管帶式輸送機ADAMS建模與仿真分析

張 睿,張亮有,湯敏超,陳萬寧

(太原科技大學 機械工程學院 太原 030024)

作為重要散料輸送設備，帶式輸送機已有百年歷史，在水泥，礦山，化工等諸多領域得到廣泛運用。但由于地形地貌等客觀條件的限制，輸送線路實現(xiàn)空間轉彎勢在必行，管帶式輸送機的出現(xiàn)能夠有效地解決這個難題。管帶式輸送機的輸送帶呈圓管狀，增加了物料與輸送帶的接觸面積，因此具有易于空間轉彎，輸送傾角大等優(yōu)點。本文運用三維建模軟件SolidWorks對輸送機進行建模，利用有限元分析軟件ANSYS對輸送帶進行柔性化處理，最終使用動力學分析軟件ADAMS對輸送機工況進行仿真結果分析，最終得到輸送機取得時，輸送帶所受應力隨時間變化的函數(shù)曲線圖，為日后對管帶式輸送機的進一步研究打下堅實的基礎。

1 ADAMS建模

利用ANSYS生成模態(tài)中性文件，將柔性的微元段代替剛性的輸送帶小塊，在柔性小塊之間用Bushing式輸送帶部分柔性后，再將不同部分的輸送帶之間柔性連接，使整條輸送帶成為柔性體。之后導入ADAMS中，取代相應位置的剛性體，來實現(xiàn)輸送帶的柔性建模。

1.1 剛體模型建立

(1)滾筒及滾筒軸

各滾筒的簡化模型由代表軸和筒皮的兩個圓柱體組成，沿著輸送帶運行方向，將各滾筒逐一進行繪制[1]。滾筒軸垂直于XOY平面，完成后通過Modify功能設置各滾筒的位置。為了便于仿真試驗，將輸送機整機模型進行簡化后再進行建模。簡化后模型圖及相關數(shù)據(jù)如下表1所示：

(2)剛性帶塊的建模過程

輸送帶帶塊的模型，其水平段是用ADAMS中的BOX立方體模型來創(chuàng)建，繞過滾筒處由旋轉件生成，帶橫截面1 200 mm×20 mm.各個帶塊通過平移的方法來放置到設計位置。

(3)托輥

托輥模型，直接以圓柱模型代表，與大地之間建立轉動副。通過復制和平移圖中所繪制的托輥模型，以承載分支1 200 mm為間隔，回程分支3 000 mm為間隔，生成均勻布置的托輥模型。模型的總體布置見圖1.

1.2 剛性帶的柔性化

輸送帶特殊的動態(tài)特性決定了管帶式輸送機的運行狀況，能否得到合適的輸送帶粘彈特性模型，直接影響仿真結果。本文的模態(tài)中性文件，用ANSYS創(chuàng)建，導入ADAMS中，從而獲得具有柔性體的特征的輸送帶[2]。輸送帶柔性化過程，如下所述。

(1)創(chuàng)建模型的Parasolid(*.x_t)文件，將其導入ANSYS，重建模型，使之以實體顯示；

表1 各滾筒及托輥的尺寸和位置
Tab.1 Size and position of each roller and idlers

標號名稱直徑及軸徑mm筒皮寬mm軸長mm圓心坐標值1尾部改向滾筒1 000～2201 4001 400(0,0,0)2上托輥133-1 4001 420(1 350,980,0)3主驅動滾筒1 000～2201 4001 600(35 000,20 000,13 230)4下托輥108-1 4001 400(1 000,-980,0)590°改向滾筒630-1601 4001 400(1 000,-980,0)6180°改向滾筒800-2001 4001 400(750,-2 000,0)790°改向滾筒630-1601 4001 400(500,-980,0)

圖1 ADAMS中機械系統(tǒng)的剛性模型
Fig.1 Rigid model of mechanical system in ADAMS

(2)然后首先定義實體單元solid 186單元，再定義梁單元beam 188號單元：

(3)定義材料屬性，彈性模量7 800，泊松比0.49，密度1 350；

(4)創(chuàng)建nodes。首先創(chuàng)建關鍵點，選擇modeling-creat-keypoints-kp between kps，彈出對話框選擇OK，則在中點創(chuàng)建出了一個關鍵點；

(5)接下來選擇create-nodes-on keypoint，創(chuàng)建節(jié)點：

(6)節(jié)點好了之后，選擇Delete刪掉節(jié)點上的關鍵點。另一端重復操作步驟4，步驟5.

