样机；设计

■030024太原科技大学山西太原

传统的带式输送机（以下简称输送机）的设计通常采用静态设计方法，将输送机的输送带作为刚体来研究，在静力学基础上按匀速运行状态对输送机进行受力分析和相关参数的设计，通过加大安全系数的方法来考虑输送机非稳定工况下的动载荷问题，这种设计方法不符合长距离大型输送机的实际使用情况，它不仅使输送机的成本增大，而且还可能引起制动过程中产生较大的输送带动张力和运行的不稳定性，从而导致输送带接头失效和滚筒、托辊以及其他部件的损坏。

随着机械产品设计方法的不断更新，人们将虚拟样机技术引入到输送机的设计中，使输送机的设计精度有了很大的提高。由于输送机的虚拟样机技术对于工业社会的发展有相当大的促进作用，因此得到了国家的足够重视[1]。

1　输送机虚拟样机模型的建立

在建立的输送机虚拟样机模型中，简化驱动滚筒、改向滚筒、输送带、张紧装置等主要部件结构。把驱动滚筒设在输送机系统的头部，驱动装置简化成为一个驱动力矩，并将驱动加在传动滚筒上。把改向滚筒设在输送机系统的尾部，将其简化为由轴和绕轴转动圆柱体组成的两个刚体，对其施加一个预紧力，张紧方式采用重力式，并将其直接简化为力，直接将张紧力作用在改向滚筒的轴上[2]。即简化成一个最基本、最原始的输送机系统。简图如图1 所示。

图1　带式输送机系统简图

2　输送机虚拟样机的简化

在建立输送机虚拟样机过程中，将固定不运动的输送机的机架简化为地面，将驱动装置、传动滚筒、改向滚筒、托辊以及其他零部件视作刚性体；将作为主要传动和承载部件的输送带当作柔性体[2]。

通过三维造型软件Solidworks完成滚筒、托辊和机架等基本部件的建模。输送带采取离散法建模,将带体离散成尺寸相同的若干个小带块,再按照几何关系进行装配。然后将建立的三维模型转化成Parasolid类型文件,导入ADAMS。因为此时导入的带块仍为刚体,需调用ADAMS/Flex模块进行带块的柔性化,然后施加约束和载荷，完成输送机的虚拟样机。

3　输送机虚拟样机设计过程中存在的一些问题

3.1输送带的建模。输送带是输送机的主要部件，起到承载货物、传递动力的作用，它的动态特性取决于输送带的力学性能，且直接影响着整机的运行质量。它本身的物理特性复杂，应力——应变关系呈非线性关系，是一种典型的黏弹性体,具有蠕变特性、松弛特性、滞后特性和材料动特性等。

在虚拟样机的建模过程中，将输送带的视作柔性体，要准确处理输送带的建模是很困难的。目前大多采用离散单元法，以离散模型替代连续模型，将输送带分成有限个刚体单元，使用具有柔性特征的弹簧阻尼单元使刚体单元之间相互连接。我们知道，虽然在理论上离散性可以很好的代替连续性计算，但在实际操作中，采用ADAMS软件来处理输送带三维模型时,长距离的输送带是不易处理的,主要原因在于计算在有限元划分时,庞大的单元数目和连接约束对计算机硬件有很大的挑战，很难完成[3]。因此，运用ADAMS做仿真计算时，处理短距离输送机优势比较明显，对于处理长距离带式输送机弊端是比较多的，但长距离的带式输送机更需要动态特性分析与仿真计算。

3.2物料流均匀与非均匀负载模拟。即使我们认为输送带离散单元的处理方式合理，但物料流的负载问题依旧是个难点。常规的方法是：将输送带所承载的物料均匀化，将物料质量等效在输送带的离散单元质量上，但这种等质量的划分与实际运行的带式输送机是不相符的[3]。

3.3带式输送机系统简化。由于输送机系统的结构复杂性,要建立基于零件级的动力学方程几乎是不可能，因此，我们要对输送机的系统进行必要的简化。

4　结论

带式输送机一直向高带速、重载、大运量的方向发展，关键零部件的优化和系统的动态特性计算直接影响着整机运行性能和资本投入。随着虚拟样机技术的快速发展，将虚拟样机技术引入到输送机的设计中将有很重要的实际意义。因此，我们要继续深入的研究输送机的虚拟样机技术，结合国外的先进技术，建立出更加完善的输送机的虚拟样机，进而降低输送机的设计成本，提高其性能。

参考：

[1]段秀兵,郝志勇,岳东鹏,宋宝安.基于虚拟样机技术的车用柴油机曲轴系统动态特性研究[J].拖拉机与农用运输车,2014(2):31-33.

[2]郭永存，胡 坤，许志洋.带式输送机虚拟样机设计研究[J].起重运输机械，2009（8）:63-65.

[3]胡坤，郭永存，陈明强.带式输送机绿色设计关键技术与应用研究[J].2012（6）:30-32.

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