皮带运输机负载模拟仿真系统研究及应用.docx

皮带运输机负载模拟仿真系统研究及应用.docx

《皮带运输机负载模拟仿真系统研究及应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《皮带运输机负载模拟仿真系统研究及应用.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

皮带运输机负载模拟仿真系统研究及应用

皮带运输机负载模拟仿真系统研究及应用

目录

皮带运输机负载模拟仿真系统研究及应用1

1、皮带运输机概述2

1.1概述2

1.2皮带运输机的负载特点2

2皮带传动的张力情况分析3

3稳定运行时皮带运输机负载情况分析4

3.1稳定运行时单主动滚筒皮带运输机负载情况分析4

3.2稳定运行时双主动滚筒皮带运输机负载情况分析5

4皮带运输机动态过程负载情况分析7

4.1启动、停止或加速、加速过程中双主动滚筒皮带运输机负载情况分析7

4.2皮带上物料重量变化过程中双主动滚筒皮带运输机负载情况分析9

4.2.1装载过程负载分析9

4.2.2卸载过程负载分析9

4.2.3负载突减负载变化过程分析10

4.2.4负载突加负载变化过程分析13

4.2.5给料速度变化负载变化过程分析14

5皮带机负载的模拟仿真系统14

5.1皮带机负载模拟装置原理15

5.2皮带机负载模拟装置16

5.3皮带运输机负载模拟仿真系统18

1、皮带运输机概述

1.1概述

随着带式输送机技术的不断完善与发展，带式输送机已经成为散体物料的主要运输工具之一，因其能实现物料的连续装卸运输而且运输距离长、输送能力大、电耗低、投资费用相对较低以及维护方便等特点，而被广泛应用于港口，码头，冶金、热电厂、煤矿等企业物料运送。

皮带机宽范围模拟负载装置主要采用两台直流电机作为模拟负载，通过调节直流电机的励磁电流，达到控制模拟负载大小的目的，如何通过调节直流电机励磁电流的大小实现对皮带运输机负载的模拟。

1.2皮带运输机的负载特点

皮带传动是机械传动中的一种，皮带运输机能够快捷、方便的输送物料，皮带运输系统可以看作是一个大型的带传动装置，皮带是输送机的重要的组成部分，起着承载和牵引作用。

皮带是一个弹性体，在静止或运行时皮带内贮藏了大量的能量，要实现对皮带运输系统的负载进行模拟，首先要分析皮带运输系统的基本原理。

2皮带传动的张力情况分析

皮带滚筒和皮带之间存在一定的张紧力，这样才能有足够的摩擦力使带轮带动皮带转动起来，在带开始转动之前上下边的皮带张力相等；开始转动后。

两边张力将有一差值，这个差值就是皮带传输牵引拉力，皮带传输牵引拉力是由于电机带动皮带滚筒，使皮带和皮带滚筒间产生的静摩擦力产生的（如图1所示）。

图1：

皮带传动的基本原理示意图

皮带牵引拉力的大小：

F=FZ2-FZ1

（1）

式中：

F皮带牵引拉力

FZ1皮带松边张力

FZ2皮带紧边张力

皮带张力情况十分复杂，首先分析平稳运输状态的单主动滚筒皮带机张力情况。

现假设：

（1）皮带的弹性系数为常数；

（2）皮带运输机除皮带外，其他部分为刚体；

（3）两滚筒间的皮带为直线，忽略张紧滚筒对张力的影响；

（4）皮带的运行阻力系数与运输能力成线性关系。

在以上假设基础上分析皮带机，对分析结果影响不大。

3稳定运行时皮带运输机负载情况分析

在皮带机稳定运行时，系统提供的牵引力的大小等于所有托辊摩擦力以及物料的下滑力的和。

各段皮带张力相对稳定。

以下分单主动滚筒皮带运输和双主动滚筒皮带运输对负载情况进行具体分析。

3.1稳定运行时单主动滚筒皮带运输机负载情况分析

单主动滚筒的皮带机张力分析示意图如下：

图2稳定运行时单主动滚筒皮带机张力分析

皮带牵引力的大小：

F=FZ2-FZ1=（Ft1…+Ftn）+Fx

（2）

根据力学基本原理有：

Ft1…+Ftn=μ（Mg+MPg）COSθ（3）

Fx=MgSINθ（4）

式中：

Ft1第一个托辊的摩擦力

Ftn第n个托辊的摩擦力

Fx物料的下滑力

F=μ（Mg+MPJg）COSθ+MgSINθ（5）

式中：

M物料的总质量

MpJ紧边皮带总质量

μ皮带和托辊间的摩擦系数

θ皮带机的倾斜角

g重力加速度

3.2稳定运行时双主动滚筒皮带运输机负载情况分析

双主动滚筒的皮带机张力分析示意图如下：

图3稳定运行室双主动滚筒皮带机张力分析

主动滚筒牵引力大小为：

F1=FZ2-FZ1（6）

F2=FZ3-FZ4（7）

FZ1=FZ3（8）

因此：

F1+F2=μ（Mg+MPJg）COSθ+MgSINθ（10）

式中：

FZ3第二主动滚筒皮带紧边张力

FZ4第二主动滚筒皮带松边张力

由此可知，

4皮带运输机动态过程负载情况分析

4.1启动、停止或加速、加速过程中双主动滚筒皮带运输机负载情况分析

皮带运输机的启动、停止或加速、减速，都可以看作是一个变速过程。

这一过程是一个储备或释放动能的过程。

因此从能量的角度对皮带运输机负载情况进行分析：

储存的动能E包括平动动能变化部分E1和转动动能变化部分E2两个部分:

