虚拟样机技术在矿用带式输送机上的应用研究

2014-11-20郭永存董祖伟

中国矿业 2014年8期

程刚，郭永存，2，胡坤，董祖伟

（1.安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001；2.安徽省矿山掘进与运输装备工程技术研究中心，安徽淮南232001；3.中国煤炭科工集团有限公司南京设计研究院，江苏南京210031）

随着我国高产高效矿井的投入使用，矿用带式输送机正朝高带速、长距离、大运量的方向发展，由于受到煤矿特殊工况的影响，传统的静态选型设计方法的局限性显然不能满足矿用带式输送机的实际需要，特别是在输送机关键零部件和驱动、拉紧系统的设计方面，更不能达到动态运行的要求[1]。另外，传统的设计方法在输送机产品前期也不能很好的进行性能预测，可视化程度较差且不能根据不同的运行环境模拟运动和分析动力学特性。若在矿用带式输送机的设计过程中引入虚拟样机技术，对于提高整机结构的优化程度、降低设计成本、预测整机运行性能都将具有重要的实际意义[2]。

1 虚拟样机技术

虚拟样机技术（virtual prototyping technology）是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，融合了先进建模方法和仿真技术[3]。与传统产品的设计方式相比，虚拟样机技术主要强调系统整机性能，强调多领域协同仿真设计。虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学、有限元分析和控制理论等，同时紧密结合了三维图形的可视化技术[4]。通过虚拟样机技术，可以避免产品设计缺陷，提前预测产品的运行性能，获得最佳的优化设计方案，并实现人机互动的可视化操作，进尔提高设计效率，降低研发成本。

2 虚拟样机技术应用现状

2.1 机械设计中的应用现状

当前，虚拟样机技术在国内外机械产品的设计过程中已经不可或缺，专业领域的应用空间也逐步扩大，主要体现在武器制造、航空航天、工程机械、汽车设计等方面。典型的案例是美国波音777飞机，以无纸化方式进行研发设计与制造，其设计、装配、性能分析均采用了虚拟样机技术，使研发时间从8年降至5年[5]；美国登陆火星的“好奇号”火星探测器，采用Siemens PLM Software软件进行虚拟仿真实验，模拟了起飞时的振动和冲击、高达3000℃的温差、1.54亿英里的飞行距离和火星重力的影响[6]。当前，虚拟样机技术已经通过功能强大的软件支持实现了商业化，比较成熟的CAD／CAE软件有：Catia、PRO／E、SolidWorks、MATLAB、NASTRAN、ANSYS、ADAMS、RecurDyn、AMESim、EDEM等等。

2.2 带式输送机虚拟样机的应用现状

带式输送机是最重要的散料运输设备，零部件较多，且其刚、柔体的结构特征又决定了整机系统的复杂性，传统的设计大都依赖于经验计算与静态选型计算，因而将虚拟样机技术引入到带式输送机设计过程中是非常有必要的，可以打破传统式经验设计方法，更加科学化地优化零部件参数和系统布置方案，便于实现经济化生产。当前，国外在带式输送机虚拟样机的研发做得较为成熟、虚拟仿真与计算分析平台基本上实现了专业化，功能强大，现以美国conveyor dynamic公司的BELTSTAT、overland conveyor公司的Belt Analyst软件和澳大利亚Helix delta－T软件为代表，它们尤其在长距离带式输送机动态设计方面给予用户最大的技术支持[7]。带式输送机的虚拟样机技术在国内也得到了应用，但出于技术壁垒和其他条件限制，仍没有得到深层次的开发与应用，大部分研究人员只注重单个零部件的分析或独立于单领域系统仿真计算。例如，对于驱动滚筒、机架等关键零部件的建模与有限元分析、拉紧系统的动态特性分析、软启、制动的控制计算仿真等。面向整机系统的运动学、动力学、有限元分析的多领域统一建模与联合仿真的设计案例较少，以子系统或单领域来建模与仿真计算结果并不能简单的线性叠加，因此结果有很大的局限性。国内针对带式输送机虚拟样机专业化仿真计算平台较少，通常是借助第三方软件来实现的。常见的方法主要有4种：①将带式输送机的系统抽象化，在建立物理模型与基本假设的基础上，对物理模型进行数学描述，利用离散单元法对系统进行数值仿真计算，以往采用C语言编程或数值计算软件MATLAB进行数学模型的搭建和计算，代表性的研究者如东北大学的宋伟刚教授等[8]、中国矿业大学的侯友夫教授等[9]，现流行使用多学科领域复杂系统建模仿真平台AMESim来进行仿真计算，AMESim的优势在于模型库非常丰富，免去了繁琐的数学建模过程，代表性的研究者如上海师范大学的曹椋炎教授[10]；②运用三维建模软件完成带式输送机实体模型建模，然后通过接口将模型导入到动力学分析软件ADAMS中，同时利用柔性模块ADAMS／FLEX完成对输送带的柔性体建模，实加约束，载荷，研究带式输送机运动学和动力学特性；③在建立带式输送机三维模型的基础上或直接使用动力学分析软件RecurDyn来建立带式输送机虚拟样机，机理上基本与ADAMS相同，但RecurDyn的优势在于它具有Belt模块，输送带的建模略为简单，省去带块建模过程，因而可以更加注重对输送机系统品质的研究，代表性的研究者如王鹏彧或教授[11]；④基于EDEM离散单元模型对带式输送机进行物料流颗粒数值模拟与仿真分析，代表性的研究者如延边大学的朴香兰教授[12]、东北大学的宋伟刚教授等[13]。

