基于LabVIEW的输送机动特性仿真及启动加速度研究*

程良燕

(安徽城市管理职业学院 城市建设系，安徽 合肥 230001)



基于LabVIEW的输送机动特性仿真及启动加速度研究*

程良燕

(安徽城市管理职业学院 城市建设系，安徽 合肥 230001)

利用LabVIEW软件，建立了一种能够体现带式输送机动态特性的仿真模型，通过对输送机的满载启动工况进行仿真实验，得到了输送机驱动滚筒承载段、回空段以及输送机尾部的张力和速度曲线变化图。在三种启动加速度下，得到输送机驱动滚筒承载段的动张力和速度变化图。通过对仿真结果进行对比，发现启动加速度的最大值和其最大变化率直接影响输送机的动态特性，从而为最佳启动加速度研究提供新的方法。

LabVIEW；动态特性；仿真；启动加速度

带式输送机作为当今社会煤炭、矿山、粮食等行业的大运量机械设备，其应用地位越来越高，为了使其适应现代工业、制造业的飞速发展，越来越多的研究人员着手于输送机的动态特性研究及启动加速度设计，致力于满足各行各业对输送机的长距离、更大运量、高速性和稳定性等日益渐高的要求。传统的研究方法是利用MATLAB软件对输送机进行相关的仿真研究[1]-[3]，近年来，也有部分文献利用AMESim软件来进行输送机的仿真研究[4]-[5]。本文利用由美国NI公司研发的LabVIEW软件，在LabVIEW图形化编程语言的平台上，对带式输送机在满载启动工况下的动力学特性进行仿真研究。LabVIEW比MATLAB和AMESim更直观、便捷，其具有方便的输入输出功能，仿真精度高及效率高等优点。

1 输送机模型的建立

1.1 基本假设

在对输送机系统作如下假设的基础上，建立其动力学模型：

(1)输送带和物料的横向振动较纵向振动影响小，可只考虑纵向振动；

(2)托辊的等效质量和输送物料的质量在各分支上沿输送带纵向均匀分布；

(3)驱动系统和驱动滚筒作为整体，都看作是刚体；

(4)缠绕在滚筒上的输送带在滚筒上无相对滑动，其质量忽略不计；

(5)输送带的运行阻力在上、下分支沿输送带段纵向均匀分布。

1.2 输送带模型的选择

粘弹性是输送带的动力学明显特征，故利用输送带的粘弹性模型来建立输送带的动力学模型。本文选用输送带的粘弹性模型为Kelvin模型[6]，它由弹簧和阻尼器并联而成。

1.3 输送机系统动力学模型

将输送带回转系统划分为有限单元，系统的分布质量分段聚缩到有限各点上，各点之间通过Kelvin模型连接起来，于是形成离散系统。此分析方法也称为有限元法[7]。则输送机系统的动力学模型如图1所示。

图1输送机动力学模型Fig.1 Dynamic model of the conveyor

1.4 仿真模型的建立

以某输送煤炭的带式输送机为例，输送机总长500m，输送机为头部单滚筒驱动的水平运输系统，输送带型号为EP500/5 2+4mm，带宽800m，尼龙带层数为4，弹性模量为737KN/m层，流变常数为0.0268s/层，稳定时的带速为3.15m/s，上分支满载时重量为71.58kg/m，上分支空载时重量为18.5kg/m，下分支的重量为13kg/m，上、下分支的运行阻力系数分别为0.04和0.035。

利用上述的有限元法，将此输送带沿纵向等距离划分为20个单元，即每25m作为一个单元，滚筒划分在相近的单元中。在LabVIEW软件环境中，利用程序框图、MathScript节点和MATLAB脚本节点，建立输入量为启动加速度，输出量为输送带的动张力和速度的仿真模型。

1.5 仿真参数的设置

Simulation Loop中仿真参数的设置是运行仿真模型的前提，各部分参数设置如下：

(1)仿真算法的选择：本系统的动力学方程为刚性方程，所以采用向后微分(BDF)算法，仿真步长由计算机自动智能选取，以保证其运行速度和精度。

(2)仿真时间的设置：选择仿真时间为70秒。

(3)仿真计时参数设置：根据所选择的变步长ODE算法，选择软件计时源(Software Timing)，以此来提高仿真的运行速度。

2 仿真结果分析

在上述建立好的LabVIEW仿真模型的基础上，以等加速度方式进行满载启动，通过LabVIEW前面板波形显示窗口可观察其仿真运行结果，即为带式输送机在满载启动工况下，输送机各动态特性参数的变化过程。其仿真运行结果如图2所示：