E1=1/2（Mg+MPg）（v22-v12）=1/2（πD）2Mg（n22-n12）+1/2（πD）2MPg（n22-n12）（11）

E2=1/2JΣ（ω22-ω12）=1/2JΣ（π/30）2（n22-n12）（12）

Mp皮带总质量

ω1、ω2滚筒加速前后角速度

n1、n2滚筒加速前后转速

JΣ皮带机等效转动惯量

E=（1/2（πD）2MPg+1/2JΣ（π/30）2）（n22-n12）+1/2（πD）2Mg（n22-n12）（13）

假设加速过程为匀加速，加速过程的皮带机移动的距离为：

JΣ=1/2MΣR2=1/8MΣD2（14）

MΣ皮带机等效到主动滚筒的质量

S=1/2πD（n1+n2）t（15）

t加速时间

S加速过程皮带机移动的距离

提供能量储存需要的力的大小为：

Fa=E/S（16）

将（13）（14）（15）式代入（16）式并化简：

Fa=πD（MPg+Mg+1/14400MΣ）（n2-n1）/t（17）

图4变速过程双主动滚筒皮带机张力分析

因此：

F1+F2=μ（Mg+MPJg）COSθ+MgSINθ+πD（MPg+Mg+1/14400MΣ）（n2-n1）/t（18）

加、减速过程中由于电机处于主动加、减速状态，因此皮带的张力变化会均匀分配，因此此时若皮带机上物料重量不变，那么皮带机的负载转矩增加储能需要的牵引力值即可。

两主动滚筒的牵引力平均分配，不存在突变现象。

4.2皮带上物料重量变化过程中双主动滚筒皮带运输机负载情况分析

4.2.1装载过程负载分析

装载过程，单指刚起动时，货物从前端到后端的这段过程。

就是传送带工作段总运载货物质量逐渐增加的过程，带上的料重

Mg=ρVt=ρπDnt（19）

n滚筒转速

ρ单位长度物料的重量

在这个过程中，随时间变化，装载货物重量增加，使托辊与皮带和皮带以及货物之间产生的摩擦力逐步增加。

皮带的两个主动设备的驱动力逐步增加，两主动滚筒的牵引力平均分配，不存在突变现象。

将（19）式代入（18）式就可得到两个主动滚筒的牵引力和。

此过程直到πDnt等于皮带长度结束。

4.2.2卸载过程负载分析

卸载过程，单指物料停止从带头加入时，货物从前端到后端的这段过程。

就是传送带工作段总运载货物质量逐渐增加的过程，带上的料重

Mg=ρL-ρVt=ρ（L-πDnt）（20）

同样卸载过程中，随时间变化，装载货物重量减少，使托辊与皮带以及皮带和货物之间产生的摩擦力逐步减小，张力逐步减小。

皮带的两个主动设备的驱动力逐步减小，两主动滚筒的牵引力平均分配，不存在突变现象。

将（20）式代入（18）式就可得到两个主动滚筒的牵引力和。

此过程直到πDnt等于皮带长度结束。

4.2.3负载突减负载变化过程分析

负载突减主要是由于有重块从皮带落下，突减使需求牵引力突减。

减小的牵引力可以按下面的方式计算：

F△=μM△gCOSθ+M△gSINθ（21）

负载突减发生在传送机的后端，即卸料端。

由于力在皮带上传递有一定时间，因此此牵引力首先在后主动滚筒减少，逐步过渡到前主动滚筒。

此过渡过程时间的长短主要取决于皮带的长度和皮带的弹性系数，同时还取决于张紧系统的响应时间和响应方式，我们忽略张紧机构的影响，在过渡过程中，皮带后端主动滚筒的牵引力迅速减少然后逐步增加，前端滚筒牵引力逐渐减少，过渡时间牵引力变化关系可以简单采用下面的方法进行计算：

