基于多體動力學(xué)特性的輸送帶跑偏影響因素分析

劉欣

【摘 要】 本文針對輸送機在運行中經(jīng)常會出現(xiàn)輸送帶的跑偏問題，對各種跑偏形成的原因及其規(guī)律進行了分析研究，并提出運用多體系統(tǒng)動力學(xué)辦法對系統(tǒng)做離散化的處理，并對滾筒運行的情況及平行度、輸送帶的黏彈性和壓陷程度等各個方面的情況進行研究。研究顯示，輸送帶的跑偏不只是同其受力的程度相關(guān)，還跟材料的黏彈性相關(guān);輸送帶的偏移量同所受壓陷的程度相關(guān)，受壓越深偏移量越大;輸送帶的跑偏問題會造成主動的滾筒應(yīng)變應(yīng)力及整體分布產(chǎn)生變化，減少輸送帶壽命。

【關(guān)鍵詞】 輸送帶跑偏;多體系統(tǒng)動力學(xué);平行度;黏彈性

【中圖分類號】 TH222 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）03-0014-03

帶式輸送機是用來滿足生產(chǎn)物資運送需求的設(shè)備，因其具有低成本、適用性強等優(yōu)勢被普遍用于化工、煤炭、石油等多個領(lǐng)域。該設(shè)備的關(guān)鍵組成部分是輸送帶，主要構(gòu)成包括橡膠、金屬、塑料等各種材料，其動力學(xué)的主要特征為黏彈性，具體表現(xiàn)為：黏滯后、蠕變、松弛、非線性應(yīng)力-應(yīng)變等特性，容易造成運行中發(fā)生大位移、大變形、耦合效應(yīng)等問題。其中黏彈性的耦合效應(yīng)是讓整個輸送帶的軸向力、張力、加速度與速度等各項性能產(chǎn)生沖擊、振動、變化，以避免在設(shè)備工作運行時發(fā)生跑偏。皮帶跑偏作為一種普遍存在問題，國內(nèi)外學(xué)者都在不斷地研究和優(yōu)化，隨著科技的發(fā)展，國外已經(jīng)將自動糾偏、遠程檢測等控制技術(shù)應(yīng)用到皮帶輸送機中;我國將力學(xué)分析、軟件建模等技術(shù)手段在皮帶運輸機上使用，使其結(jié)構(gòu)和控制不斷優(yōu)化，皮帶跑偏問題得到了極大改善，但仍有很大的優(yōu)化空間。本文利用多體動力學(xué)特性對皮帶運輸機建立剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?，針對皮帶跑偏問題進行研究，找出皮帶機跑偏原因，為皮帶運輸機的優(yōu)化提供可靠數(shù)據(jù)。

1滾筒平行度對輸送帶跑偏影響

1.1滾筒的軸線方向平行度

由于帶式輸送機從制造到安裝再到使用都存在誤差及磨損，在主動與從動的滾筒之間出現(xiàn)不平行軸線問題，造成輸送帶的兩側(cè)不能均勻受力，產(chǎn)生了軸向力，導(dǎo)致輸送帶跑偏問題出現(xiàn)。為了進一步確定兩個滾筒的平行度導(dǎo)致的跑偏程度，本文假定輸送機不存在制造和安裝誤差，主動滾筒的軸線方向和Z軸保持平行，按照逆時針方向從動滾筒朝Z軸的方向進行q角度偏轉(zhuǎn)，到達從動滾筒位置，這時在軸線的方向就會產(chǎn)生主動和從動兩滾筒的公差平行度。