图2 输送带等加速启动的动态特性Fig.2 Dynamic characteristics of belt by constant acceleration

从图2a(由上向下依次为单元1、单元11、单元20的张力曲线)可以观察到，输送机在等加速的启动下，驱动滚筒承载段(单元1)的输送带动张力直线上升，直到达到最大值，最后趋向平稳；输送机尾部回空段(单元11)和驱动滚筒回空段(单元20)的输送带动张力先减小，直到达到最小值，最后趋向平稳。这是因为在输送机启动瞬间，驱动滚筒承载段已经先于其他段开始运动，使得承载段产生的位移全部被尾部的拉紧滚筒承受，导致回空段张力下降。由仿真结果可知，从驱动滚筒的承载段到驱动滚筒的回空段，带式输送机的带张力逐渐减小。即整个带式输送机，在启动过程中，驱动滚筒承载段的动张力最大，驱动滚筒回空段的动张力最小。

从图2b(由上向下分别为单元1和单元11的速度曲线)可以观察到，在启动的初始阶段，输送机尾部回空段(单元11)的速度略滞后于驱动滚筒承载段(单元1)的速度，完全符合输送带的粘弹性特性。

3 三种启动加速度控制下的动态特性

3.1 三种启动加速度

本文在正弦形、梯形和三角形三种启动加速度下，研究输送带的动力学特性。其中，T为启动运行时间(仿真时间为60s)，v0为额定带速(即3.15m/s)。

(1)正弦形加速度

(2)梯形加速度

梯形加速度控制曲线表达式为：

(3)三角形加速度

三角形加速度控制曲线表达式为：

3.2 三种启动加速度控制下的仿真分析

在前面建立的仿真模型的基础上，以正弦形、梯形、三角形加速度分别为输入，得到启动过程中驱动滚筒承载段(单元1)的动张力曲线(图3)和速度曲线(图4)。

图3 三种启动加速度下输送带动张力Fig.3 Dynamic tension of belt by three starting acceleration

图4 三种启动加速度下输送带速度Fig.4 Velocity of belt by three starting acceleration

由仿真结果可看出，相比较而言，输送带启动过程中的最大动张力在梯形加速度控制下最大，在三角形加速度控制下最小；输送带启动过程中的速度变化在梯形加速度控制下最平缓，在三角形加速度控制下最快。此结果表明，输送带启动过程中的最大动张力受到启动加速度变化率的影响，加速度变化率越大，对输送带的冲击就越大；启动加速度的最大值影响着输送带启动过程中速度上升的快慢，启动加速度的最大值越大，输送带速度上升的就越快，输送带就越容易打滑或跑偏。

4 结论

(1)本文利用LabVIEW软件对带式输送机的动态特性进行仿真，仿真结果与输送机实际运行情况相符合，为以后带式输送机研究指出了新的建模及仿真工具。

(2)通过对三种启动加速度控制下的带式输送机进行动态特性仿真，对比结果发现，在研究输送机的动态特性时，不仅要考虑启动加速度的最大值对启动速度的影响，还要考虑启动加速度的变化率对启动张力的影响。在此规则下，若能找到一种加速度曲线，其加速度的最大值和其加速度变化率都较其他曲线小，则此加速度为最佳启动加速度。

[1]Harrison A．On the Appropriate Use of Dynamic Stress Models for Conveyor Design [J]. Bulk solids handling, 1988, 8(6): 677-680.

[2]郭峰. 带式输送机启动过程动力学仿真研究[J].计算机仿真，2014, 36(12): 246 - 250.

[3]宋伟刚. 用计算机绘制交流电动机与液力偶合器联合工作特性曲线的方法[J].连续输送技术,1996(1):2-4.

[4]赵东升. 基于AMESim的带式输送机仿真建模方法研究[J].中国矿业，2013, 22(2):114-116, 121．

[5]李建华，赵松. 基于AMESim的带式输送机启动加速度研究[J].煤矿机械，2014,35(10): 256 - 257.

[6]A Harrison. Simulation of Conveyor Dynamics [J].bulk solids handling, 1996, 16(1):33-36.

[7]李光布. 大型带式输送机动力学建模与仿真研究[J].机械设计与研究,2008,24(4): 98 - 100.

Dynamic characteristics simulation of Conveyor and research of starting acceleration based on LabVIEW

CHENG Liang-yan

(Department of City Construction, Anhui Vocational College of City Management, Hefei 230001, China)

This paper uses the LabVIEW software to establish a simulation model, which can reflect the dynamic characteristics of the belt conveyor, and carried out dynamic simulation in condition of starting up and full loads, the belt tension and velocity of driving drum of loaded section, back section and tail of belt are obtained. The belt tension and velocity of driving drum of loaded section are obtained by three starting accelerations, through the comparison of the simulation results; found that the dynamic characteristics of belt conveyor are affected by the maximum value and the maximum variance ratio of the starting acceleration. Then a method is present for the research of optimal soft starting.

LabVIEW; dynamic characteristics; simulation; starting acceleration

2015-11-27

程良燕(1984-)，女，安徽怀宁人，助教、硕士。主要研究方向：自动控制。

TD528

A

1673-6125(2016)01-0010-04