基于ADAMS的输送带的建模与仿真

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带式输送机是现代散状物料运输的主要设备，它是由输送带、驱动电机 、滚筒 、托辊、拉紧装置及-系列辅助设备等部件所构成的复杂机电系统，其中，输送带是整个系统中的重要组成部件，起着承载和牵引作用I 1。为使同步带系统能够安全可靠地运行，其结构系统必须具有良好的静、动特性。而对带式输送机的动态性能仿真分析研究较少 ，主要原因是-些动力学仿真软件没有专门针对输送带的建模拈，从而使输送带的动态特性研究无从下手。由于输送带是具有大变形的部件，其建模过程中不能简单的当做刚体来处理，因此采用-种类似于有限元的方法，应用ADAMS软件实现了输送带的建模与仿真，为输送带的动态性能研究提供了-种可行的方法。

2输送带系统建模2.1有限元分析法所谓有限元分析法，就是把输送带环形分割成若干小段，每- 4，段都用能反映输送带动力特性的数学模型来模拟。从物理本质上来研究，离散系统和连续系统并无本质区别 ，如果把连续系统的分布质量分段聚缩到有限元各点上，各点之问用无质量的弹性元件、粘性元件连接起来，则该系统便转化为离散系统，它们之间具有相同的动力挣I生，离散系统可看成连续系统的近似描述。

有限元分析法是-种采用电子计算机求解数学物理问题的数值解法。它可以计算出输送机的动态响应，在此基础上还可根据不同要求对其进行动态设计。根据柔性多体动力学的有限元法将连续输送带划分为具有-定数量的具有质量、惯生的单元。相邻两个带单元用轴套力连接。当将输送带划分为若干单元后，单元 i上有刚度 ki，k 阻尼 c ，质量 m 运行阻力 毗的作用，若其位移为s 单元的动力学方程[31，如(1)所示。其力学模型，如图 1所示。

m f s -S 1(ki )si-k S -CiS lc cⅢsgn(s)6 J S .-c s -sgn( )ala2 (1)。 . . . . . . . t. .....。

- 1 ：图 1单元 i的力学模型Fig.1 The Mechanical Model of Unit i将输送带离散成由n个离散系统单元组成的系统，其中每块代表-个输送带离散系统单元。从而构成了输送带系统离散动态模型，如图2所示[41。

22虚拟样机模型假设将-根输送带细化成若干小段，每-个小段可视为-个刚体，每两个刚体之问用某种形式的连接方式连接在-起，使来稿日期：2012-05-15基金项目：石河子大学重大攻关项目资助(XiangSigxjs2010-zdgg03-01)；兵团科技支新项目资助(xbxj-2010-005)作者简介：李 庭，(1986-)，男，河南驻马店遂平县人，在读研究生，主要研究方向：农业机械设计号胜能试验研究r l 第3期 李 庭等：基于ADAMS的输送带的建模与仿真 31各个刚体的质心的运动学参数(任意时刻的位移、速度、加速度等)和物理参数(受力情况、转动惯量等)，以及两个刚体间的动力学参数(相对位移、转角 、相互间的作用力与反作用力等)同实际输送带相应位置旧能做到相似。当每小段的长度和输送带的总长相差很大时 ，就可以用这个组合模型近似替代输送带模型15-61。

为此对于输送带这种大变形物体，在建模时，将输送带划分成若亍小段，采用ADAMS建模工具BOX来建模，每个小长方体用Bushing来连接。Bushing(轴套力)工具是-种施加于两构件相互作用力的方法，通过定义力和力矩 6个分量 、 、 、 、 、 在两构件之间施加-个柔性力。轴套力的拉伸和扭转因数由公式(2)(3)(4)(5)确定。

图2输送带离散模型示意图Fig.2 Discrete Model of Conveyor Beltk.： ，k2k3- (2)(3) L Lk4 G'rrD，ksE6，lE1 (4)(5)式中： 厂拉伸刚性因子； ：， f-剪切刚性因子； 厂姐转刚性因子； ，.j -弯曲刚性因子；E，G-钢丝绳的弹性模量、剪切模量；A，D， -钢丝绳截面积、直径、钢丝绳每段长度；-每段钢丝绳的惯性矩。拉伸阻尼因子对系统运动性能影响不大，可采用默认参数。扭转阻尼因子对运动影响不可忽视，根据情况取 (1-10)之间的数值。

输送带的各个部件均在ADAMS中建立，对于输送带的各个小段的建模，可以采用菜单的方式完成建模，首先建立-小段带决模型，然后复制，在水平段通过平移操作建立，在带轮上的带块，通过平移、旋转操作建立，此种方法操作简单，对于输送带长度较短的采用这个方法；第二种方法是利用ADAMS自带的宏命令来完成重复的操作，循环命令和条件按命令在ADAMS的建模中非常有用，它可以有效快速的实现模型的建立，对于输送带长度较长的建议采用第二种方法。利用菜单的方式建立的模型，如图3所示。

