织物芯增强轻型输送带的固有特性分析

王 伟，梁清香，张 钊

（太原科技大学应用科学学院，太原030024）



织物芯增强轻型输送带的固有特性分析

王 伟，梁清香，张 钊

（太原科技大学应用科学学院，太原030024）

摘 要：以织物芯增强轻型输送带为研究对象，利用ansys软件对其进行固有特性分析，得到托辊间距、预紧力、载重物体质量密度对输送带固有频率影响的规律。研究表明：①织物芯增强轻型输送带的模态与其他输送带的模态基本相同；②托辊间距较小时，较小的预紧力对输送带前四阶固有频率的影响比较大；③预紧力较大时，较大的托辊间距对输送带前四阶固有频率的影响比较大；④物料质量密度不大时，物料质量密度对输送带前四阶固有频率的影响比较大。研究结果可为该类输送带的应用提供有价值的参考。

关键词：织物芯增强轻型输送带；固有特性；有限元；ANSYS

织物芯增强轻型输送带材料作为一种柔性的涂层织物，具有非线性、大变形、高度粘弹性等特性，需要在外加张力的作用下，才能承受外加荷载并保持一定的刚度，这些力学特性均给织物增强轻型输送带的设计、力学性能分析及应用带来不少困难。一方面理想化的假设使其在实际应用中出现了不可避免的偏差，另一方面，由于不能准确地把握其在复杂载荷、复杂工况下的力学性能，造成强度利用率低或使用寿命的缩短。因此对织物芯轻型输送带的力学性能开展研究具有现实意义。

输送带动态特性的研究与应用受到了广泛的关注［1］，但到目前为止，对织物芯增强轻型输送带的研究较少，且主要是对其拉伸力学性能的研究，导致了对织物芯增强轻型输送带的动态特性的掌握仍显不足。因此对其进行固有特性研究，了解影响此类输送带固有特性的敏感因素，将为该类输送带的应用提供有价值的参考。

1 分析对象

选择青岛橡胶六厂生产的织物芯增强轻型输送带为分析对象。输送带长200 m，宽5 m，由三层抗拉体组成，上下表面各涂一层覆盖胶［2］。上覆盖层、三层抗拉体、下覆盖层厚度分别为4.5 mm、1.5 mm、1.5 mm、1.5 mm、3 mm.抗拉体为尼龙材料，覆盖层为橡胶材料。输送带水平放置，分为上下两部分，滚筒直径为640 mm.

本文对影响输送带固有特性的三方面因素进行分析：托辊间距、预紧力、载重物体质量密度。

2 输送带模态分析

橡胶弹性模量为7.84 MPa，泊松比0.47，质量密度1350 kg/ m3.尼龙弹性模量为2.83 GPa，泊松比0.4，质量密度1140 kg/ m3.输送带自重产生的悬垂度对其弹性模量有较大影响，水平输送带的等效弹性模量计算公式为［3］：

式中E为等效弹性模量，EB为胶带单位宽度上的弹性模量，q为输送带单位长度值重量，q0为物料单位长度质量，l为托辊间距，B为输送带宽度，T为预紧力［4］。输送带共五层，每层预紧力设定为总预紧力的1/5.

ansys中输送带选用的单元类型为shell99［5］，载荷采用的单元类型为solid45，在托辊处与滚筒处均施加限制法向的约束，由于需对输送带进行多次模拟分析，故采用ansys二次开发语言APDL［6］进行建模，设定分析4阶模态。图1为输送带整体有限元分析模型，图2为输送带在滚动处的局部有限元分析模型。

图1 输送带整体有限元分析模型Fig.1 Finite element analysis model of the belt

图2 输送带在滚动处的局部有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model at conveyor belt roll

3 模态分析结果

3.1 模态响应

设定输送带托辊间距为1.5 m，预紧力为50 kN，空载时输送带前4阶模态如图3～图6所示。

图3 一阶模态响应Fig.3 The first order mode response

图4 二阶模态响应Fig.4 The second order mode response

图5 三阶模态响应Fig.5 The third-order modal response

图6 四阶模态响应Fig.6 The fourth-order modal response

由此可见，织物芯增强轻型输送带的模态与其他输送带的模态［7］基本相同。

3.2 托辊间距、预紧力对输送带固有频率影响

改变托辊间距和预紧力，得到空载时不同托辊间距和预紧力时输送带前4阶固有频率值，列于表1.图7～图9为托辊间距分别为0.5 m、1 m、1.5 m时随预紧力增加前4阶固有频率的变化曲线，图10～图13为预紧力分别为50 kN、100 kN、150 kN、200 kN时随托辊间距增加前4阶固有频率的变化曲线。

表1 不同托辊间距和预紧力的固有频率分析结果Tab.1 Natural frequency analysis results of different roller spacing and preload

率/ Hz三阶　四阶 0.695 14 0.699 12 0.695 74 0.701 09 0.695 81 0.701 37 0.360 76 0.444 35 0.455 49 0.508 61 0.527 83 0.546 46 0.546 30 0.670 42 0.566 96 0.695 97 0.589 10 0.695 98 0.611 05 0.696 00 0.272 26 0.272 79 0.427 53 0.4320 40 0.497 28 0.513 57 0.530 24 0.594 16 0.546 58 0.695 96 0.564 26 0.695 97 0.582 75 0.695 98 0.159 34 0.196 48 0.226 21 0.305 12 0.313 05 0.416 48 0.392 54 0.515 29 150　 0.193 71 0.351 77 0.442 78 0.618 82 175　 0.215 27 0.371 50 0.467 59 0.695 85 200　 0.236 08 0.386 71 0.481 84 0.695 92