(7)選擇meshing-meshtools以solid 188對輸送帶劃分網(wǎng)格，設置smart為6，點擊mesh選擇輸送帶，點擊OK；

(8)完成mesh之后,選擇creat-Elements-Elem Attributes創(chuàng)建單元，單元模型用的式Beam 188梁單元：

(9)創(chuàng)建好單元之后，選擇Auto Numbered選項建立剛性區(qū)域。先點擊剛才創(chuàng)建的節(jié)點，再點擊同一平面上圓弧邊上的節(jié)點，最后選擇Apply，直至選擇完整個圓弧上的所有節(jié)點；

(10)輸送帶的另一端與上述一樣，進行步驟9的操作。當兩端都完成后，就可以直接導出了mnf模態(tài)中性文件。選擇solution-Adams connection-Export to adams：

(11)在上述步驟完成后就是如何把創(chuàng)建的柔性體桿件導入Adams了，Ansys會生成一個.mnf文件，這就是需要導入的文件了.打開Adams，選擇Buid-Create a flexbody.mnf文件導入：

至此，模型的柔性MNF文件生成，導入到ADAMS中后，放置到相應的剛性文件的位置。

2 驅動的添加與載荷的設置

2.1 滾筒軸

滾筒軸固定在機架上，機架本身安裝在地基上，因此模型中機架簡化為Ground，給滾筒軸與Ground之間添加轉動副。

2.2 各滾筒筒皮與滾筒軸

除了傳動滾筒筒皮與軸同轉速之外，改向滾筒都是軸與Ground固定，筒皮通過添加旋轉副實現(xiàn)繞軸轉動。

2.3 帶塊的連接

各帶塊之間添加軸套力Bushing[3]。軸套力Bushing是一個彈簧結構，具有三個移動方向和三個轉動方向，相對位移和相對速度成正比，能夠很好體現(xiàn)輸送帶的動態(tài)特性。

2.4 托輥

托輥與Ground之間逐一添加旋轉副，托輥與帶之間添加接觸副。這里，托輥對輸送帶具有支持力和摩擦力。

2.5 筒皮、托輥與帶塊

輸送帶繞滾筒運行，與滾筒、托輥發(fā)生接觸、相互運動，繼而產(chǎn)生摩擦。兩者之間有接觸力和摩擦力。

2.6 起動時的加速度與時間

要研究輸送機的動態(tài)特性，最關鍵就是其起動過程的研究和探索。在起動過程中，輸送機需要能盡可能平穩(wěn)地克服系統(tǒng)的慣性和動載荷，保證在最不利情況下，輸送帶與滾筒、物料與輸送帶間不打滑。經(jīng)計算，在空載滿載兩種工況下，輸送機的起動加速度與起動時間如表2所示。

表2 輸送機的起動加速度與起動時間
Tab.2 The starting acceleration and starting time of the conveyor

空載時的起動加速度/m·s空載時的起動時間/s滿載時的起動加速度/min滿載時的起動時間/s 0.1711.760.0922.22

2.7 模型中載荷設置

ADAMS中提供三種載荷：外部載荷、柔性連接、特殊載荷。簡化的案例模型中，各滾筒重力、輸送帶重力均通過模型材料屬性的設置來表示，其中，輸送帶要針對其型號選擇合適的彈性模量及密度，以確保仿真結果得可靠性[4-6]。拉緊裝置則采用施加外載荷來模擬重物的拉緊效果。物料重力則等效為均布力載荷。經(jīng)計算

(1)輸送帶的均布載荷通過模型重力設置。

(2)物料的均布載荷q物=227.64 kg/m

(3)托輥載荷

1)承載分支動載:P0'=3 800 N

2)回程分支動載計算：Pu'=1 583 N

3)起動時，輸送機的總質量m1=10 777.64 kg；

4)拉緊裝置受到重錘的拉力G=8 499.6 kg，清掃器阻力F=840 N.

