基于ADAMS的带式输送机三维仿真分析

乔艳青

（山西煤炭进出口集团蒲县万家庄煤业有限公司， 山西 蒲县 041204）

引言

随着煤炭的开采量和开采速度的急剧增加，越来越多的长距离、大倾角、高带速的输送机设备开始在煤矿上投入使用[1]，因带式输送机所具有的独特的黏弹性特性，按照传统的静力学理论和刚体理论计算出的其动态特性与实际工况差距较大，无法反应其真实的运行状态，特别是在启动、制动阶段，输送带内部受到巨大的动张力的作用，极易导致输送机的故障，严重威胁煤炭生产企业的正常生产。

本文依据ADAMS三维仿真分析软件，在建立输送机的黏弹性模型的基础上，将输送机模型进行简化，应用ADAMS软件对输送机在启动、停止时的运行情况进行仿真分析[2]，获得在启动、停止时输送带内力和位移的变化情况，为输送机系统合理调整启动时的相关参数，保证输送机系统的安全、稳定的运行提供了理论基础和技术支持。

1 输送带数学模型的建立

Vogit的数学模型是由一个弹簧元件和一个阻尼器元件组成的，其结构如图1所示。

图1 Vogit数学模型

式中：σ为输送带内的应力情况；ε为输送带在应力作用下的应变量；E为弹性模量为发生应变的

Vogit的数学公式可表示为：速度；η为阻尼系数。

在输送带上施加一个恒定的应力σ=σ0H（t），即可得出应力σ的响应值：

因此变形量可表述为：

当在输送带上加入应变ε=ε0H（t）时，即可得出，响应值 σ（t）=ε0EH（t）+ε0ηδ（t）。

其松弛模数为：

2 输送机系统的三维建模

Creo三维仿真软件是美国PTC公司在2010年推出的CAD设计软件包，其整合了Pro/Engineer的参数化技术、ProductView的三维可视化技术及CoCreate的直接建模技术，可以使操作者方便地完成三维建模、仿真分析等功能[3]。

采取自上而下对输送机系统进行三维建模的方案，先对各主要零部件进行建模[4]，然后对其进行总装装配，因输送机系统的主要运动机构均位于输送机的头部和尾部，因此主要对头部和尾部进行三维建模，中间部分采用支架简化表示即可，其结构示意图如下页图2、图3所示。

3 ADAMS的三维建模与仿真

带式输送机的主体结构主要包括机架、驱动滚筒、张紧设备、托辊组等，其中对输送机的动态特性影响最大的主要是驱动滚筒和输送带及张紧装置，在进行动态分析时将予以重点分析。

利用ADAMS仿真分析软件进行三维建模时，主要采用的是有限元建模方案，该方案是将整个输送带划分为大量的柔性微元单元，这些微元单元之间也采用柔性单元进行连接，使整条输送带呈现出柔性特性[5]。

图2 输送机系统尾部结构示意图

图3 输送机系统头部结构示意图

为了便于分析，本文采用最简单的输送机水平布置形式，输送机的仿真分析参数设置，如表1所示。

表1 输送机参数分布表

在仿真系统中通过轴及筒组成的两个圆柱体表示输送机的滚筒，根据输送机的实际布置形式，沿着输送带的实际运行的方向，将滚筒一一进行设置，并将滚筒垂直于平面内，并通过系统自带的Modify模块根据实际调整滚筒在输送机中所处的位置。在ADAMS系统中建立起的输送机系统的简化的模型如图4所示。

图4 ADAMS中输送机简化示意图

输送带在启动、停止过程中的动态特性是影响输送机安全运行的最关键的因素，因此为了确保仿真结果的真实性，需要特别地对输送带的仿真应用进行分析，为了确保输送带最大程度上接近实际的黏弹性状态，采用ANSYS[6]创建输送带，并进行网格划分，然后导入到ADAMS系统中，确保获得的输送带的特征为柔性体，然后按照预定的仿真参数对系统模型进行相关设置即可，仿真分析模型如图5所示。

4 仿真结果分析

根据设定的仿真参数，输送机在启动过程中的动张力变化情况如图6所示。

图5 ADAMS中输送机仿真示意图

图6 输送机启动时动张力的变化

根据分析结果可知，带式输送机在启动时，其输送带内的动张力首先逐渐上升到其峰值载荷，然后再以基本恒定的动张力逐渐加速，直至输送带的运行速度达到滚筒的稳定运行速度，其内部的动张力开始逐渐减小直至稳定。从分析结果可以看出，在整个启动的过程中，输送带内的动张力的减小速度与增加速度相比具有很大的滞后性，当输送带内的动张力达到最高值时，输送带内的瞬时加速度达到峰值，并且呈现出明显的波动情况，这个时候输送机就极易发生震颤情况，易造成意外事故，因此在实际的生产过程中，为了确保输送机在启动过程中的平稳性，就需要在此瞬间采取有效的措施，降低输送带内的动张力情况。

5 结论

1）利用ADAMS软件对带式输送机进行动特性分析是有效且方便的。

2）以带式输送机的ADAMS刚体动力学理论和ADAMAS柔性体动力学理论为基础，且以小型输送机为模型，通过简化，利用ADAMS动力学仿真软件分别建立了输送带的模型，并读取其张力的变化曲线，发现输送带内的动张力的减小速度具有很大的滞后性，输送带易发生震颤，从而降低输送带传动效率。

[1] 程昆鹏.新型断带抓捕装置液压系统的研究[D].太原：太原理工大学，2015.

[2] 刘飙.浅谈带式输送机起动特性对输送带张力影响[J].建筑与发展，2014（7）：1 058-1 059.

[3] 杨俊燕，任家骏，张明，等.基于MSC.ADAMS软件仿真的关键问题[J].机械管理开发，2008（6）：184-186.

[4] 李庭，胡斌，郑敏.基于ADAMS的输送带的建模与仿真[J].机械设计与制造，2013（3）：30-31.

[5] 李阳星，郝双双，周广林.带式输送机制动阶段的动态特性[J].黑龙江科技学院学报，2008，18（3）：192-194.

[6] 王富耻，张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2006.