（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仪器技术的带式输送机综合试验系统设计.pdf

摘要 中文摘要 带式输送机作为重要的连续输送设备已为我国相关领域服务很长时间了，随着相关 学科理论、材料技术、电子技术以及市场需求的发展，目前带式输送机朝着长距离、大 运量、高带速、大规格以及能适应复杂输送路线的方向发展。随着物流技术的发展以及 物流对生产成本的影响的增大，带式输送机的应用场合变得更加广泛。因此，对带式输 送机进行理论研究、试验分析变得愈发重要。 输送带作为输送机的主要组成部分，其成本占到整个输送机的成本的一半，其损耗 主要是因为使用过程中产生的摩擦磨损，故对其摩擦特性的研究是非常有意义的。并且 输送机的主要运行阻力也是由托辊组与输送带的相对运动产生的，而输送带的摩擦磨损 是影响其使用寿命的关键因素之一，本文从输送带的材料特性出发对其摩擦特性进行了 简单的定性分析。利用模拟摩擦系数，实现输送带运行时由摩擦等引起的运行阻力的定 量分析，并设计了一种带式输送机综合试验系统。 带式输送机综合试验系统是一种在实验室环境下对相关带式输送机的相关项目进 行测试的系统。该系统集软硬件为一体，系统自集成测控系统，能对系统的硬件和测试 操作过程进行软件控制，对测试数据进行采集、处理。该系统能对通用带式输送机在不 同类型输送带、不同带宽、不同输送带的张力、不同带速、不同载荷和不同槽角组合下 的模拟摩擦系数和圆管带式输送机在不同类型输送带、不同带宽、不同输送带的张力、 不同带速、不同载荷和不同多边形托辊组组合下的模拟摩擦系数进行测量。试验系统以 l a b v i e w ( 实验室虚拟仪器工作平台) 软件作为测控系统的开发平台，在简化系统硬件 的同时更增强了试验系统操作界面的人机交互性。 关键词：带式输送机；试验系统；模拟摩擦系数；虚拟仪器；l a b v i e w i i 垒! 墅! o 。_ _ _ 。_ _ 。- _ 。_ 。_ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - - i - - _ _ - _ - 一 a sa n i m p o r t a n tc o n t i n u o u sh a u l a g es y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o no fb e l t c o n v e y o r sh a sal o n gt i m ei nr e l a t e da r e a s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h eb e l tc o n v e y o r si sc h a r a c t e r i z e db yc o n s i d e r a b l el e n g t h sa n dh i g h c a p a c i t i e sa n db e l ts p e e d ，c o m p l i c a t e dc o n f i g u r a t i o n so fac o n v e y o rr o u t ea r e t h e i rd e v e l o p i n gd i r e c t i o nf o rt l l ef u t u r e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fl o g i s t i c s t e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n gc o s tr a t i of o rl o g i s t i c so np r o d u c tc o s t ，a sa s o c i o e c o n o m i cl o g i s t i c se q u i p m e n t ，t h ea p p l i c a t i o no fb e l t c o n v e y o rc o u l d b e c o m em o r ee x t e n s i v e t h e r e f o r ei ti ss i g n i f i c a n tt om a k et h e o r e t i c a lr e s e a r c h a n dt e s ta n a l y s i sf o r b e l tc o n v e y o r s b e l ti sa ni m p o r t a n tp a r ti nb e l tc o n v e y o r ，i t sc o s tc o m e su pt oah a l fo f t o t a