3 仿真分析

利用ADAMS中的自帶的程序進行仿真檢驗，即ADAMS-Tools-Model Verify模型自檢功能，只有在模型檢驗通過的條件下，模型才能順利進行仿真[7-8]。選取輸送帶上五個具備代表意義的關鍵點，關鍵點位置如圖2所示。

圖2 仿真關鍵點位置圖
Fig.2 simulation key location map

(1)關鍵點1位于輸送帶前端，輸送帶在托輥的作用下即將被卷成圓管狀，屬于輸送帶的加料段。仿真過程，選取關鍵點1，即添加Marker點為空間位置上的固定點1，不隨輸送帶運動。

圖3 起動時關鍵點1的應力變化
Fig.3 The stress change at key point 1 at start

所示，為輸送機在起動過程中，輸送帶上關鍵點1的應力變化情況。隨著時間的變化，輸送帶上的應力先迅速上升至峰值0.7 MPa，等輸送機逐漸達到穩(wěn)定運行速度，應力逐漸減小并趨于穩(wěn)定在0.2 MPa左右。

(2)關鍵點2位于輸送帶第一個轉彎處的一個外側切點位置，管狀輸送帶會沿著轉彎弧度運行。仿真過程，選取關鍵點2，即添加Marker點為空間位置上的固定點2，不隨輸送帶運動。

圖4 起動時關鍵點2的應力變化
Fig.4 The stress change at key point 2 at start

圖4所示，為輸送機在起動過程中，輸送帶上關鍵點2的應力變化情況。隨著時間的變化，輸送帶上的應力先迅速上升至峰值0.65 MPa，等輸送機逐漸達到穩(wěn)定運行速度，應力逐漸減小并趨于穩(wěn)定在0.2 MPa左右。

(3)關鍵點3位于輸送帶第一個轉彎與第二個轉彎的相切處，即輸送帶的拐點位置。仿真過程，選取關鍵點3，即添加Marker點為空間位置上的固定點3，不隨輸送帶運動。

圖5所示，為輸送機在起動過程中，輸送帶上關鍵點3的應力變化情況。隨著時間的變化，輸送帶上的應力先迅速上升至峰值0.72 MPa，等輸送機逐漸達到穩(wěn)定運行速度，應力逐漸減小并趨于穩(wěn)定在0.2 MPa左右。

圖5 起動時關鍵點3的應力變化
Fig.5 The stress change at key point 3 at start

(4)關鍵點4位于輸送帶第二個轉彎處的一個內(nèi)側切點位置，管狀輸送帶會沿著轉彎弧度運行。仿真過程，選取關鍵點4，即添加Marker點為空間位置上的固定點4，不隨輸送帶運動。

圖6 起動時關鍵點4的應力變化
Fig.6 The stress change at key point 4 at start

圖6所示，為輸送機在起動過程中，輸送帶關鍵點4的應力變化情況。隨著時間的變化，輸送帶上的應力先迅速上升至峰值0.6 MPa，等輸送機逐漸達到穩(wěn)定運行速度，應力逐漸減小并趨于穩(wěn)定在0.2 MPa左右。

(5)關鍵點5位于輸送帶末端，輸送帶在托輥的作用下即將被展開呈水平形態(tài)，屬于輸送帶的卸料段。仿真過程，選取關鍵點5，即添加Marker點為空間位置上的固定點5，不隨輸送帶運動。

圖7 起動時關鍵點5的應力變化
Fig.7 The stress change at key point 5 at start

圖7所示，為輸送機在起動過程中，輸送帶上關鍵點5的應力變化情況。隨著時間的變化，輸送帶上的應力先迅速上升至峰值0.6 MPa，等輸送機逐漸達到穩(wěn)定運行速度，應力逐漸減小并趨于穩(wěn)定在0.2 MPa左右。

通過以上應力變化圖，我們得出了以下結論；

(1)輸送帶前端的峰值較高，因此需要增大前端托輥的強度。

(2)輸送帶在穩(wěn)定運行后，各位置的應力值基本相等，證明管帶式輸送機線路布置比較合理。

(3)根據(jù)應力圖所示，有助于選擇輸送帶的型號。

4 小結

在傳統(tǒng)設計方法的基礎上，結合SolidWorks建模，ANSYS柔性化，ADAMS動態(tài)特性仿真，得到了輸送機在起動過程中，加料段，轉彎過渡段，拐點以及卸料段的更加真實的應力變化情況，通過分析得出具有實踐指導意義的結論，為日后對管帶式輸送機的進一步研究提供了材料。