1.2滾筒的軸線平行度造成輸送帶的跑偏影響

根據(jù)受力情況的分析研究可知，造成輸送帶發(fā)生偏移問題的主要原因是滾筒與輸送帶之間軸向力所致。故此，要對偏轉(zhuǎn)不同角度，輸送帶軸向力及偏移量在不同時間的情況變化進行重點研究，根據(jù)本文的研究可知，主滾筒的角度偏轉(zhuǎn)θ1=0°時，最初出現(xiàn)的輸送帶軸向力比較小，近乎不用考慮;但自2s起，軸向力開始增加，但作用仍然不大，自運動10s時，達到軸向力的最高值是1.0410 N ?10-7。輸送帶所承受的軸向力仍然較小，關(guān)鍵是因為滾筒和輸送帶前部相接觸的部分受擠壓，而后面部分處在放松的狀態(tài)，在輸送帶黏彈性的作用下，輸送帶擠壓恢復(fù)的過程比較遲滯，導(dǎo)致滾筒和輸送帶產(chǎn)生非對稱的接觸，以致滾筒和輸送帶之間出現(xiàn)軸向力。當(dāng)從動滾筒的角度偏轉(zhuǎn)q1=0°時，輸送帶沒有發(fā)生偏移現(xiàn)象，當(dāng)運行的時間不斷增加，偏移情況開始出現(xiàn)并不斷增加，直至達到1.39 ? 10-10 mm峰值為止，所承受的軸向力相對較小。由此可見，主動和從動兩個滾筒之間在不受公差平行度影響的情況下，其輸送帶偏移量比較小，存在跑偏的現(xiàn)象。

2輸送帶制造材料的黏彈性及其運行的狀態(tài)構(gòu)成輸送帶的跑偏影響

2.1輸送帶制造材料的剛度及阻尼構(gòu)成輸送帶的跑偏影響

輸送帶制造材質(zhì)的剛度和阻尼是其黏彈性程度的重要因素，同單元離散能量及坐標變化緊密關(guān)聯(lián)。故此，通過建立滾筒與輸送帶之間多體系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型，根據(jù)其動態(tài)狀況分析輸送帶阻尼及剛度對跑偏的具體影響。研究表明，當(dāng)輸送帶剛度的系統(tǒng)在8.0 ? 10 4N/mm 和9.0 ?104 N/mm 以及1.0 ? 10 5N/mm 的時候，與其相對的偏移量最高值可以達到1.39 ? 10 mm-10和3.08 ?? 10 mm-11以及2.45 ? 10-10 mm 。這表明在規(guī)定范圍之內(nèi)，輸送帶的偏移量和材料剛度為遞減的關(guān)系。當(dāng)輸送帶的材料阻尼比是0.4和0.6以及0.8的時候，與其相對偏移量最高值是1.43 ? 10-11 mm 和1.83 ? 10-11 mm 以及1.39 ? 10-10 mm。這表明在規(guī)定范圍之內(nèi)，輸送帶所偏移的量隨材料的阻尼比增加而減小。由此可見，輸送帶黏彈性的變化對偏移量會造成影響，當(dāng)條件不發(fā)生變化時，輸送帶剛度的系數(shù)越小和阻力比越大，其黏彈性越明顯，此時輸送帶的穩(wěn)定可靠性能降低，其偏移量也相應(yīng)地有所增加。

2.2輸送帶的速度構(gòu)成輸送帶的跑偏影響

因受其輸送帶的黏彈性影響，帶式輸送機在工作時，其速度會影響輸送帶的張力與振動，帶速越快，張力越大，振動越明顯。通過本文的研究可知，在規(guī)定范圍之內(nèi)，輸送帶工作運行的速度越高，偏移量峰值也越大，同時輸送帶偏移量的產(chǎn)生時間受其速度影響，速度越快偏移量產(chǎn)生的時間越早。輸送帶工作運行得越快，其系統(tǒng)振動就越劇烈。當(dāng)穩(wěn)定性能降低時，輸送帶的偏移量就會跟著加大。

2.3輸送的距離構(gòu)成輸送帶的跑偏影響

當(dāng)張緊力保持不變的情況下，運送距離越大、輸送帶的垂度越大，同時會影響帶傳動體系的動態(tài)性能。通過本文的研究可知，在規(guī)定范圍之內(nèi)，運送帶的偏移量同運送距離保持逐漸遞減的關(guān)系，也就是帶傳動運送的距離越長，輸送帶的偏移量越大。

