偏載工況下帶式輸送機輸送帶跑偏及糾偏研究*

余 浩,田俊杰,姚 慶,劉紅梅,2*

(1.南通大學 機械工程學院,江蘇 南通 226019;2.南通大學 交通與土木工程學院,江蘇 南通 226019)

0 引 言

帶式輸送機是一種廣泛應用于散料輸送的設備。它是由輸送帶、主驅動輥、從動輥、托輥、張緊裝置、驅動電機等組成的復雜機電系統。其中,輸送帶是整個系統中重要組成部分,起著承載和牽引的作用[1]。

目前,帶式輸送機正朝著長距離、高速度、大運量方向發展。這對其傳動系統動態穩定性的要求不斷提高,對輸送帶跑偏問題研究也成為了熱點[2]。

輸送帶跑偏的原因有很多,例如,機架生產或安裝的精度過低、托輥中心線不平行、張緊裝置安裝存在偏差,以及物料偏載等因素均會引起輸送帶的跑偏。

在通常情況下,輸送帶的跑偏主要是由物料偏載引起的。在散料運輸過程中,由于生產的需要和空間的限制,輸送線上需要設置專門的轉載結構,以對物料進行轉載,但常會因為轉載而造成輸送帶受料不居中,導致后段輸送帶出現跑偏現象。

目前,針對輸送帶跑偏問題,國外學者已進行了大量研究。

SIEVERS L A等人[3]將輸送帶當作鐵木辛柯梁,對多段輸送帶組成的系統進行了跑偏趨勢分析。HAN Feng-lin等人[4]基于環狀平帶本身內部機械反饋,分析了側向抗彎剛度數值較小的輸送帶在系統中的跑偏規律。NGUYEN V等人[5]為了提高帶式輸送機系統的穩定性,基于帶式輸送機模型和模糊控制的自適應控制算法,對其參數進行了分析和控制,并評價了各參數對帶式輸送機跑偏的影響。

國內學者也針對輸送帶跑偏問題進行了大量研究。

師建國[6]分析了輸送帶產生側向跑偏的激勵源,構造出了輸送帶側向運動非線性動力學連續模型,并結合輸送帶實際工況,得到了輸送帶側向運動的動力學方程。張志亮[7]對輸送帶的跑偏問題進行了研究,提出了一種經過改進的輸送帶自動糾偏裝置。賀晉璇等人[8]分析了調心托輥水平偏轉角對輸送帶糾偏能力的影響,并據此建立了相關輸送帶糾偏平臺。黃卓等人[9]采用ABAQUS仿真的方法,得到了輸送帶的運動規律,研究了其在建模、分析與后處理過程中的主要問題,以及其相應的處理辦法。針對輸送帶受料跑偏問題,方建新[10]對輸送帶移動線、進入點及進入角之間的聯系進行了研究,從運動學的角度,對于因進入角大小改變而引起輸送帶的跑偏的各類因素進行了分析。針對輸送帶跑前不跑后、跑松不跑緊的規律,許之朋[11]對滾筒安裝誤差和托輥安裝誤差引起輸送帶跑偏進行了受力分析,并分析了物料落點不正引起的輸送帶跑偏。

綜上所述,針對帶式輸送機仿真主要集中于動力學仿真研究,并且研究的關注點在于輸送帶的運動方向及糾偏方法,而對輸送帶受料偏載和物料沖擊方面的研究則較少。并且,上述研究中對于物料顆粒的仿真也主要集中在離散元仿真軟件EDEM的應用上。

因此,筆者采用EDEM軟件與ADAMS軟件耦合仿真,針對物料偏載工況下輸送帶跑偏問題進行動力學研究,并進行糾偏試驗仿真。

1 理論分析

根據引言中的描述,在散料運輸過程中,由于生產的需要和空間的限制,輸送線上需要設置專門的轉載結構,以對物料進行轉載。

輸送帶的轉載結構如圖1所示。

圖1 輸送帶的轉載結構

對帶式輸送機的運行主要需要關注兩點,即輸送帶與偏載受料。

筆者針對輸送帶采用剛體有限元法將輸送帶分割成小帶塊,并在ADAMS軟件中運用軸套力進行連接,形成柔性帶;采用EDEM軟件模擬生成物料,與輸送帶接觸碰撞產生作用力,觀測其對輸送帶跑偏的影響。