lc o s to fb e l tc o n v e y o ra n df r i c t i o n a lw e a ro fb e l ti st h em a i nc a u s ef o ri t s l o s s ，s oi ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c hf r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co fb e l t p r i n c i p a l r e s i s t a n c e st om o t i o no fb e l ta r ep r o d u c e di nt h ec o u r s eo fr e l a t i v em o v e m e n t b e t w e e nb e l ta n di d l e r s ，a n db e c a u s eo ft h er e s i s t a n c e st ot h eb e l t sm o t i o ni n b e l tc o n v e y o r sm a i n l yc a u s e db yf r i c t i o na n df r i c t i o n a lw e a ro ft h eb e l tb e i n g o n eo fk e yf a c t o r st oe f f e c ti t ss e r v i c el i f e ，t h ep a p e rg i v e sas i m p l eq u a l i t a t i v e i n v e s t i g a t i o no ff r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co ft h eb e l tf r o mi t sm a t e r i a lb e h a v i o r , u s i n gs t i m u l a n tc o e f f i c i e n to ff r i c t i o n ，i tc o u l dm a k eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sf o r t h er e s i s t a n c e st ot h eb e l t sm o t i o nc a u s e db yf r i c t i o ne t c ，a n dd e s i g nab e l t c o n v e y o r ss y n t h e s i z e dt e s t i n gs y s t e m b e l tc o n v e y o r ss y n t h e s i z e dt e s t i n gs y s t e mi sas y s t e mu n d e rl a b o r a t o r y c o n d i t i o n t h ec o m m o nb e l tc o n v e y o r sa n dp i p ec o n v e y o r sa r et h et e s ts u b j e c t s o ft h es y s t e m i tc o u l dt e s tt h es t i m u l a n tc o e 伍c i e n to ff r i c t i o no fc o m m o nb e l t c o n v e y o r su n d e rd i f f e r e n tt y p eo fb e l t ，b e l tw i d t h ，b e l tt e n s i l ef o r c e ，b e l ts p e e d ， l o a d e da n da s s e m b l e dt r o u g ha n g l ea n dt h es t i m u l a n tc o e f f i c i e n to ff r i c t i o no f p i p ec o n v e y o r su n d e rd i f f e r e n tt y p eo fb e l t ，b e l tw i d t h ，b e l tt e n s i l ef o r c e ，b e l t s p e e d ，l o a d e da n di d l e r sl a y o u t m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft h et e s t i n g s y s t e mi s b a s e do