基于多体动力学特性的输送带跑偏影响因素分析

刘欣

【摘 要】 本文针对输送机在运行中经常会出现输送带的跑偏问题，对各种跑偏形成的原因及其规律进行了分析研究，并提出运用多体系统动力学办法对系统做离散化的处理，并对滚筒运行的情况及平行度、输送带的黏弹性和压陷程度等各个方面的情况进行研究。研究显示，输送带的跑偏不只是同其受力的程度相关，还跟材料的黏弹性相关;输送带的偏移量同所受压陷的程度相关，受压越深偏移量越大;输送带的跑偏问题会造成主动的滚筒应变应力及整体分布产生变化，减少输送带寿命。

【关键词】 输送带跑偏;多体系统动力学;平行度;黏弹性

【中图分类号】 TH222 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）03-0014-03

带式输送机是用来满足生产物资运送需求的设备，因其具有低成本、适用性强等优势被普遍用于化工、煤炭、石油等多个领域。该设备的关键组成部分是输送带，主要构成包括橡胶、金属、塑料等各种材料，其动力学的主要特征为黏弹性，具体表现为：黏滞后、蠕变、松弛、非线性应力-应变等特性，容易造成运行中发生大位移、大变形、耦合效应等问题。其中黏弹性的耦合效应是让整个输送带的轴向力、张力、加速度与速度等各项性能产生冲击、振动、变化，以避免在设备工作运行时发生跑偏。皮带跑偏作为一种普遍存在问题，国内外学者都在不断地研究和优化，随着科技的发展，国外已经将自动纠偏、远程检测等控制技术应用到皮带输送机中;我国将力学分析、软件建模等技术手段在皮带运输机上使用，使其结构和控制不断优化，皮带跑偏问题得到了极大改善，但仍有很大的优化空间。本文利用多体动力学特性对皮带运输机建立刚柔耦合仿真模型，针对皮带跑偏问题进行研究，找出皮带机跑偏原因，为皮带运输机的优化提供可靠数据。

1滚筒平行度对输送带跑偏影响

1.1滚筒的轴线方向平行度

由于带式输送机从制造到安装再到使用都存在误差及磨损，在主動与从动的滚筒之间出现不平行轴线问题，造成输送带的两侧不能均匀受力，产生了轴向力，导致输送带跑偏问题出现。为了进一步确定两个滚筒的平行度导致的跑偏程度，本文假定输送机不存在制造和安装误差，主动滚筒的轴线方向和Z轴保持平行，按照逆时针方向从动滚筒朝Z轴的方向进行q角度偏转，到达从动滚筒位置，这时在轴线的方向就会产生主动和从动两滚筒的公差平行度。

1.2滚筒的轴线平行度造成输送带的跑偏影响

根据受力情况的分析研究可知，造成输送带发生偏移问题的主要原因是滚筒与输送带之间轴向力所致。故此，要对偏转不同角度，输送带轴向力及偏移量在不同时间的情况变化进行重点研究，根据本文的研究可知，主滚筒的角度偏转θ1=0°时，最初出现的输送带轴向力比较小，近乎不用考虑;但自2s起，轴向力开始增加，但作用仍然不大，自运动10s时，达到轴向力的最高值是1.0410 N ?10-7。输送带所承受的轴向力仍然较小，关键是因为滚筒和输送带前部相接触的部分受挤压，而后面部分处在放松的状态，在输送带黏弹性的作用下，输送带挤压恢复的过程比较迟滞，导致滚筒和输送带产生非对称的接触，以致滚筒和输送带之间出现轴向力。当从动滚筒的角度偏转q1=0°时，输送带没有发生偏移现象，当运行的时间不断增加，偏移情况开始出现并不断增加，直至达到1.39 ? 10-10 mm峰值为止，所承受的轴向力相对较小。由此可见，主动和从动两个滚筒之间在不受公差平行度影响的情况下，其输送带偏移量比较小，存在跑偏的现象。

2输送带制造材料的黏弹性及其运行的状态构成输送带的跑偏影响

2.1输送带制造材料的刚度及阻尼构成输送带的跑偏影响

输送带制造材质的刚度和阻尼是其黏弹性程度的重要因素，同单元离散能量及坐标变化紧密关联。故此，通过建立滚筒与输送带之间多体系统刚柔耦合动力学仿真模型，根据其动态状况分析输送带阻尼及刚度对跑偏的具体影响。研究表明，当输送带刚度的系统在8.0 ? 10 4N/mm 和9.0 ?104 N/mm 以及1.0 ? 10 5N/mm 的时候，与其相对的偏移量最高值可以达到1.39 ? 10 mm-10和3.08 ?  10 mm-11以及2.45 ? 10-10 mm 。这表明在规定范围之内，输送带的偏移量和材料刚度为递减的关系。当输送带的材料阻尼比是0.4和0.6以及0.8的时候，与其相对偏移量最高值是1.43 ? 10-11 mm 和1.83 ? 10-11 mm 以及1.39 ? 10-10 mm。这表明在规定范围之内，输送带所偏移的量随材料的阻尼比增加而减小。由此可见，输送带黏弹性的变化对偏移量会造成影响，当条件不发生变化时，输送带刚度的系数越小和阻力比越大，其黏弹性越明显，此时输送带的稳定可靠性能降低，其偏移量也相应地有所增加。