1.1 輸送帶離散模型及方程

剛體有限元法是一種基于融合多剛體動力學理論與離散方法而形成的柔性動力學分析方法,其思想是將柔性或者剛柔混合系統離散為具有質量、慣性剛體單元(rigid finite element),剛體單元之間的連接依靠彈簧阻尼單元(spring-damping elements)[12-13]。

筆者采用剛體有限元法是將輸送帶離散為多個小剛體單元塊,應用彈簧阻尼單元將各個小剛體單元塊連接起來,其剛度特性由剛體單元描述,柔性特性則通過彈簧阻尼單元來體現。

輸送帶離散單元模型圖如圖2所示。

圖2 輸送帶離散單元模型Ki—單元i-1與i間剛度;ci—單元i-1與i間阻尼;Ki+1—單元i與i+1間剛度;ci+1—單元i與i+1間阻尼;mi—單元i質量;wi—運行阻力;Si—單元i運行位移

圖2中,相鄰剛體單元之間用軸套力連接;輸送帶被切割為多個單元,單元i上有剛度和阻尼,分別為Ki、Ki+1、ci、ci+1;在質量為mi,運行阻力wi的作用下,若其位移為Si,則單元i的動力學方程為:

(1)

筆者將輸送帶做以下離散化假設:

(1)輸送帶垂度變化引起輸送帶長度變化較小,可忽略不計;

(2)帶式輸送機的驅動輥、從動輥固定,輸送帶視作兩端固定的縱向梁;

(3)輸送帶及物料密度沿縱向(輸送帶運行方向)均勻分布;

(4)托輥密度沿輸送帶運行垂直方向均勻分布;

(5)輸送帶力學特性遵循各向同性,且變形處于線彈性變形范圍之內。

1.2 輸送帶連接及計算方程

在ADAMS軟件中,輸送帶軸套力的連接如圖3所示。

圖3 輸送帶軸套力連接

在圖3中,軸套力包括6部分,即由x、y、z三坐標軸張力和各坐標軸旋轉力矩組成,分別為Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz。

其中,Fx參數定義如下[14]:

Fx=K11Rx-c11Vx+Fx0

(2)

式中:K11—剛性系數;Rx—兩剛體單元x方向位移,mm;c11—阻尼系數;Vx—兩剛體單元x方向速度,mm/s;Fx0—剛體間預緊力,N。

同理,可得Fy、Fz、Tx、Ty、Tz表達式,其通過矩陣形式的表達式為:

(3)

輸送帶剛度矩陣、阻尼矩陣的計算式如下:

(4)

(5)

式中:K11—拉伸剛性因子;K22,K33—剪切剛性因子;K44—扭轉剛性因子;K55,K66—彎曲剛性因子;c11—拉伸阻尼因子;c22,c33—剪切阻尼因子;c44—扭轉阻尼因子;c55,c66—彎曲阻尼因子;E—彈性模量,N/mm2;G—剪切模量;A—帶塊橫截面積;η—材料剪切黏性系數;χ—截面形狀系數,取1.2;b,h—剛體單元帶塊寬度和厚度,mm;β—與h/b有關系數;I2,I3—輸送帶對橫截面形心軸的慣性矩。

2 輸送機模型及參數設置

2.1 輸送帶模型及參數設置

筆者在SolidWorks軟件中,建立簡化的帶式輸送機三維模型,并生成.xt文件,將其導入ADAMS中;再對導入后的模型施加運動副、接觸、驅動等,最終搭建完成輸送機模型,如圖4所示。