nv i ( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) s o r w a r e 一i ，a b v i e w ：a n di n c o n s e q u e n c e i t s i m p l i f i e st h eh a r d w a r e o ft h es y s t e m ，i ta l s oe n h a n c e s a b s t r a c t h u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o no ft h es y s t e m so p e r a t i o n a li n t e r f a c e k e yw o r d s ：b e l tc o n v e y o r s ；t e s t i n gs y s t e m ；s t i m u l a n tc o e f f i c i e n to f f r i c t i o n ；v i ；l a b v i e w t h e d e s i g no f v i - - b a s e d s y s t e m f o rb e l t i v s y n t h e s i z e dt e s t i n g c o n v e y o r s 2 4 试验步骤18 2 5试验系统的其它说明1 9 2 6本章小结。1 9 第三章试验系统主要机构的设计与选型2 l 3 1滑轨块的选型2 1 3 2齿轮齿条传动设计2 3 3 3电机的选型2 5 3 4移动平台的制动2 6 3 5本章小结2 8 第四章现代测控技术2 9 4 1现代测试系统2 9 4 1 1 现代测试系统简介2 9 4 1 2 测试信号3 l 4 1 3 传感器技术3 1 4 1 4 信号调理3 2 4 1 。5 信号采集与a d 转换3 2 4 1 6 信号的分析与处理3 2 4 2虚拟仪器技术3 3 v 目录 4 2 1 虚拟仪器的基本概念及特点3 3 4 2 2 虚拟仪器的构成3 3 4 2 3 虚拟仪器接口总线技术3 5 4 3 l a b v i e w 3 5 4 3 1l a b v l e w 简介3 5 4 3 2l a b v l e w 语言的特点：3 5 4 4 本章小结3 6 第五章测控系统的硬件组成及其选型3 7 5 1测控系统硬件组成3 7 5 2 传感器：3 7 5 3数据采集卡4 l 5 4电机调速与变频器4 3 5 5本章小结4 4 第六章测控系统软件设计4 5 6 1测控系统程序总体设计4 5 6 2 测控软件的编制4 6 6 3本章小结5 0 第七章结论51 7 1主要结论5l 7 1 展望5 1 参考文献5 3 致谢5 5 攻读硕士期间发表的论文5 7 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 带式输送机概况与简史 虽然在大多数情况下，长距离输送机其需要很高的初期资本支出，但这是可重新赚 回来的。因为相比于当今能源、劳动力和环境成本的飞速增长以及技术劳动力不足的现 状，它降低了运营成本。因此，输送机作为一种重要的物流设备已经为社会各生产部门 服务很长时间了，其中各种带式输送机是输送机中使用最为广泛的。时至今日，带式输 送机的应用领域和地位仍在不断深化中。 现代环境下的带式输送机，首先见于1 7 9 5 所使用的皮革带，在接下来的1 9 世纪六 十年代到8 0 年代得到较大的发展。随着1 9 4 2 年g o o d y e a r 公司首次引进钢丝带，人们 从此进入了使用增强带的时代。1 9 5 0 年代，输送机在德国莱茵河畔露天褐煤矿开采中 的应用则是开辟了输送机的一个新的应用领域，引起了输送机更加广泛的研究和创新。 在这个十年里，由于钢丝带具备高的拉拽强度的优点，使得这类带被广泛使用，尤其是 用于长距离输送机上。但是钢丝带小的伸长率这一优点在这个时期还未得到人们的重 视，因为事实上首条4 千米的带式输送机直到1 9 6 3 年才被建造，用于替代一条索道。 1 9 7 0 年是作为一个新纪元的开始而被记载下来。长期以来，开发跨越长距离输送的 带式输送机存在的障碍，与其说是技术上的不如说是心理上的，但这一年随着长达1 3 千米的最长的带式输送机的建立使得这一障碍被克服。随后出现了9 6 千米的，其由1 1 节输送机联结而成，其中最长一节达1 1 6 千米。 1 9 世纪七十年代末，人们开始致力于只有单个头部驱动的估计功率达1 0 4 0 0 k w 的 输送设备的研究，其用到了型号为s t 7 1 0 0 的钢丝带，最大的头部驱动在那时已达到了 3 0 0 0 k w 。这种驱动，如果在水平输送应用中使用可以允许5 0 k m 单向跨度。