1、引言
在過去的30～40年中，
帶式輸送機取得了很大的發(fā)展。而帶式輸送機隨著向長距離、高帶速、大功率方向發(fā)展，動態(tài)分析方法越來越受到研究人員的重視。由于長距離、大運量、布置復(fù)雜的帶式輸送機，其動力學(xué)特性更為復(fù)雜且重要，采用剛體，動力學(xué)方法進行分析，其精度已不能滿足實際工程的需要。因此，對于大型帶式輸送機，必須采用較為精確的動力學(xué)分析方法。而動態(tài)分析非常復(fù)雜，且不易掌握，需要專門的分析軟件。國外在動態(tài)分析研究方面開展得比較早，動態(tài)分析理論與研制的軟件已基本能夠滿足當(dāng)前帶式輸送機發(fā)展之需；而我國相對較晚，與國外相比還存在一定的差距。為了盡快彌補這一差距，趕超世界的水平，要加大動態(tài)分析研究方面的力度及增加投入，研制出更加完善而功能強大、實用的動態(tài)分析軟件。所以，了解和掌握國內(nèi)外帶式輸送機動態(tài)分析軟件方面的進展及研究動態(tài)是非常必要的。
2、國內(nèi)外帶式輸送機動態(tài)分析研究發(fā)展概況
2.1國外的研究發(fā)展概況
國外對帶式輸送機的研究從20世紀50年代開始，一些采礦業(yè)和運輸業(yè)比較發(fā)達的國家，如德國、美國、澳大利亞、波蘭等，都進行過大量的理論分析與試驗研究。
20世紀，在帶式輸送機動為學(xué)研究上，作為代表性的主要人物有：60年代前蘇聯(lián)的rlaHKpa，rOB和MHTpHeB以及60～70年代德國的Vierling、Matling、Oehmen、Funke等人；80年代澳大利亞的A．Harrsion、美國的Nordellc2]、波蘭的T．W. ZurE31等人；90年代荷蘭的Lodewi jks[4]、加拿大的T．S．Golosinskl等。
20世紀60年代，首先由前蘇聯(lián)的llaHKpa，rOB和lIMHTplieB，在簡化的力學(xué)模型上進行解析分析，提出了第一個帶式輸送機非穩(wěn)定狀態(tài)運行期間動態(tài)分析的計算公式。70年代中期，德國漢諾威工業(yè)大學(xué)的Funke發(fā)表博士論文，主要研究了鋼繩芯帶的動態(tài)特性。1984年3月，Harrison的博士論文“動態(tài)測量與鋼絲繩芯帶的分析”，論述了輸送帶彎曲理論和帶式輸送機啟、制動時瞬時彈性力的分析方法。同年，美國的Nordell和Gozda發(fā)表了第一篇關(guān)于質(zhì)量一彈簧模型的論文，題目為“啟、制動時的瞬時張力和有限元法仿真彈力特性”。1999年，荷蘭的G. Lodewijks發(fā)表了一篇文章“高帶速輸送機設(shè)計”。
近年來，在國際上也掀起輸送機動力學(xué)研究熱潮。根據(jù)最近的文獻資料，可以把研究內(nèi)容主要集中在以下幾個方面：①膠帶材料特性的研究；②帶式輸送機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動力學(xué)模型分析，動態(tài)運動方程的建立及其方程的解法；③驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)特性研究；④帶式輸送機總體特性的分析研究；⑤膠帶橫向彎曲特性的理論研究及測試；⑥動態(tài)特性的測試與試驗研究；⑦帶式輸送機動態(tài)特性研究及動態(tài)設(shè)計的經(jīng)濟性與可行性。
2.2國內(nèi)的研究發(fā)展概況
在國內(nèi)，由于缺乏大型帶式輸送機的設(shè)計和使用經(jīng)驗，動態(tài)分析研究起步較晚。約從80年代初開始，陸續(xù)有對帶式輸送機動態(tài)分析方面的研究。尤其是進入到90年代，很多研究機構(gòu)人員都投入到動態(tài)分析研究上。國內(nèi)有關(guān)研究單位有東北大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院上海分院、中國礦業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、太原重型機械學(xué)院、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、西安礦業(yè)學(xué)院等。