圖4 帶式輸送機模型

在圖4模型中,x軸正向水平向右,y軸正向水平向上,z軸正向垂直于紙面向外,坐標系符合右手定則,輸送帶z方向為橫向。

此處帶式輸送機的主動輥和從動輥直徑為400 mm,首尾間距5 000 mm,托輥直徑100 mm,張緊輥和轉向輥直徑為300 mm,長度均為1 200 mm,輸送帶帶寬800 mm,帶塊厚10 mm;

通過查閱相關文獻[15-17]與前期的仿真實驗結果,筆者設置帶塊長度Δl與主動輥的比值為0.06～0.27,設置其與張緊輥的比值為0.08～0.33;在確保仿真準確和高效的前提下,設置帶塊長Δl為100 mm。

根據輸送帶材料計算輸送帶剛度與阻尼,筆者建立軸套力連接輸送帶帶塊。

輸送帶材料參數如表1所示。

表1 輸送帶材料參數

依據式(4,5),可得到輸送帶剛度矩陣與阻尼矩陣,即:

K=

式中:K—剛度矩陣;c—阻尼矩陣。

2.2 顆粒模型及參數設置

此處,筆者針對某建筑固廢企業生產線上帶式輸送機輸送帶(物料以石、砂混合物為主,粒徑為60 mm)出現跑偏問題進行具體研究。

該輸送機運輸量45 kg/s,輸送帶帶寬為800 mm,帶速為1.5 m/s。在運輸過程中,顆粒與顆粒碰撞,顆粒與擋板碰撞及顆粒與輸送帶碰撞,接觸模型設置為Hert-Mindlin(no slip)。

顆粒模型如圖5所示。

圖5 顆粒模型

顆粒與材料屬性如表2所示。

表2 顆粒與材料屬性

接觸參數設置如表3所示。

表3 接觸參數設置

2.3 ADAMS-EDEM耦合原理及參數設置

EDEM能夠模擬顆粒與顆粒及顆粒與幾何體碰撞運動過程及能量傳遞過程,但是其導入的幾何體只能實現平動、轉動及簡單的復合運動。

ADAMS軟件適用于動力學仿真運算,其能夠實現復雜的運動,但是對于其受到復雜載荷力,需要進行外部數據的導入。

因此,結合兩者的優點,能夠實現連續載荷沖擊下輸送帶的持續運動。ADAMS與EDEM的耦合是通過Co-simulation實現的。

ADAMS與EDEM耦合原理如圖6所示。

圖6 ADAMS與EDEM耦合原理

由圖6可知:在單位時間仿真步長內,通過Co-simulation將ADAMS中輸送帶運動參數信息導入EDEM中,EDEM將輸送帶接受物料載荷信息傳遞給ADAMS中;ADAMS根據傳回載荷信息及自身驅動信息計算出新位移、新速度,完成數據的循環傳遞過程,直到耦合仿真結束。

其中,需注意ADAMS仿真時間步長設置為EDEM仿真時間步長的整數倍,總仿真時間為15 s,步長設置為0.05 s。

3 輸送帶仿真及結果分析

筆者對輸送帶進行兩種狀態(空載與偏載工況)仿真,分析偏載工況下輸送帶跑偏問題,并進行糾偏。

3.1 輸送帶空載下仿真分析

筆者對帶式輸送機進行空載工況下運行仿真分析。

輸送帶橫向位置如圖7所示。

圖7 空載工況下輸送帶橫向位置

由圖7可知:輸送帶在無負載時,由于主動輥的牽引,在托輥處會產生小幅橫向振動,但是輸送帶整體橫向位置趨近于0 mm,說明輸送帶在無負載時不會出現跑偏現象。

可見,在ADAMS中建立的帶式輸送機模型是正確的,符合實際工況。

3.2 輸送帶偏載下仿真分析

筆者對帶式輸送機進行偏載工況仿真,以輸送帶帶塊1的位置顯示其在承載段的運行方位,帶塊1在落料位置如圖8所示。

圖8 輸送帶帶塊1在落料位置

輸送帶帶塊1在卸料位置如圖9所示。

圖9 輸送帶帶塊1在卸料位置

由圖(8,9)可知:在6.6 s～9.4 s時,輸送帶帶塊1在承載段運行,輸送帶帶塊1在落料位置時(對應時刻6.6 s),所受外部激勵較大,導致輸送帶塊橫向振幅變大,從而引起輸送帶橫向不穩定,引起更大跑偏趨勢。故需要對輸送帶落料點位置設置緩沖裝置。

