带式输送机虚拟样机建模及打滑仿真研究

伊国臣

（山西汾西正城煤业有限责任公司， 山西 吕梁 032300）

引言

带式输送机打滑是该系统在运行中不可回避的难题，因为打滑不仅会造成输送皮带磨损严重、产生噪音、降低应用输送机单位的生产效率，甚至在打滑严重时还会引起严重的火灾事故。然而，因此如何有效减轻甚至避免打滑已经成了输送机领域内的技术弱点。因此，本文重点研究带式输送机的打滑问题。

1 虚拟样机技术简介

人们运用虚拟样机技术可以从20世纪80年代初说起，该技术是把有限元技术与计算机技术二者有机的结合起来，在计算机系统中建造出需要的模型，并充分考虑建造的模型在实践生产应用中的工况然后对其进行仿真，最后仿真出的结果可以预测出该模型实物的未来性能，进而相关技术人员对其存在的不足性能进行改进。虚拟样机技术不仅能在虚拟的条件下仿真出模型实物的受力情况与运动情况，还能模拟或者预测物理样机难以模拟的环境，能高效、快速的对设计人员构思出来的各种方案进行模拟仿真。虚拟样机技术不仅仅用在设计阶段，其可以贯穿产品设计始终。

韩国FunctionBay公司基于多柔体动力学技术开发的RecurDyn软件可以大范围的解决柔性体与刚形体、刚形体与柔性体、大变形等接触类的复杂问题。该软件在计算过程中求解的稳定性超强、计算速度快使其有效地解决相关机构接触碰撞类难题，在一定程度上拓宽了RecurDyn软件的应用范围。本文主要对带式输送机打滑进行仿真，因此首要考虑的是驱动滚筒与输送带二者之间相互接触的问题。由于输送带的粘弹性，用一般的刚体模型去模拟仿真其肯定不能较真实的反映输送机系统的打滑行为，会产生很大的误差。只有利用刚性体与柔性体有机结合的方法对输送机系统进行模拟仿真，才能较为准确的仿真出输送机的打滑。而利用相对坐标系运动方程理论与完全递归算法相结合的RecurDyn软件内还有带模型模块，使得利用该软件建立带式输送机的虚拟样机模型并来模拟带式输送机的打滑行为变得较简单容易[1]。

2 带式输送机虚拟样机建模

目前，在我国常见到的带式输送机一般是由输送皮带、改向及驱动滚筒、机架、托辊及皮带张紧装置。如果按照带式输送机的实际模型在RecurDyn中来建虚拟样机的模型，在对其仿真时不仅会使计算繁复增大计算机的计算量，而且还会使大部分情况得不到仿真结果。因此在对带式输送机建立其虚拟样机时，对其系统进行一些适当的简化是有必要的。

因此本文将充分考虑带式输送机的运行方式，把对输送机打滑的一些非影响因素进行忽略简化，可以通过在建模时删减掉复杂的结构件、适量减少输送带及输送机的长度，然后通过在软件上对输送机的相关属性及参数进行设置修改来弥补。在带式输送机上，因为驱动及改向滚筒、托辊、机架这些构件的刚度远大于输送带的刚度，在输送机系统上他们的变形可以看成忽略不计算，因此在建立虚拟样机的时候可以不考虑这些构件的内部结构。

RecurDyn软件上含有设置的参数化其可以应用在多种行业的工具包，本文将要建立的带式输送机可以利用软件中参数化的Belt模块，该模块内含有输送机系统中各构件的子模块，因此可以便捷、准确的建立带式输送机虚拟样机。

本文结合某矿实际图纸，对其输送机系统进行简化，然后对带式输送机虚拟样机建模采用如下步骤：

1）在计算机上开启RecurDyn软件，然后对其进行重力方向的设置，下一步对单位制进行设值，本文单位制设置为MMKS。

2）按照某矿图纸的设计参数进行建模，在Belt子模块中挑选出相应的输送机系统部件，然后对该输送机系统设置重锤张紧，最后对输送带通过Segment Assembly进行组合连接。

建立好后的带式输送机虚拟样机如图1所示，其主要尺寸有：输送带长100 m，宽度为0.9 m，带厚13.8 mm；输送机整机长35 m；托辊的直径为108 mm；驱动滚筒的直径为1.2 m；采用单滚筒来对带式输送机进行传动。

图1 带式输送机虚拟样机

3 带式输送机打滑仿真

3.1 对虚拟样机进行约束

在对带式输送机虚拟样机建完模以后，要想对其系统进行仿真，必须对该系统不同的结构构件直接通过约束副关系来定义彼此之间的运动。

3.1.1 对虚拟样机的运动副进行定义

对带式输送机进行仿真，对其虚拟样机的运动主要关注的有：输送带在滚筒或托辊之间的转动及滚筒或托辊之间的自转。在对带式输送机建立虚拟样机完成后，RecurDyn软件已经对输送带与托辊或滚筒间的运动副完成了定义，因此现在只需对滚筒或托辊之间的自转的运动副来定义就好。本文，对于滚筒或托辊之间的自转用转动运动副来定义。

3.1.2 对带式输送机虚拟样机驱动的定义

在RecurDyn软件中，只有对虚拟样机的驱动完成定义后，才能使带式输送机虚拟样机按照一定的方式来进行运行。本文在对带式输送机虚拟样机驱动的定义主要通过对运行托辊及传动滚筒添加转动副来进行定义。

3.1.3 在虚拟样机系统上布置传感器

RecurDyn软件上具有丰富的传感器功能，为了研究带式输送机的打滑，本文在带式输送机虚拟样机上分布定义传感器来实时监测输送机的运行状况，进而来观测其的打滑行为。

按照上述对带式输送机虚拟样机的约束，完成定义后，就可以对带式输送机的打滑进行仿真，完成约束定义后的虚拟样机如图2所示。

3.2 带式输送机系统进行仿真

图2 完成约束定义后的虚拟样机

为了便于观察虚拟样机的打滑，本文对驱动滚筒的驱动定义为角加速度为固定值的转动，设置角加速度的值为1.06 r/s2，仿真时间定义为7 s，步数设定为400，然后开始对其进行仿真，仿真完成后，利用布置的速度传感器分别实时测量输送带与驱动滚筒的旋转角速度，监测及仿真结果如图3所示，其中横轴X为仿真时间，纵轴Y为角速度，红色线为输送带的角速度，黑色线为传动滚筒的角速度。

图3 虚拟样机仿真结果

4 仿真结果分析

1）在0～4.1 s这个时间段内，输送带与传动滚筒的角速度基本一致，只是输送带的角速度在传动滚筒角速度的大小上上下波动，这是由于带式输送机的输送带的粘弹性，在输送机运行过程中输送带有弹性滑动，这种弹性滑动是客观存在且，不可避免的。

2）在4.1 s以后，输送带的角速度线与传动滚筒的角速度线突然相差很大，这个时间点就是带式输送机开始打滑的时间点。

3）在4.1～7 s这个时间内，由于传动滚筒所能传递的力满足不了输送机系统的阻力，此时带式输送机一直在打滑。

4）通过上述分析可以得出，本文仿真得出的带式输送机打滑结果与实际工况上的运动特性相吻合，因此可以得出Recurdyn软件可以很好地用来研究带式输送机打滑问题；进而也能得出本文建立的带式输送机虚拟样机也是正确的[2]。