進行的主要項目歸納起來有：①西安礦業(yè)學(xué)院、東北大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院上海分院、北京煤炭設(shè)計研究院等，對帶式輸送機在啟、制動等非穩(wěn)定工況下的動態(tài)響應(yīng)的研究；②東北大學(xué)、上海交通大學(xué)、山東礦業(yè)學(xué)院，對輸送帶和帶式輸送機的動力學(xué)模型的研究；③上海交通大學(xué)、太原重型機械學(xué)院，對帶式輸送機膠帶的粘彈性及整機運動的動態(tài)過程的研究；④遼寧工程技術(shù)大學(xué)，對帶式輸送機受料處的動載荷的研究；⑤中國礦業(yè)大學(xué)，對恒張力自動張緊系統(tǒng)的研究等。
3，帶式輸送機動態(tài)設(shè)計，理論和研究范圍
帶式輸送機動態(tài)設(shè)計即是將輸送帶按粘彈性體的力學(xué)性質(zhì)，綜合計入驅(qū)動裝置的啟制動特性、各運動體的質(zhì)量分布、線路各區(qū)段的坡度變化、各種運行阻力、輸送帶的初始張力、帶式輸送機的撓度變化以及拉緊裝置的形式、位置、張緊力等因素的作用，建立輸送機動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，求得輸送機在啟制動過程中，輸送帶上的不同點隨時間的推移所發(fā)生的速度、加速度和張力的變化，預(yù)報傳統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計方法設(shè)計的輸送機可能出現(xiàn)的動態(tài)危險和不安全之處，提出改進和調(diào)整措施，確定優(yōu)化設(shè)計和控制參數(shù)。
輸送機的動態(tài)特性，主要反映在膠帶的縱向振動、橫向振動、側(cè)向振動、托輥及滾筒的旋轉(zhuǎn)振動、機架振動、物料的沖擊振動、基礎(chǔ)振動等方面。定量的研究這些振動及它們之間的關(guān)系非常困難，而且也沒有必要。影響帶式輸送機工作性能的，主要是與膠帶有直接聯(lián)系的振動，即膠帶的縱向振動、橫向振動和側(cè)向振動。
帶式輸送機動態(tài)過程所研究的范圍，涉及到所有部件和過渡工況下可能出現(xiàn)的各種問題，它包括：對過渡工況的動態(tài)響應(yīng)分析、輸送帶的力學(xué)特性、各種裝置對起制動特性的影響及對系統(tǒng)建立動態(tài)模型等。
4、國內(nèi)外動態(tài)分析軟件研制狀況
4.1國外研制狀況
目前，美國、法國、澳大利亞、意大利等國在動態(tài)分析研究方面已經(jīng)達到國際領(lǐng)先地位，他們分別開發(fā)研制了動態(tài)分析軟件，并在大型帶式輸送機設(shè)計中發(fā)揮著重要的作用。
1967年，由美國CDI公司開發(fā)研制的BELT-STAT和BELTFLEX．經(jīng)過近40年的研制與開發(fā)，目前已有20多個國家的工程師利用這個軟件設(shè)計包括大型的各種各樣的帶式輸送機系統(tǒng)，它是易于維護的世界上比較出色的軟件包。BELT-STATv7.O已經(jīng)達到獲取以下的結(jié)果：①帶寬和速度；②帶張力的核算；③重錘拉緊；④驅(qū)動電機的功率核算；⑤驅(qū)動電機起動特性；⑥托輥規(guī)格及間隔；⑦滾筒和軸、軸承的設(shè)計；⑧垂直面上彎曲半徑和相應(yīng)的特殊托輥的間隔；⑨制動裝置尺寸等等，并且增加了很多新的功能。BELTFLEX能模擬帶式輸送機啟、制動期間的瞬時動態(tài)特性。
澳大利亞的帶式輸送機軟件HELIX delta-T5，該軟件的技術(shù)研究與發(fā)展開始于1992年，現(xiàn)在世界上已有很多的delta-T用戶。新版本的delta-T5動態(tài)分析模塊，包括如下功能：①可以進行啟制動過程的仿真；②可以進行輸送帶彈性體動力學(xué)計算；③可以輸出在啟制動時輸送線上不同點、不同工況的帶速、動張力及拉緊行程等詳細圖形等。