無緩沖裝置時,偏載落料下輸送帶橫向位置如圖10所示。

圖10 偏載落料下輸送帶橫向位置

由圖(9,10)可知:輸送帶帶塊在離開主驅動輥完成卸料(對應時刻9.4 s)后會產生橫向跑偏趨勢,落料與卸料時間段內輸送帶橫向振動幅度較大。

因此,需在輸送帶主驅動輥下方加裝糾偏裝置,以降低輸送帶橫向跑偏趨勢[18]。

3.3 緩沖與糾偏仿真分析

3.3.1 緩沖分析

由于前文已分析輸送帶產生橫向跑偏外部激勵位置,此處筆者設置緩沖裝置與糾偏裝置。其中,緩沖裝置設計如圖11所示。

圖11 緩沖裝置結構圖

在ADAMS中緩沖裝置結構的簡化模型如圖12所示。

圖12 ADAMS中緩沖裝置簡化圖

圖12中,輸送帶受料緩沖裝置組成部分有機架、托輥、彈簧及底座。

在偏載工況下,筆者對是否安裝緩沖裝置的輸送帶橫向位置進行仿真分析。

輸送帶帶塊橫向振幅如圖13所示。

圖13 有無緩沖裝置下偏載下輸送帶橫向位置

由圖13可知:在受到偏載落料時,無緩沖裝置下,輸送帶受到橫向沖擊較大;而有緩沖裝置時輸送帶受到橫向沖擊減小,在有緩沖裝置下輸送帶帶塊在6.3 s到9.4 s時的橫向沖擊幅值也降低了,輸送帶橫向跑偏值減小。

3.3.2 糾偏分析

輸送帶糾偏裝置結構設計圖,如圖14所示。

圖14 糾偏裝置結構圖

圖14中,糾偏裝置組成部分有機架、阻擋板、托輥、彈簧及電機。

ADAMS中的糾偏裝置簡化圖如圖15所示。

圖15 ADAMS中糾偏裝置簡化圖

由于帶式輸送機GB/T 10595—2017中規定輸送帶跑偏量不得超過帶寬5%,則800 mm帶寬輸送帶跑偏值不得超過40 mm,故筆者在此處采用35 mm作為限位值,對其進行監控;在彈簧處設置位置傳感器,此處選用K=10 000 N/m,c=160 N·S/m,當輸送帶與糾偏輥一側接觸時,彈簧受力開始位移,當位移達到輸送帶限位值時,糾偏輥開始復位,將輸送帶復位到中間0 mm處。

糾偏過程中,輸送帶橫向位置的仿真數據如圖16所示。

圖16 糾偏過程中輸送帶橫向位置

從圖16可知:輸送帶在受到橫向力后開始跑偏,輸送帶在4.5 s時接觸到阻擋板及彈簧后受到阻力跑偏逐漸減緩,位置傳感器一直處于監控狀態;當輸送帶9.3 s時跑偏值達到35 mm,糾偏輥進行復位運動,最終輸送帶回位到0 mm附近[19]。

4 糾偏平臺搭建及試驗

為了對輸送帶糾偏裝置仿真模型的可行性進行驗證,筆者搭建了糾偏試驗平臺。

筆者預先對糾偏裝置進行簡化。簡化后的糾偏裝置的組成部分為:壓力傳感器及配套的放大器、PLC控制器及定位器、PLC模數轉換模塊、步進電機及配套步進驅動器、線性模組及其他配件。