由于此驱 动方面的提升，使得先前使用钢丝带在短短几年里就能允许采用11 节输送机跨越9 6 k m 的情况现在只需要三个甚至是两个输送机就能达到，且其中之一可以有弯道。 带式输送机已经普遍地出现在连续输送系统中，这是由于其诸多的优点，如几乎不 受限制的容量、经济性、安全性、多功能性、可靠性和需要考虑环境时的适应性。时代 的变迁，带式输送机给人留下了深刻的印象，在过去的十几年里劳动力和能源成本不断 增长，再加之更多明确的环境管理要求，已使得其在工业界比起过去受到更多的青睐l 2 j 。 社会实现现代化的进程中，社会生产尤其是工业生产活动与生态环境问的矛盾日趋 尖锐，环保问题已在世界范围内引起了广泛的重视。通用带式输送机在输送散状物料的 过程中会出现粉尘和撤料等污染环境的情况，这大大限制了其使用场合。为了减少输送 基于虚拟仪器技术的带式输送机综合试验系统设计 过程产生的污染，提倡环保和无公害化输送散状物料，导致了人们对密闭输送的开发与 研究。其中圆管带式输送机是此类领域中开发最早、发展最快、而且目前用量最大的。 日本的石桥株式会社于2 0 世纪7 0 年代开发出圆管带式输送机，走在此领域的前列，在 世界3 2 个国家和地区获得了专利或正在申请专利。该会社的圆管带式输送机是由六边 形或八边形的托辊组将输送带强制性卷成边缘互相搭接的圆管状，进而实现物料的密闭 输送。到1 9 7 9 年在世界各地已投入使用的数量达5 0 0 多台，而到上世纪九十年代中期 时发展到6 0 0 多台了。还有一种圆管带式输送机，其与石桥株式会社开发的所用零部件 相似，也是由六个或八个固定托辊组成的六边形或八边形托辊组，将输送带强制性卷成 圆管状，但托辊与石桥的同侧布置不同，其布置在支撑板的两侧，每侧三个或四个，相 邻两个托辊不同侧。第一台此类圆管带式输送机于1 9 9 2 年5 月在德国一家水泥厂投入 运行，输送石灰石、管径2 5 0 m m 、长度5 8 0 m 、输送量3 5 0 t h 。 圆管带式输送机在国内的发展始于上世纪八十年代初，由太原科技大学( 原太原重 型机械学院) 首先开发研制成功。随后国内几个企业( 淮南煤机厂于1 9 9 1 年 - 一1 9 9 5 年； 自贡输送机械总厂于1 9 9 6 年 2 0 0 0 年；华电集团公司于2 0 0 1 年 - - 2 0 0 5 年) 相继通过 与日本普利斯通株式会社( b r i d g e d t o n e ) 签订技术合作协议的方式极大地促进了圆 管带式输送机在国内的发展。圆管带式输送机现已广泛应用于港口、冶金、建筑、电力、 造纸及石油化工等行业，用来输送各种煤、混匀料、烧结矿、矿粉、石油焦，石灰石、 沙石料、电石渣、加湿灰、化肥、盐、废纸、磷石膏、硫铁矿渣等散体物料。此外还有 多家企业也已具备开发和生产圆管带式输送机的产能。圆管带式输送机的行业标准 ( j b t 1 0 3 8 0 2 0 0 2 ) 也随之于2 0 0 2 年制定。 圆管带式输送机在输送过程中，因为卷成封闭带的缘故而使得被输送物料不会出现 洒落、飞扬、泄漏，同时也防止了管外物料的混入，因此实现了无公害化输送，净化了 环境，并且无需普通带式输送机的皮带长廊或加罩，这同时还减少了基建等费用。除了 环保方面明显的优点外，其还有下列优点： ( 1 ) 、可空间弯曲布置输送线路因为在输送线路上，输送带成圆管结构，使输送 机可实现垂直面和水平面转弯，可绕过各种障碍和设施，跨过公路、铁路和河流等，不 需要中间转载。因此设计出非常经济的总体布置方案，以较小的曲率半径实现空间弯曲 布置线路，且可以9 0 。弯曲。 ( 2 ) 、可提高输送倾角物料被包在输送带罩增加了物料与输送带内表面之间的相 互摩擦，因而提高了带式输送机的倾角，一般可大于等于3 0 。，如果加隔板，倾角更 可达4 5 。乃至9 0 。，可缩短整机长度、降低成本。 2 1 2 课题主要研究内容 带式输送机综合试验系统是一个在实验室环境下，对相关带式输送机的多工况条件 下的特定项目进行测试，并对测试所得数据进行一系列处理的系统。该试验系统集软硬 件为一体，系统自集成测控系统，实现对试验过程的控制、完成对所需物理量的测量、 测量所得信号的采集与后处理，而整个测量采集的过程以及试验系统的试验运行过程都 能通过该测控系统采用软件的方式进行控制。 带式输送机综合试验系统的试验对象为： 不同带宽、不同槽角的通用带式输送机 不同管径的圆管带式输送机 带式输送机综合试验系统的试验项目为： 通用带式输送机在不同类型输送带、不同带宽、不同输送带的张力、不同托辊 组间距、不同带速、不同装载量和不同槽角组合下的模拟摩擦系数； 基于虚拟仪器技术的带式输送机综合试验系统设计 令圆管带式输送机不同种类输送带、不同带宽、不同输送带的张力、不同托辊组 间距、不同带速、不同填充系数和不同多边形托辊组组合下的模拟摩擦系数。 带式输送机的运行阻力主要由主要阻力、附加阻力、特种主要阻力、特种附加阻力 和提升阻力这五部分组成。