图3带式输送机虚拟样机模型Fig.3 The Virtual Prototyping of Beh Conveyor2.3输送带动力学模型施加约束和运动：在皮带各个小段之间施加：tBushing(轴套力)，在施加轴套力时将受力位置施加在各个小段的几何中心位置。在皮带各个小段分别和两带轮之间施加： (接触contact力)。在两带轮和大地或机架之间施加：璺ijoint(铰接)。在主动带轮和大地或机架之间施加： jmotion(旋转 。施加完运动和约束之后的模型，如图4所示。

图4输送带动力学模型Fig.4 Dynamics Model of Conveyor Belt3输送带仿真分析建立输送带的虚拟样机模型是为了方便快速的对输送带的运动特性进行研究，基于ADAMS建立的模型能否按照实际理论顺利的完成仿真 ，就需要对模型进行验证，分别选取了主动轮和从动轮附近的带快进行分析，其中横向是指输送带的运行方向即z轴方向，纵向是指垂直于运行方向即Y轴方向，偏向是指平行于输送带轴的方向即输送带的跑偏方向。以下分别从输送带的速度特性和位移特性两个方面来验证所建模型的正确性 。

3.1输送带的速度分析相邻两带快的Y轴速度曲线，如图 5所示。从图5中开始阶段，输送带在启动时，由于带材料本身的弹性，带在与带轮接触的过程中不断的收缩和伸长引起带的拉力在不断的变化，以及和带轮之间的碰撞，从而使带的速度在不断的变化，在运行到主动轮时，输送带开始转向，同时速度的方向也急剧变化。两带块的横向速度图，如图6所示。刚开始启动，带的速度在逐渐的增加，-段时间内带的速度比较平稳，在 6s时带发生转向，速度的方向也在变化181。

20o100- 0 -100- 200- 300- 400- 500O.0 2 .4 .6 .8 1.O 1.2时间 t(sec)图 5相邻两带快的Y轴速度曲线Fig.5 Axis-y Velocity of Adjacent two-Elements6004oo00 2 4 6 8 1.0 l 2 1 4 1.6时间t(8ec)图6相邻两带快的 轴速度曲线Fig.6 Axis-z Velocity of Adjacent two-Elements瑚 0 瑚 伽 咖-g /ⅢⅢ) 嘲32 机械 设 计 与制 造NO.3Mar.2013两带快的质心速度曲线，如图7所示。从图7中可以看出启动阶段 ，带轮和输送带的刚性接触，使靠近主动轮的带快产生剧烈碰撞 ，其速度有-个峰值突变，而从动轮处的带快并没有速度突变。在运行 3s以后，从动轮完成加速，两带块的速度逐渐趋近- 致，这是由于启动阶段，从动轮要滞后于主动轮-段时间，并且在传动过程中完成加速，处于稳定运行时，从动轮在加速-段时间后才处于稳定运行，这主要是由于弹性波在输送带中进行传播到达尾部需要-定的时间，致使两带轮的速度不-致 。

1000-80o暑6004oo倒2OOOU.U .2 .4 由 . J.U 1.Z时间t(sec)图7两带快的质心速度曲线Fig.7 Center of Mass Velocity Curve of two-Elements3.2输送带的振动分析两带轮跑偏位移，如图8所示-始时，受启动振动的影响，带的跑偏位移较大，待运行稳定后，带的跑偏将逐渐趋于平稳。由图 9可以看出，带的纵向位移和图5所示的带的纵向速度曲线是相吻合的，在此阶段，带的速度稳定，带的纵向位移也较校- 75.25- 7530- 75.35童-75.4O- 75.45- 75.5O- 75.55- 75.600.0 .2 .4 .6 .8 1.0 I-2时间 t(SeC)图8相邻两带块的 轴位移曲线Fig.8 Axis-x Displacement of Adjacent two-Elements8060-40l 200彗-zo- 4O- 60- 8OU U .2 .4 6 . J.U J.2时间t(sec)图9相邻两带块的Y轴位移曲线Fig.9 A xis-v Displacement of Adjacent two-Elements4结果与讨论(1)利用类似于有限元的方法 ，借助 ADAMS仿真软件对输送带进行建模仿真，结果证明输送带的动态特性和理论相符，能够满足仿真研究的要求，为输送带的动态研究提供了-种新的思路或方法。(2)输送带的模型没有添加其辅助部件，如张紧装置、托辊等，如若考虑其对输送带的影响，可以白行添加。(3)输送带划分个数比较少，根据有限元的相关知识，输送带划分的个数越多，其特性越接近于输送带真实的特洼。(4)建模仿真时，bushing(轴套力)相关参数的设置对仿真的结果也是有-定影响的，不同的刚度系数和阻尼系数对输送带的运动特征是有很大影响的I。01。