2.2输送带的速度构成输送带的跑偏影响

因受其输送带的黏弹性影响，带式输送机在工作时，其速度会影响输送带的张力与振动，带速越快，张力越大，振动越明显。通过本文的研究可知，在规定范围之内，输送带工作运行的速度越高，偏移量峰值也越大，同时输送带偏移量的产生时间受其速度影响，速度越快偏移量产生的时间越早。输送带工作运行得越快，其系统振动就越剧烈。当稳定性能降低时，输送带的偏移量就会跟着加大。

2.3输送的距离构成输送带的跑偏影响

当张紧力保持不变的情况下，运送距离越大、输送带的垂度越大，同时会影响带传动体系的动态性能。通过本文的研究可知，在规定范围之内，运送带的偏移量同运送距离保持逐渐递减的关系，也就是带传动运送的距离越长，输送带的偏移量越大。

3输送带的压陷对输送带的跑偏影响

3.1 输送带同滚筒之间动态压陷

滚筒同输送带发生接触时，因为材料及黏弹性不尽相同，会在接触中出现非对称性接触，以致于输送带产生迟滞性变形压陷，具体情况可见图1。

离散之后，滚筒同输送带在动态式接触时，滚筒同输送带之间始终存在约束接触，而且接触的对象随时间不断变换。因受输送带黏弹性的影响而产生的变形量会随时间发生改变，不同时间段滚筒与输送带产生的压陷程度也不相同，而与之相关的接触点范围、轴向力、接触力等各项参数都会随之改变。

3.2 输送带的压陷程度带给输送带的跑偏影响

在规定的范围之内，滚筒与输送带之间的压陷程度越深，输送带最大轴向力和偏移量都会有所增加。研究表明，滚筒的平行度和输送带的阻尼及刚度对偏移量构成相应的影响。滚筒与输送带之间轴向力和偏移量是逐渐递减的关系，也就是输送带的偏移量随轴向力的增加而加大;输送带制造材料的阻尼越小则刚度就越大，滚筒及输送带之间的压陷程度越小，其输送带的偏移量也就越小。

4输送带的跑偏问题对于滚筒的稳定性影响

滚筒与输送带接触时，滚筒的平行度和输送带的阻尼与刚度对偏移量会构成相应的影响。并且在这个过程当中，输送带产生跑偏同样影响滚筒的稳定及可靠性。并且，在这个过程当中，输送带的跑偏问题也会影响滚筒的稳定性能。根据多体系统动力学刚柔耦合仿真模型主动轮的变化情况如图2所示。

研究表明，当从动的滚筒处于角度偏转q= 0°的时候，变形量呈现整体对称状分布;当从动的滚筒处于角度偏转q=0.5°的时候，整体出现不均匀状分布。通过从动的滚筒q= 0°角度偏转时主动的滚筒应变应力变化及分布情况可以看出，由输送带黏弹性导致的弹性受压变形基本不会影响主动的滚筒稳定性能。如果输送带偏移量过大，不只会导致主动滚筒的最大变形量和最大应力值增加，还会令其整体分布产生变化，减少输送带使用的寿命。

5结论

本文研究并提出多体系统动力学解决办法，对输送带的传动运行系统做离散化处理，再按照滚筒和输送带相互接触的特点、变化的能量、单元的坐标等参数搭建围绕输送带多体系统动力学刚柔耦合仿真模型，并以此为基础对输送带运行跑偏进行研究。

输送带的偏移量会随滚筒之间公差平行度的增大而增大。但即使是滚筒之间没有公差平行度，输送带仍然会存在较小偏移，可以说输送带的跑偏问题不只是与受力程度相关，还同材料所具有的黏弹性相关。

研究表明，输送带的偏移量与其速度及距离相关，在规定范围之内，输送带刚度的系数越小，其阻尼比就越大，滚筒与输送带之间出現的压陷程度和所偏移的量也就越大。

输送带跑偏让主动滚筒最大变形量和最大应力值相应的增大，还会造成整体分布出现变化，使主动的滚筒稳定性能降低，寿命减少。

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