这五部分的阻力之和即为传动滚筒所需要的圆周力。现在通 用的设计方法中都是通过圆周力来确定传动滚筒所需的功率，即为圆周力与带速的乘 积。因此，此五类阻力能否被准确地获得直接影响到输送机传动滚筒轴所需功率的确定 并进而制约到整个输送机的设计质量，尤其是主要阻力的计算。连续输送机械设计手册 确定的主要阻力的计算公式如下【5 】： 最= 【( g r + q b + g g ) 三1 + ( q b + q g ) l 2e o s s g f ( q b + q g ) l 2 9 s i n 6 ( 1 一1 ) 式中：上运取“+ ，下运取“一 ； 斤主要阻力，单位； 歙单位长度里托辊旋转部分质量，单位k g m ； 驰单位长度上输送带质量，单位k g m g g 单位长度输送带上物料的质量，单位k g m ； 三，输送机水平段长度，单位m ； 幻输送机倾斜段长度，单位m ； 6 输送机倾斜段倾斜角度，单位。； g 重力加速度，单位n k g ； 厂模拟摩擦系数。 式卜1 中右边各量除了模拟摩擦系数外都很容易被确定，因此，模拟摩擦系数厂 的取值是否真实很大程度上影响到主要阻力的计算结果。根据物体相互运动时的摩擦学 规律以及输送机械从业技术人员多年来的经验，模拟摩擦系数厂与下列因素有关： 输送带材料 托辊组类型 托辊组间距 输送带张力大小 输送带上物料的装载度或者填充系数 输送带运行速度 从带式输送机综合试验系统的试验对象和试验项目出发，遵循带式输送机模拟摩擦 系数本身的制约因素以及该试验系统的其它方面的要求，本课题主要的研究内容有： 1 设计带式输送机综合试验系统的测试方案带式输送机综合试验系统的测试 4 第一章绪论 方案必须要涵盖本试验系统所有的试验对象和试验项目。由于本试验系统具有综合性， 测试方案的设计要考虑体现影响模拟摩擦系数的因素诸如输送带材料、托辊组的组合类 型及间距、输送带张力和速度、输送带上物料的装载度能够进行人为的变化，以实现多 条件综合下的模拟摩擦系数的测试。此外，测试方案在可行的前提下应该力求使带式输 送机综合试验系统的成本、效率、操作过程、自动化程度、先进性等方便达到更优。 2 基于设计好的测试方案构建带式输送机综合试验系统的硬件平台硬件是整 个试验系统的基础，试验系统能否顺利可靠地运行完全依赖硬件的选择与平台的构建是 否正确合理。试验系统硬件平台的构建是基于确定后的系统的试验方案来展开的，试验 系统的机械机构方面主要包括：确定系统的动力装置及其控制方式和设备，选择合适的 运动传动机构、执行机构及相应的辅助机构等；试验系统的测控硬件部分主要包括：各 种传感器的选型，传感器所采集信号进行调理的方式和设备，数据采集卡的选择，供电 系统( 包括高压动力电和传感器的低压驱动电源) 以及相应的保护开关，信号传输线等。 这些部分硬件的性能直接制约着试验系统测试结果的精确程度，选择过程中务必做到信 息资料丰富详细、相关的计算方式科学严谨、计算结果准确可靠。 3 为带式输送机综合试验系统的测控系统建立测控软件测控软件是带式输送 机综合试验系统的核心部分，其功能是体现整个试验系统先进性、自动化程度的主要指 标之一。紧跟现代测控技术的发展趋势，选择合适的软件平台开发本试验系统的测控软 件，通过软件的方式来控制整个系统测试工作的运行，完成对试验过程所采集物理量的 实时采集，进而进行显示、记录、运算、存储、打印等一系列操作。最终建立的测控软 件应该使整个试验系统具有良好的人机交互性，自动化、虚拟化程度高。 1 。3 课题研究的目的及意义 现代带式输送机作为一种重要的物流设备已经为生产部门服务很长时问了，但随着 相关科学技术的不断发展以及我国生产方式改型步伐的加快，各生产部门对输送机的要 求( 如更大输送量、更长输送距离、更强地形适应性、高自动化程度、低能耗、良好的 运行特性以及环保方面等) 越来越具体。为了满足此类要求，设计者需要改进现有设计 方法、优化现有设计参数、改良现有输送设备，或者丌发新型输送设备，而这都需要大 量的相关试验系统的参与。带式输送机综合试验系统就是这样的一类试验系统，目的在 于为带式输送机的设计人员提供针对多种具体工况下更加完善的模拟摩擦系数厂的参数 值，并能为减小带式输送机模拟摩擦系数的理论研究提供试验验证。 现有比较通行的带式输送机设计手册上提供有模拟摩擦系数查询表，见表1 1 、1 2 所示 3 1 f 4 。 5 基于虚拟仪器技术的带式输送机综合试验系统设计 表1 1 通用带式输送机模拟摩擦系数， t a b 1 1b e l tc o n v e y o r s s t i m u l a n tc o e f f i c i e n to ff r i c t i o n f 安装情况 j ：作条件 一 作环境良好，安装良好，带速低， 0 0 2 0 物料内摩擦系数小 按标准没计、制造、调整好，物料内 水平、向上倾斜及向。