假定拖动电机在工作区段电机转速-力矩曲线特性曲线为线性

因此,负载突减的瞬间，前端主动滚筒的转速变化值为：

（21）

i皮带机综合传动比

n0电机的同步转速

ne电机的额定转速

Te电机的额定转矩

皮带运动速度增加：

（22）

由于皮带机张力不能迅速传递到后端主动滚筒，因此，后端主动滚筒的电机转速不变，皮带运动速度不变。

当前后主动滚筒转矩平衡时，皮带运行速度增加

，主从动滚筒的牵引力各减少

，根据弹性定律可知张力与伸长长度成正比，因此皮带增加的伸长长度与时间的变化曲线方程为：

。

由此可得到前后主动滚筒的牵引力变化量为：

（23）

（24）

K皮带的弹性模量

L皮带的长度

S皮带横截面积

△F前主动滚筒的张力变化量

此过程直到

为止。

4.2.4负载突加负载变化过程分析

负载突加主要是由于有重块从皮带落下，突加使需求牵引力突加。

增加的牵引力可以按下面的方式计算：

F△=μM△gCOSθ+M△gSINθ（25）

负载突加一般发生在传送机的前端，即装料端。

由于力在皮带上传递有一定时间，因此此牵引力首先加载在前主动滚筒，逐步过渡到后主动滚筒。

皮带前端主动滚筒的牵引力迅速增加然后逐步增加，后端滚筒牵引力逐渐增加，过渡时间牵引力变化关系可以简单计算如下：

但由于重物在皮带机上逐渐向前运动，随着重物的移动，拉伸的皮带长度逐渐变短，但重物和前端皮带轮间的皮带长度在逐步加长，这段皮带上的张力逐步增大，皮带由于张力的变大也相应变长，因此重物移动并不影响皮带的伸长速度，因此与突减负载相似的方法，可以得到：

（26）

（27）

此过程直到

为止。

4.2.5给料速度变化负载变化过程分析

给料速度增加相当于皮带机的加载过程，只是此时的变化是在原负载的基础上逐步增加负载的过程；给料速度减少相当于皮带机的卸载过程，只是此时的变化是在原负载的基础上逐步减少负载的过程，因此有：

Mg=（ρ+△ρ）Vt=（ρ+△ρ）πDnt（28）

△ρ单位长度物料的变化量

将（28）式计算结果加到代入（18）式就可得到两个主动滚筒的牵引力和。

两主动滚筒的牵引力平均分配，不存在突变现象。

此过程直到πDnt等于皮带长度为止。

5皮带机负载的模拟仿真系统

上面对皮带运输机的负载情况和负载变化情况分别进行了详细分析，根据上述的分析结果，要想模拟皮带运输机的负载就要提供按上述分析结果变化的负载，皮带运输机的负载变化，是上述几种情况的一种或几种情况组合，采用上述分析的计算方法组合可以方便的计算出每个主动滚筒应提供的转矩，也就是我们要模拟的负载。

5.1皮带机负载模拟装置原理

由于控制直流发电机的励磁即可方便的控制直流发电机输出功率，为了模拟皮带机的负载，我们选用两台直流发电机作为皮带运输机电机拖动的负载。

皮带运输机负载模拟系统的原理电路如下：

由直流发电机的转矩平衡方程式可知，直流发电机的输入转矩等于发电机的电磁转矩和损耗转矩的和，而直流电机的转矩:

Mem=CmΦIe,因此我们采用两个标定好空载转矩的直流电机，通过调节直流发电机的励磁电流和电枢电流的乘积值即可控制直流电机的输入转矩，实现皮带运输机的负载转矩的模拟。

我们通过A/D转换器直接读取直流电机的发电电流和励磁电流，通过计算机对发电机的空载损耗和输出电磁转矩的计算，调整励磁电流的大小，对直流发电机的输入转矩进行控制，达到模拟负载转矩的目标。

在皮带机负载情况分析中已经可以通过皮带机的基本参数和拖动电机的参数计算出皮带运输机不同负载情况的后主动滚筒的牵引力，通过皮带机的传动比和主动滚筒半径等参数以及皮带机的损耗可得到不同负载情况下的电机输出转矩。

由于皮带运输机系统是属于机械传动系统，忽略其他因素的影响，可以认为皮带机的损耗转矩是恒定的，不随转速的变化而变化，我们从皮带运输机的转矩传输效率和额定运输能力即可得到皮带机的空载转矩值。

5.2皮带机负载模拟装置

搭建了相应的硬件电路，形成了一套宽范围负载模拟装置，如图6所示，为宽范围负载模拟装置实物图。

为了对该装置的功能进行更深一步研究，搭建出两个实验平台。

该平台由变频电机或者开关磁阻电机拖动直流发电机。

两台直流电机可模拟皮带机前后端滚筒负载，试验出的模拟波形如下：

实际应用中，皮带运输机的工作过程并不像理论分析那样，但我们作为负载模拟主要模拟皮带机不同运行状态下的负载特点即可满足研究皮带机拖动电机的功率平衡技术等皮带机控制系统研究的需要，上述方法简单可靠、方便使用，为皮带运输机调速控制研究提供了良好的实验条件。

5.3皮带运输机负载模拟仿真系统

在皮带运输机调速系统研究过程中，采用该模拟负载装置对皮带运输机的变频调速系统和开关磁阻电机的调速过程中和皮带机负载变化对调速系统的影响进行了研究，取得了良好的效果，目前采用该负载模拟装置调试的皮带机变频调速系统经过试运行，系统安全性、可靠性、实用性均得到了较好的体现。