糾偏裝置試驗平臺如圖17所示。

圖17 糾偏裝置平臺1—壓力傳感器與放大器;2—導軌;3—模數轉換器;4—PLC;5—激光筆;6—電阻7—電源;8—步進驅動器;9—數據傳輸線;10—筆記本;11—聯軸器;12—步進電機

筆者對PLC進行控制程序設計,程序設計包括對傳感器數據讀取與比較,根據比較結果分析輸送帶是否居中。

在糾偏實驗中,前期需要進行多個限位點設置,以驗證糾偏理論與糾偏方法的準確性與合理性。由于在平臺上頻繁進行彈簧更換不方便,也容易對平臺造成損壞,導致測量誤差的產生;同時,壓力傳感器測量輸送帶所受橫向力比計算彈簧形變力更方便、準確,此處筆者采用壓力傳感器來替代彈簧受力。其工作原理與彈簧應用相一致,即將彈簧受力形變轉為傳感器電信號,然后電信號轉為數字信號,通過步進電機驅動平臺,對輸送帶進行糾偏,步進電機運動中包括彈簧形變量。

為了保證數據準確性,筆者進行3次數據取樣,取平均值方式讀取數據。根據程序,比較指令讀取數據,并與存儲數據進行比較,當傳感器受到力小于53 N時,認為輸送帶正常居中;根據壓力傳感器輸入輸出特性曲線,將53 N轉化為數字9,將其作為對比值;通過比較指令接通不同輔助繼電器,然后執行步進電機驅動程序,步進電機驅動到輸送帶邊緣停留2 s后前進35 mm,再停留2 s后,復位原處。

因為此處只驗證方案的可行性,所以誤差測量采用目標點位和平臺到達位置距離差來表示。

為測量方便,當平臺達到指定位置后,將激光筆安裝在平臺上,測量激光筆光點中心與目標點位置距離差。其誤差通過多次測量取平均值來確定。

由于設備機械結構連接與測量精度,以及監測工具方面的原因,此處只能對其進行逐點測量,每1 s測量一次距離,得到糾偏平臺位置圖,如圖18所示。

圖18 糾偏平臺位置圖

由圖18可知:3次糾偏運行趨勢是相一致的,且糾偏結果趨于0 mm,雖然存在誤差,但是最終3個位置測量誤差在0.2 mm～0.4 mm范圍內,滿足輸送帶糾偏定位精度要求;步進電機從開始運行到復位,用時20 s,驗證了輸送帶糾偏裝置仿真模型的可行性。

5 結束語

帶式輸送機在偏載工況下,由于物料偏載會對輸送帶造成橫向沖擊及跑偏,為此,筆者對物料偏載下帶式輸送機輸送帶的橫向沖擊特性及跑偏進行了研究,采用EDEM與ADAMS耦合插件Co-simulation實現了兩者數據交換,以模擬工程實際中輸送帶承受物料的影響;搭建了試驗平臺,驗證了輸送帶糾偏裝置仿真模型的正確性。

研究結果表明:

(1)通過EDEM軟件與ADAMS軟件耦合,對物料與機械構件之間的相互作用進行了仿真;

(2)通過對偏載工況進行模擬可以發現,輸送帶在承載段受到物料橫向沖擊及跑偏趨勢較大。因此,有必要建立輸送帶緩沖裝置與糾偏裝置。模擬結果表明,有緩沖裝置的帶式輸送機比無緩沖裝置的帶式輸送機輸送帶橫向沖擊與跑偏趨勢均得到減緩;同時糾偏裝置能夠實現良好的糾偏效果,糾偏值小于帶寬5%的標準,滿足帶式輸送機行業標準。該結果表明,建立緩沖裝置能夠減緩輸送帶橫向沖擊及跑偏;

(3)通過搭建糾偏試驗平臺,并進行多次糾偏結果測量,發現誤差為0.2 mm～0.4 mm范圍內,符合精度要求。因此,糾偏裝置是合理適用的,也驗證了仿真實驗的可行性。

在后續的研究中,筆者將對帶式輸送機糾偏結構進行進一步的優化,同時關注輸送帶糾偏響應及準確性研究。