卜倾斜且电摩擦系数中等 0 0 2 2 机处于驱动工况 多尘，低温，过载，高速，安装不良， 托辊质量差，物料内摩擦系数大 0 0 2 3 0 0 3 超低温，过载，安装差，托辊质量差， 物料内摩擦系数大 0 0 3 0 0 3 5 向下倾斜，电机处于发电一i 一况设计、制造、安装正常 0 0 12 0 0 1 6 表1 2 圆管带式输送机模拟摩擦系数， t a b 1 2p i p ec o n v e y o r s s t i m u l a n tc o e f f i c i e n to ff r i c t i o n f 安装情况：亡作条件 j 二作环境良好，制造质量好，物料内 摩擦系数小 0 0 3 0 0 0 3 5 水平、向上倾斜及向下倾斜且电 按标准设计、制造、调整好，物料内 机处于驱动工况 摩擦系数中等 0 0 3 5 0 0 4 5 多尘，低温，过载，制造安装质量差， 物料内摩擦系数人 0 0 4 5 0 0 5 5 向下倾斜，电机处丁发电jj ：况设计、制造、安装止常 0 0 2 0 0 0 2 5 从表1 1 、1 2 中可以看出，这两类带式输送机的模拟摩擦系数的选择是根据安装情 况、工作条件来确定取值或者是取值范围的。但就模拟摩擦系数取值的参考项目安 装情况、工作条件的具体内容而言，其并没有详细、有效地体现出模拟摩擦系数的影响 因素，因此通过这种方式从表1 1 、1 2 中选取的模拟摩擦系数的值当然是难以有效地反 映具体的带式输送机设计中真实情况的。并且这两个表中除了两处外其余的都是给出的 取值范围，在这一范围内进一步确定模拟摩擦系数的值时更多地是仰仗设计人员经验和 生产厂家相关数据的积累，但输送机作为一类重型非标机械，大多情况下是设计台生 产一台，难以碰不到一模一样的。总之，基于表1 1 、1 2 来选择的模拟摩擦系数是难免 存在误差的，这也是为什么连续输送机械设计手册的制定者在给出这些表时不忘在表名 后标明“推荐值”。在短距离带式输送机的设计中，模拟摩擦系数的这种误差或许对设 计结果影响不大，当在中长距离的设计中( 而长距离、大输送量正是输送机发展方向) ， 即式1 1 中( l i + l 2 ) 的值很大时，会有效放大这种误差，对圆周力的计算结果产生不 容忽视的影响，进而影响到传动滚筒功率等等，最终会在整个设计工作中产生不利的连 锁反应。 6 第一章绪论 鉴于此，研究和开发带式输送机综合试验系统最主要的意义就是为带式输送机的设 计提供针对具体工况的模拟摩擦系数进行测试的服务。j 个高度贴近真实情况的复杂而 重要的参数值的获得，势必提高产品的设计品质。大部分机械设计中，在不能确定设计 参数值的情况下往往选择取大一些，随之也就增大了生产成本。因此本试验系统提供的 这一服务即能提高设计品质又具有良好的经济性。 另外，在针对模拟摩擦系数的影响因素的研究中，带式输送机综合试验系统将会成 为非常有效的测试、分析工具，具有重要的学术价值。并且，该试验系统是国内第一台 专门针对通用带式输送机和圆管带式输送机在多工况下的模拟摩擦系数进行测试的设 备，社会价值突出。 1 4 国内外水平和现状 自从现代意义的带式输送机的出现并应用于生产之后，针对带式输送机各方面的理 论研究也随之开启了其漫长的发展道路。得益于上世纪下半叶以来在测试技术和测试设 备领域所取得的丰硕成果，针对带式输送机的试验研究有了飞速的发展，产生了许多意 义重大的成果，从另一方面极大地丰富了输送机的研究。 在本课题所研究的带式输送机运行阻力方面，仍然以欧美和日本的技术代表着此领 域的最高水平。这些国家在输送机械方面的主要研究机构和生产厂家都拥有丰富的试验 技术、试验设备、试验经验和试验数据，基于技术专利和商业价值方面的原因，很难在 公开的信息平台上找到这些方面过多的信息。但国外部分学者学术研究的公开发表在一 定程度上展露了这方面的发展过程和方向。波兰西罩西皿工业大学的j e r z ya n t o n i a k 教 授利用现场测试的方式对矿用带式输送机的运行阻力进行过测试和分析，并利用所测的 相关数据换算出了运行阻力系数( 与本文中的模拟摩擦系数是相对应的) 【6 】。其采用的 测试系统由两部分组成，一部分是安装在现场的测量设备，主要由各类传感器和数据记 录存储设备组成，完成现场相关数据的测试和记录；另一部分为实验室环境下的用于处 理测量所得数据的系统。源自现场的测试，因而所得数据的可靠性高，最能反映真实工 况下的运行阻力情况。但此方法不足之处在于现场测量设备的安装困难，部分测量设备 的安装还需对输送机的相关部位作些必要的改造。此外，现场恶劣环境产生的干扰复杂 且难以进行一系列带式输送机运行阻力的测试研究。奥地利的维也纳理工大学工程设计 与物流工程学院的a p i r k o 和k h o f f m a n 在增强带式输送机试验台抗扭方面进行过研 究，并将c a n 总线技术应用到这类试验系统的测控数据的传输与控制上【7 j 。当今，总 线技术已相当成熟，面向不同规模的应用都有多种相应产品。