HELIX delta-T軟件已經(jīng)在世界上超過25個國家，得到應(yīng)用10多年了，有數(shù)百臺實際的輸送裝置證明了它的價值，最新的HELIX delta-T 5版本給輸送機設(shè)計帶來更多的便利。
另外，美國的PRO-BELT5.o軟件也經(jīng)歷了10多年的發(fā)展，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到應(yīng)用。它的設(shè)計計算具有極高的準確性且使用方便，通過給出錯誤信息來幫助設(shè)計者保持設(shè)計數(shù)據(jù)的準確性。新版本加強了動態(tài)分析模塊，根據(jù)需要程序，可以將模型劃分為若干部分，可分至24段之多。程序可以對如啟制動、加減速及不同載荷等各種工況進行動態(tài)分析，給出相應(yīng)的托輥載荷、輸送帶張力、滾筒軸的撓度等設(shè)計數(shù)據(jù)。還可以對水平彎曲段進行準確的動態(tài)設(shè)計。
除上述這些軟件以外，還有如：AC-Tek的“Sidewinder”軟件、Overland Conveyor Co公司開發(fā)的Dyanmic Analyst軟件、Creative Engineer-ing公司開發(fā)的WINBELT軟件等等，都是比較出色的軟件。
4.2國內(nèi)研制狀況
從20世紀90年代開始，國內(nèi)有關(guān)帶式輸送機動力學(xué)分析也得到了廣泛的重視，有很多單位著手進行了動態(tài)分析方面的理論研究，并研制了相應(yīng)的動態(tài)仿真軟仵。
東北大學(xué)的宋偉剛，在大型帶式輸送機動態(tài)過程的研究基礎(chǔ)上，完成了動力學(xué)分析軟件的開發(fā)，2001年對該軟件進行了進一步的開發(fā)，建立了完整的動力學(xué)模型和穩(wěn)定的數(shù)值分析方法。該軟件已經(jīng)在工程實際中應(yīng)用。
中煤國際工程設(shè)計研究總院的李玉謹從1999年開始，致力于研究動力學(xué)分析方法。經(jīng)過幾年的研究、試驗、對比分析、現(xiàn)場實踐，他提出了一套完整的、準確的、適合不同帶式輸送機運行工況的動力學(xué)設(shè)計方法。初步編寫了幾種工況的帶式輸送機的動力學(xué)設(shè)計軟件。可以對帶式輸送機系統(tǒng)進行動力學(xué)設(shè)計、分析和研究。
中國礦業(yè)大學(xué)的侯友夫，在2001年利用所編制的仿真軟件，對帶式輸送機動態(tài)特性進行了全面的分析，其中包括：啟動過程中輸送帶的動應(yīng)力、速度和加速度的變化特點；空載與滿載的啟動和正常運行狀態(tài)的比較；拉緊點位置對帶式輸送機動態(tài)特性的影響；液力耦合器特性對帶式輸送機動態(tài)特性的影響；單電機啟動與雙電機啟動的性能比較；兩種拉緊方式的動態(tài)性能比較。它是采用VC++為開發(fā)平臺編制的。
太原理工大學(xué)的趙娜，主要對帶式輸送機的啟動過程進行了研究，2002年根據(jù)帶式輸送機實際動態(tài)特性，確定離散模型中的具體參數(shù)值及其算法，并由此編制了相應(yīng)的程序。還對實際輸送機設(shè)備進行數(shù)值仿真，并比較計算機仿真結(jié)果與實測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者動態(tài)特性趨勢大致相同。該程序是由VB和MATLAB共同實現(xiàn)的。
2003年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)的許丹，通過對現(xiàn)有帶式輸送機動態(tài)設(shè)計理論的比較和分析，采用有限元分析方法建立了帶式輸送機系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并在這一動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了帶式輸送機動態(tài)設(shè)計軟件。該軟件以Visaul Basic語言與MATLAB軟件有機結(jié)合，操作簡單，智能化程度較高，可以求得帶式輸送機系統(tǒng)任意位置的動態(tài)參數(shù)，并對動態(tài)參數(shù)進行二維和二維圖形的顯示。
