基于ADAMS的帶式輸送機三維仿真分析

喬艷青

（山西煤炭進出口集團蒲縣萬家莊煤業有限公司， 山西 蒲縣 041204）

引言

隨著煤炭的開采量和開采速度的急劇增加，越來越多的長距離、大傾角、高帶速的輸送機設備開始在煤礦上投入使用[1]，因帶式輸送機所具有的獨特的黏彈性特性，按照傳統的靜力學理論和剛體理論計算出的其動態特性與實際工況差距較大，無法反應其真實的運行狀態，特別是在啟動、制動階段，輸送帶內部受到巨大的動張力的作用，極易導致輸送機的故障，嚴重威脅煤炭生產企業的正常生產。

本文依據ADAMS三維仿真分析軟件，在建立輸送機的黏彈性模型的基礎上，將輸送機模型進行簡化，應用ADAMS軟件對輸送機在啟動、停止時的運行情況進行仿真分析[2]，獲得在啟動、停止時輸送帶內力和位移的變化情況，為輸送機系統合理調整啟動時的相關參數，保證輸送機系統的安全、穩定的運行提供了理論基礎和技術支持。

1 輸送帶數學模型的建立

Vogit的數學模型是由一個彈簧元件和一個阻尼器元件組成的，其結構如圖1所示。

圖1 Vogit數學模型

式中：σ為輸送帶內的應力情況；ε為輸送帶在應力作用下的應變量；E為彈性模量為發生應變的

Vogit的數學公式可表示為：速度；η為阻尼系數。

在輸送帶上施加一個恒定的應力σ=σ0H（t），即可得出應力σ的響應值：

因此變形量可表述為：

當在輸送帶上加入應變ε=ε0H（t）時，即可得出，響應值 σ（t）=ε0EH（t）+ε0ηδ（t）。

其松弛模數為：

2 輸送機系統的三維建模

Creo三維仿真軟件是美國PTC公司在2010年推出的CAD設計軟件包，其整合了Pro/Engineer的參數化技術、ProductView的三維可視化技術及CoCreate的直接建模技術，可以使操作者方便地完成三維建模、仿真分析等功能[3]。

采取自上而下對輸送機系統進行三維建模的方案，先對各主要零部件進行建模[4]，然后對其進行總裝裝配，因輸送機系統的主要運動機構均位于輸送機的頭部和尾部，因此主要對頭部和尾部進行三維建模，中間部分采用支架簡化表示即可，其結構示意圖如下頁圖2、圖3所示。

3 ADAMS的三維建模與仿真

帶式輸送機的主體結構主要包括機架、驅動滾筒、張緊設備、托輥組等，其中對輸送機的動態特性影響最大的主要是驅動滾筒和輸送帶及張緊裝置，在進行動態分析時將予以重點分析。

利用ADAMS仿真分析軟件進行三維建模時，主要采用的是有限元建模方案，該方案是將整個輸送帶劃分為大量的柔性微元單元，這些微元單元之間也采用柔性單元進行連接，使整條輸送帶呈現出柔性特性[5]。

圖2 輸送機系統尾部結構示意圖

圖3 輸送機系統頭部結構示意圖

為了便于分析，本文采用最簡單的輸送機水平布置形式，輸送機的仿真分析參數設置，如表1所示。

表1 輸送機參數分布表

在仿真系統中通過軸及筒組成的兩個圓柱體表示輸送機的滾筒，根據輸送機的實際布置形式，沿著輸送帶的實際運行的方向，將滾筒一一進行設置，并將滾筒垂直于平面內，并通過系統自帶的Modify模塊根據實際調整滾筒在輸送機中所處的位置。在ADAMS系統中建立起的輸送機系統的簡化的模型如圖4所示。

圖4 ADAMS中輸送機簡化示意圖

輸送帶在啟動、停止過程中的動態特性是影響輸送機安全運行的最關鍵的因素，因此為了確保仿真結果的真實性，需要特別地對輸送帶的仿真應用進行分析，為了確保輸送帶最大程度上接近實際的黏彈性狀態，采用ANSYS[6]創建輸送帶，并進行網格劃分，然后導入到ADAMS系統中，確保獲得的輸送帶的特征為柔性體，然后按照預定的仿真參數對系統模型進行相關設置即可，仿真分析模型如圖5所示。

4 仿真結果分析

根據設定的仿真參數，輸送機在啟動過程中的動張力變化情況如圖6所示。

圖5 ADAMS中輸送機仿真示意圖

圖6 輸送機啟動時動張力的變化

根據分析結果可知，帶式輸送機在啟動時，其輸送帶內的動張力首先逐漸上升到其峰值載荷，然后再以基本恒定的動張力逐漸加速，直至輸送帶的運行速度達到滾筒的穩定運行速度，其內部的動張力開始逐漸減小直至穩定。從分析結果可以看出，在整個啟動的過程中，輸送帶內的動張力的減小速度與增加速度相比具有很大的滯后性，當輸送帶內的動張力達到最高值時，輸送帶內的瞬時加速度達到峰值，并且呈現出明顯的波動情況，這個時候輸送機就極易發生震顫情況，易造成意外事故，因此在實際的生產過程中，為了確保輸送機在啟動過程中的平穩性，就需要在此瞬間采取有效的措施，降低輸送帶內的動張力情況。

5 結論

1）利用ADAMS軟件對帶式輸送機進行動特性分析是有效且方便的。

2）以帶式輸送機的ADAMS剛體動力學理論和ADAMAS柔性體動力學理論為基礎，且以小型輸送機為模型，通過簡化，利用ADAMS動力學仿真軟件分別建立了輸送帶的模型，并讀取其張力的變化曲線，發現輸送帶內的動張力的減小速度具有很大的滯后性，輸送帶易發生震顫，從而降低輸送帶傳動效率。

[1] 程昆鵬.新型斷帶抓捕裝置液壓系統的研究[D].太原：太原理工大學，2015.

[2] 劉飆.淺談帶式輸送機起動特性對輸送帶張力影響[J].建筑與發展，2014（7）：1 058-1 059.

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[5] 李陽星，郝雙雙，周廣林.帶式輸送機制動階段的動態特性[J].黑龍江科技學院學報，2008，18（3）：192-194.

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