针对带式输送机的试验系 统随着测控项目的增多、实时多目的地数据传输量的加大，在系统中采用总线技术是必 7 基十虚拟仪器技术的带式输送机综合试验系统设计 然的趋势。 国内针对带式输送机运行阻力方面的试验研究早已开展，相关方面的学术研究与论 文发表也比较多，但整体水平不高，且研究对象几乎都是通用带式输送机。已有的研究 中，对带式输送机的输送带在运行段所受的运行阻力的测试大多采用测量滚筒轴受力然 后通过数学公式换算的方法获得8 1 1 9 1 1 0 1 ，测试原理见图1 2 。 3 1 滚溉2 胶带i 3 压力滚能4 一称重传感器 图1 2 运行阻力的一种测量方法 f i g 1 2aw a yt om e a s u r et h er e s i s t a n c e st ot h eb e l t sm o t i o n 该方法是通过采用称重传感器4 测量压力滚筒3 的中心固定轴所受的压力进而通过 几何关系换算出图示中运行阻力f 。采用此法，被测试部位的输送带都必须经过滚筒被 展丌成平带，所以最终的测试数据包含的影响因素就必然地增加了输送带展开过程和滚 筒与输送带问摩擦的影响。此方案下的试验台必须包含输送带的成槽和展平段，故长度 方向上占用的空间必然很大。鉴于试验台的长度大，如果进行实物加载，所需的物料非 常多，且还需相应的加料、卸料站，更增加了试验台的长度，所以运行阻力的众多试验 研究中大多采用的是模拟加载方式，即用加载架加载【8 1 1 9 1 。对单个托辊的运行阻力进行 测量的研究己很成熟了，大部分托辊生产厂家都配有托辊运行阻力测试试验台，其试验 原理比较简单，但非常可靠且整体试验系统都很完善1 1 1 】【1 2 】1 1 3 ”4 】。此外在提高试验系统 自动化的程度以及增强试验数据采集与处理的能力方面，国内也有了大量的研究并取得 了相应的成果，如试验台采用先进的p l c 与变频调速控制系统，利用计算机、单片机 完成试验过程的控制与试验数据的采集与后处理等等【1 0 】【1 1 1 【1 2 1 【1 3 1 【1 4 】【1 5 】。 8 第二章带式输送机综合试验系统 第二章带式输送机综合试验系统 带式输送机综合试验系统是一个在实验室环境下，对相关带式输送机的多工况条件 下的特定项目进行测试，并对测试所得数据进行一系列处理的系统。该试验系统集软硬 件为一体，系统自集成测控系统，完成对所需物理量的测量、测试量的采集以及相应的 后处理，而整个测量采集的过程以及试验系统本身的运动机构的运行操作都能通过该测 控系统采用软件的方式进行控制。 2 1 输送带与托辊间的运动分析 2 1 1 运行阻力的分类及其比例情况 要设计这样一个带式输送机综合试验系统，能完成多工况下运行阻力的测量并换 算出相关的模拟摩擦系数，应该先了解运行阻力产生的机理。前面已提及，带式输送机 在运行过程中的运行阻力包括：主要阻力、附加阻力、特种主要阻力、特种附加阻力和 提升阻力五部分。涉及到模拟摩擦系数的那部分阻力只是运行阻力的主要阻力部分，故 在后面文章中无特殊说明时运行阻力只是指主要阻力部分。主要阻力包括压陷滚动阻 力、散装物料的挤搓阻力、输送带的弯曲阻力、托辊旋转部分的旋转阻力。图2 1 展示 的是一个1 5 砌长的通用带式输送机各部分阻力占总的运行阻力的比例情况【6 】。 1 6 1 1 、压陷滚动阻力；2 、敌装物料的挤搓阻力；3 、输送带的弯曲阻力； 4 、托辊旋转部分的旋转阻力；5 、故要阻力；6 附加阻力 图2 1 总的运行阻力的各部分所占比例饼状图 f i g 2 1t h er e s i s t a n c e st ot h eb e l t sm o t i o nc o n s u m p t i o np r o f i l e s 9 基于虚拟仪器技术的带式输送机综合试验系统设计 由于各个国家对总的运行阻力进行细分的方式不尽一致，图2 1 中l 4 为主要阻 力的各部分，而5 、6 两部分的总体则对应的为附加阻力、特种主要阻力、特种附加阻 力，由于是水平输送故无提升阻力。从图2 1 中数据可知，主要阻力占总的运行阻力高 达8 1 ，主要阻力的7 5 3 为压陷阻力。并且，随着输送距离的加大，这两个比例将呈 增长的趋势，这主要是因为各阻力中压陷阻力随输送距离的增大其增长率最大。主要阻 力的产生基本上是基于摩擦。从其各部分所占比例出发，很明显应该先从分析压陷滚动 阻力的摩擦机理着手。 2 1 2 压陷滚动阻力的摩擦机理分析 压陷滚动阻力是由输送带与托辊间的相对运动即摩擦产生的。托辊辊体表面为橡胶 材料，而输送带为橡胶、尼龙等复合材料，不过它们相对运动时接触面材料类型主要是 聚合物，所以输送带与托辊间的摩擦机理应从粘弹性材料的摩擦特性出发。聚合物的摩 擦主要来自粘着、变形和弹性粘滞1 7 1 。聚合物接触界面的相互作用力主要是范德华力。 