3輸送帶的壓陷對輸送帶的跑偏影響

3.1 輸送帶同滾筒之間動態(tài)壓陷

滾筒同輸送帶發(fā)生接觸時，因為材料及黏彈性不盡相同，會在接觸中出現(xiàn)非對稱性接觸，以致于輸送帶產(chǎn)生遲滯性變形壓陷，具體情況可見圖1。

離散之后，滾筒同輸送帶在動態(tài)式接觸時，滾筒同輸送帶之間始終存在約束接觸，而且接觸的對象隨時間不斷變換。因受輸送帶黏彈性的影響而產(chǎn)生的變形量會隨時間發(fā)生改變，不同時間段滾筒與輸送帶產(chǎn)生的壓陷程度也不相同，而與之相關(guān)的接觸點范圍、軸向力、接觸力等各項參數(shù)都會隨之改變。

3.2 輸送帶的壓陷程度帶給輸送帶的跑偏影響

在規(guī)定的范圍之內(nèi)，滾筒與輸送帶之間的壓陷程度越深，輸送帶最大軸向力和偏移量都會有所增加。研究表明，滾筒的平行度和輸送帶的阻尼及剛度對偏移量構(gòu)成相應(yīng)的影響。滾筒與輸送帶之間軸向力和偏移量是逐漸遞減的關(guān)系，也就是輸送帶的偏移量隨軸向力的增加而加大;輸送帶制造材料的阻尼越小則剛度就越大，滾筒及輸送帶之間的壓陷程度越小，其輸送帶的偏移量也就越小。

4輸送帶的跑偏問題對于滾筒的穩(wěn)定性影響

滾筒與輸送帶接觸時，滾筒的平行度和輸送帶的阻尼與剛度對偏移量會構(gòu)成相應(yīng)的影響。并且在這個過程當(dāng)中，輸送帶產(chǎn)生跑偏同樣影響滾筒的穩(wěn)定及可靠性。并且，在這個過程當(dāng)中，輸送帶的跑偏問題也會影響滾筒的穩(wěn)定性能。根據(jù)多體系統(tǒng)動力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ椭鲃虞喌淖兓闆r如圖2所示。

研究表明，當(dāng)從動的滾筒處于角度偏轉(zhuǎn)q= 0°的時候，變形量呈現(xiàn)整體對稱狀分布;當(dāng)從動的滾筒處于角度偏轉(zhuǎn)q=0.5°的時候，整體出現(xiàn)不均勻狀分布。通過從動的滾筒q= 0°角度偏轉(zhuǎn)時主動的滾筒應(yīng)變應(yīng)力變化及分布情況可以看出，由輸送帶黏彈性導(dǎo)致的彈性受壓變形基本不會影響主動的滾筒穩(wěn)定性能。如果輸送帶偏移量過大，不只會導(dǎo)致主動滾筒的最大變形量和最大應(yīng)力值增加，還會令其整體分布產(chǎn)生變化，減少輸送帶使用的壽命。

5結(jié)論

本文研究并提出多體系統(tǒng)動力學(xué)解決辦法，對輸送帶的傳動運行系統(tǒng)做離散化處理，再按照滾筒和輸送帶相互接觸的特點、變化的能量、單元的坐標等參數(shù)搭建圍繞輸送帶多體系統(tǒng)動力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?，并以此為基礎(chǔ)對輸送帶運行跑偏進行研究。

輸送帶的偏移量會隨滾筒之間公差平行度的增大而增大。但即使是滾筒之間沒有公差平行度，輸送帶仍然會存在較小偏移，可以說輸送帶的跑偏問題不只是與受力程度相關(guān)，還同材料所具有的黏彈性相關(guān)。

研究表明，輸送帶的偏移量與其速度及距離相關(guān)，在規(guī)定范圍之內(nèi)，輸送帶剛度的系數(shù)越小，其阻尼比就越大，滾筒與輸送帶之間出現(xiàn)的壓陷程度和所偏移的量也就越大。

輸送帶跑偏讓主動滾筒最大變形量和最大應(yīng)力值相應(yīng)的增大，還會造成整體分布出現(xiàn)變化，使主動的滾筒穩(wěn)定性能降低，壽命減少。

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