沈陽化工學(xué)院的王丹等人，針對大型平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機動態(tài)設(shè)計問題，開發(fā)了平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機動態(tài)分析軟件。該軟件在中文Windows環(huán)境下，使用Visual Basic 6．O開發(fā)，針對直線運行和包括多處平面轉(zhuǎn)彎段的大型帶式輸送機啟動過程進行了仿真。
淮海工學(xué)院的席平原等人，利用SIMU-LINK軟件對帶式輸送機啟動過程進行仿真，計算出輸送機在啟動情況下，任意時刻輸送帶任意截面的位移、速度、加速度和張力，以控制輸送機啟動過程的穩(wěn)定性和安全性。
上海交通大學(xué)的李光布，2003年發(fā)表了博士論文，在文中提到首次開發(fā)出基于非線性系統(tǒng)的帶式輸送機動態(tài)分析軟件BDS，并借助BDS對一條上運帶式輸送機的膠帶張力、帶速、重錘位移及張力波傳波速度等動態(tài)參數(shù)進行仿真，并將仿真結(jié)果與國外商業(yè)軟件和理論公式進行了比較，結(jié)果顯示誤差在1.48%～7.96%之間。
動力學(xué)分析能估算包括在啟動或停車過程中的有關(guān)結(jié)構(gòu)、滾筒和輸送帶載荷。對于長距離大張力的輸送機，該方法是可靠性設(shè)計的重要部分，這已被工業(yè)界廣泛地采用。
5、動態(tài)分析軟件的特點及作用
對于通用的帶式輸送機動態(tài)分析軟件系統(tǒng)，可以分為三大組成部分，即前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。在前處理模塊中，主要描述設(shè)計所需的模型參數(shù)，對于帶式輸送機求解所涉及的已知參數(shù)很多，所以盡量方便用戶輸入數(shù)據(jù)。分析計算模塊是軟件的核心，大都圍繞著模塊化設(shè)計、節(jié)省存儲空間及提高計算效率方面進行了研究。帶式輸送機動態(tài)分析軟件是由一個大型的復(fù)雜程序所構(gòu)成的，所以采用模塊化的方法把問題進行分解，模塊之間相對獨立。使軟件系統(tǒng)易于擴充、局部修改容易。后處理模塊，把計算的結(jié)果采用數(shù)據(jù)表形式、曲線曲面形式及頻譜圖方式展現(xiàn)出來。
采用動態(tài)分析軟件，可以對靜態(tài)設(shè)計的結(jié)果進行改進，為帶式輸送機設(shè)計提供合理的參數(shù)，如輸送帶的動張力、動位移等。其主要作用是：①給出輸送機各主要部件的受力狀況，應(yīng)用這些結(jié)果可進一步對各零部件進行強度設(shè)計，從而使輸送機系統(tǒng)更具有經(jīng)濟合理性；②提供合理的驅(qū)動裝置、啟制動過程的驅(qū)動力和制動力的控制要求；③提供合理的驅(qū)動裝置、拉緊裝置、制動裝置的布置位置；④為輸送機的拉緊裝置提供設(shè)計參數(shù)，包括拉緊裝置的速度、行程，進而可以設(shè)計拉緊裝置的驅(qū)動功率；⑤檢驗初步設(shè)計結(jié)果的合理性，通過分析結(jié)果對初步設(shè)計進行改進。
6、結(jié)論
綜觀帶式輸送機發(fā)展歷史，可以肯定的是：無論從輸送距離、輸送速度、驅(qū)動及輸送形式上，還有設(shè)計精度、可靠性、經(jīng)濟性等方面，已經(jīng)取得了很多的成果。隨著帶式輸送機向長距離、高帶速、大運量的方向發(fā)展，研究動態(tài)過程的動力學(xué)分析方法越來越成為研究的主流，由此開發(fā)研制出的動態(tài)分析軟件也逐漸增多。但從目前國內(nèi)研制和使用情況來看，遠沒有達到普及和使用的程度。所以，進一步完善和鞏固帶式輸送機動態(tài)分析方法的理論，且研制相應(yīng)的分析軟件，是目前非常急需而又重要的任務(wù)。
（轉(zhuǎn)載請注明：富通新能源輸送機
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