聚合物产生粘着的主要原因是： 1 聚合物比其它较硬材料更容易变形，如橡胶很容易产生大面积的紧密接触，虽 然它们本身在界面上的作用力比较弱，但由于它们属于高弹性体，接触点变形 大却不容易断裂，所以会产生较大的粘着力。 2 聚合物的分子链在界面上相互扩散，形成与范德华力完全不同价键，导致界面 的粘着力增大。 3 对于异类材料，电荷问隔产生明显的静电分量。 基于聚合物材料的这些摩擦特性，产生压陷滚动阻力的摩擦机理是不能用常规的、 简单的滚动摩擦模型来分析其摩擦系数的，这也是为了区别常规的滚动阻力而在其名称 中加入“压陷 这两个字是不无关系的。 滑动摩擦机理 摩擦是一个能量耗散过程，因此理想的摩擦学理论不应单是机械作用还应当包含能 量耗散机制。粘弹性材料间相互滑动时多种变形都将引起的剪切粘着点以及弹性滞后损 失等都将消耗一定的能量。假设滑动时的粘着和变形相互独立且它们的效应可以叠加， 则总摩擦力只等于剪切粘着点所需力兄与产生变形所需力乃之和，可有如下表达式【1 8 】： e=c+乃(-2-1) 其实粘着理论和变形理论是有明显的区别的，这两种情况下都有局部变形，而且摩 擦力的大小还受到接触表面的物理化学性质、载荷、相对滑动速度、温度等因素的影响， 所以粘着和变形之间可能存在着连续的相互影响。但对于聚合物而言，其变形摩擦系数 l o 是整个滑动摩擦系数的重要 但仍可视之为一个很有效的 式为： t = f ，七 d 式中石为滑动摩擦系数 不同类、不同种材料的粘着摩擦机理是不同的，其摩擦系数显然也是不同的。此章 所要分析的粘着摩擦系数应按橡胶的粘着模型来计算。基于能量耗散机制的橡胶粘着模 型是这样描述弹性橡胶体在表面上滑行的，假定粘着发生在接触面的某点单元上，滑移 下此接触点的粘着能维持一段时间，此间橡胶体产生一个微元位移，而滑移将使橡胶体 中产生弹性应力，单元存储一定的弹性能。继续的滑移会使这个弹性力大于接触点的粘 着力，此点单元上的粘着就被破坏，引起此单元的松弛。接着粘着又在新的接触点单元 上产生，如此继续下去。这个模型的粘着摩擦系数表达式为【l 9 】： 以= 号( 争舯万 式中：彳，一实际接触面积 肜一载荷 r 干摩擦的抗剪强度平均值 砌刀卜弹性体的正切模量或阻尼系数。 关于形变摩擦机理，金属摩擦副的能量耗散机理主要是塑性变形。而对于粘弹性材 料，变形包括了微凸体压入接触表面之后的材料滞后恢复而引起的能量损失，即通常称 作为的滞后摩擦。橡胶等高聚物不是理想的弹性材料，在微凸体的变形和松弛过程中有 能量损失，被称为滞后损失，能量损失量与输入能量和特定温度、压力下的高聚物特性 及变形速率等因素有关。在不考虑粘着作用的情况下，h e g m o n 根据m a x w e l l 的粘弹性 模型2 0 1 ，提出了聚合物摩擦的松弛理论，指出此种情况下的变形摩擦系数后可以用摩 擦滞后变形分量磊表示，即【2 1 】： d 兀= 无= k 鲁t a n 8 ( 2 - 4 ) l 式中：锄与微凸体形状和接触长度有关的常数 p 广接触面上的名义应力 e 一存储模量。 所以，由式2 2 、2 3 、2 4 可得聚合物滑动摩擦配副中的滑动摩擦系数计算公式为： 基于虚拟仪器技术的带式输送机综合试验系统设计 ，= n 可d r ) l + 匕参】t a n 万 ( 2 5 ) 滚动摩擦机理 滚动过程中也发生能量消耗，它是接触表面的应力循环引起粘着损失和塑性损失或 弹性滞后损失所致。对于弹性接触的纯滚动，弹性滞后引发能量耗散。半径为r 的圆柱 体在平面上自由滚动( 矩形接触) 的纯滚动摩擦系数石为【2 2 】- f ：2 z a ( 2 6 ) j 删 式中：r 滞后损失系数 n 接触半宽。 对于半径为r 的球体在平面上的自由滚动( 椭圆形接触) ，则有： f ：3 a a ( 2 7 ) 1 6 r 通用带式输送机上输送带与托辊间相对运动时的接触面形式正如式2 - 6 所对应的， 而圆管带式输送机上输送带与托辊间的滚动接触面形式适合式2 7 所对应的。 带式输送机的输送带在托辊的支承下运动，从摩擦学的观点出发可以认为是托辊辊 体受牵引在输送带上作滚动。但这种形式下的滚动不能单纯地认为是自由滚动( 即纯滚 动) ，它是自由滚动和滑动的组合运动。那么，由式2 5 、2 - 6 、2 - 7 可得出输送带在托辊 上运动时的压陷滚动阻力的摩擦系数石为： 乃咆z + ，= k p 【三( 争。地争t a n 万- t 一瑟 ( 2 - 8 ) 或乃= k 三( 争吒拶p q 伽万+ 急 式中觑为整个摩擦中滑动摩擦所占的l l f 歹s j ，一般为1 0 左右【1 7 】。 的滑动摩擦系数远大于纯滚动摩擦系数，晰部分不能忽略。 ( 2 9 ) 由于同性质材料 事实上，在托辊组支承下的输送带运动时的滚动摩擦系数是不能用式2 - 8 、2 - 9 直 接计算的。另外，此两式右边各个量的获得也非易事。主要阻力的另外三个分量也是难 以建立计算公式来获得其值的，尤其是散装物料的挤搓阻力和托