图7 托辊间距为0.5 m，前4阶固有频率随预力变化曲线Fig.7 Roller spacing of 0.5 m，the first four-order natural frequency with changing preload

由图可见，托辊间距一定时，随着预紧力的增加各阶固有频率增大；托辊间距较小时，较小的预紧力对固有频率影响较大，较大的预紧力只对基频有影响；托辊间距较大时，预紧力对各阶固有频率影响均较大；预紧力一定时，随着托辊间距增加各阶固有频率减小；无论预紧力大小如何，托辊间距对各阶固有频率影响均较大，对基频的影响较小，对高阶频率的影响较大。

图8 托辊间距为1 m，前4阶固有频率随预紧力变化曲线Fig.8 Idler spacing of 1 m，the first four-order natural frequency with changing preload

图9 托辊间距为1.75 m，前4阶固有频率随预紧力变化曲线Fig.9 Idler spacing of 1.75 m，the first four-order natural frequency with changing preload

图10 预紧力为50 kN，前4阶固有频率随托辊间距变化曲线Fig.10 Preload 50 kN，the first four-order natural frequency with changing roller spacing

图11 预紧力为100 kN，前4阶固有频率随托辊间距变化曲线Fig.11 Preload 100 kN，the first four-order natural frequency with changing roller spacing

图12 预紧力为150 kN，前4阶固有频率随托辊间距变化曲线Fig.12 reload 150 kN，the first four-order natural frequency with changing roller spacing

图13 预紧力为200 kN，前4阶固有频率随托辊间距变化曲线Fig.13 Preload 200 kN，the first four-order natural frequency with changing roller spacing

3.3 物料质量密度对固有频率的影响

设定输送带托辊间距为1.5 m，预紧力为50 kN，改变物料的密度，得到不同物料质量密度情况下，输送带前4阶固有频率值，图14为输送带前4阶固有频率的变化曲线。

由图14可见，随着物料质量密度增加，输送带前4阶固有频率减小；物料质量密度较小时固有频率减小幅度较大，物料质量密度较大时影响逐渐减小；越高阶的频率受物料质量密度影响越大。

图14 前4阶固有频率随物料质量密度变化曲线Fig.14 he first four-order natural frequencies with changing mass density

4 结论

通过本文的数值分析，得出如下结论：

（1）织物芯增强轻型输送带的模态与其他输送带的模态基本相同；

（2）托辊间距较小时，较小的预紧力对固有频率影响较大，较大的预紧力只对基频有影响，因此增加预紧力必须关注基频；托辊间距较大时，预紧力对固有频率影响均较大，因此此时增加预紧力应关注各阶频率的变化；

（3）无论预紧力大小如何，托辊间距对各阶固有频率均有影响，但对基频的影响较小，对高阶频率的影响较大，因此预紧力一定时，改变托辊间距应关注各阶频率，尤其是高阶频率；

（4）越高阶的频率受物料质量密度影响越大；物料质量密度不大时，它对输送带前四阶固有频率有较大影响。

参考文献：

［1］ 宋伟刚.带式输送机避免共振设计的研究［J］.东北大学学报，2002（4）：1-4.

［2］ 黎胜龙.圆管带式输送机机架结构的模态分析研究［J］.煤矿机械，2005（11）：1-3.

［3］ 李光布.带式输送机动态特性研究［D］.上海：上海交通大学，2003：30-34.

［4］ 胡昊.带式输送胶带机的运行阻力及张力的计算［J］.石油工程建设，2012，25（1）：64-66.

［5］ 丁敏峰.ANSYS_12.0有限元分析完全手册［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［6］ 师访.ANSYS二次开发及应用实例详解［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［7］ 张元越.基于有限元的输送带模态分析［J］.煤矿机械，2012（2）：1-2.

Inherent Characteristics Analysis of Fabric Core Reinforced Light Conveyor Belt

WANG wei，LIANG Qing-xiang，ZHANG zhao
（School of Applied Science，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：The natural frequency of the core fabric-reinforced light conveyor belt was studied by using ANSYS software，and the law of the influence of the distance between the rollers，the preload and the mass density of load on natural frequency of the conveyor belt was obtained.The results show that：①the modal of the core fabric-reinforced light conveyor belt is basically the same as those of other belts；②the smaller preload has more influence on the former four-order natural frequency of belt when the distance between the rollers is smaller；③the larger distance between the rollers has more influence on the former four-order inherent frequency of belt when the preload is larger；④the mass density has more influence on the former four-order inherent frequency of belt when it is not large.The above results can provide valuable reference for the application of such kind of conveyor belt.

Key words：core fabric-reinforced light conveyor belt，inherent characteristics，finite element，ANSYS

中图分类号：TE972

文献标志码：A

doi：10.3969/ j.issn.1673 -2057.2016.03.015

文章编号：1673 -2057（2016）03 -0238 -05

收稿日期：2015-07-15

作者简介：王伟（1989 -），男，硕士研究生，主要研究方向为工程问题的数值解法与优化设计。