3 建立矿用带式输送机虚拟样机的技术方法

矿用带式输送机是由输送带、驱动系统、张紧系统、结构件、控制系统等组成的“机－电－液－控”复杂刚柔耦合机械系统，各部件之间，如滚筒和输送带、输送带和张紧装置之间的相互关系直接影响到带式输送机整体动力学特性，基础建模时应对样机合理定义，明确各部件组成、性质、约束以及对整机性能的影响，把握核心部件如输送带、滚筒、托辊、张紧装置、驱动装置等，忽略对整机动态性能影响较小的细节，从而对样机合理简化。对带式输送机系统中的施加物理约束和加载时，可采用以刚柔多体动力学分析方法，将各种物理约束在虚拟样机系统中进行正确施加，并通过多领域联合仿真技术协同计算输送机整机系统的关于机械、液压、运动学、动力学、控制等不同领域的性能。各领域之间采用接口的方式传递有关数据，并尽可能实现软件之间的无缝连结。矿用带式输送机虚拟样机设计框架，如图1所示。

图1 矿用带式输送机虚拟样机设计框架

4 矿用带式输送机虚拟样机的关键技术难点

理论上，矿用带式输送机虚拟样机的建立是可行的，但在现有的技术条件下，仍存在一些问题尚未很好解决，主要有3个关键性问题。

关键问题一：输送带的建模。输送带是带式输送机的关键部件，其特性直接影响着整机的运行质量。输送带本身的物理特性较为复杂，应力－应变关系为非线性关系，具有蠕变特性、松弛特性、滞后特性和动态特性等，是一种典型的黏弹性体[14]。准确处理输送的建模是十分棘手的，目前大都采用的是离散单元法，以离散模型替代连续模型，将输送带分成有限个刚体单元。采用柔性特征的弹簧阻尼单元使刚体单元之间相互连接。理论上，离散性可以很好替代连续性计算，然而在实际操作中，如采用ADAMS或RecurDyn软件来处理输送带三维模型时，长距离的输送带是不易处理的，原因在于计算在有限元划分时，巨大的单元数目和连接约束对计算机硬件是很大的技术挑战。在笔者看来，运用ADAMS或RecurDyn软件做仿真计算时，处理短距离输送机优势比较明显，对于处理长距离带式输送机弊端是比较多的，矛盾恰恰又在于长距离的带式输送机更需要动态特性分析与仿真计算。运用AMESim软件可以解决离散单元的计算问题，鉴于图标驱动，求解效率高，但缺点是可视化程度较低，且为一维纵向运动求解。但就现阶段来讲，利用AMESim对带式输送机进行多领域统一建模与仿真不失为一种很好的求解手段。

关键问题二：物料流均匀与非均匀负载模拟。即便认为输送带离散单元的处理方式合理，认可忽略输送带的横向和侧向运动的一维纵向模型，那么物料流的负载问题也是难点。常规的作法是视作输送带所承载的物料均匀化，将物料质量等效在输送带的离散单元质量上，但这种等质量的划分与煤矿环境下实际运行的带式输送机是不符的。由于大量自然的、采矿技术和工艺组织等因素，煤或岩石的崩落、装载和运输过程复杂的随机相关性，物料流可能随时间和空间在较为宽广的范围内变动[15]。物料流三维模型的加载仿真几乎是无从为力的，一维模型的数值模拟，非均匀化物料的加载也困难重重，最多只能在机头、机尾、装料点、卸料点等动应力变化的敏感地方采用不等质量单元划分[16]，这些对于处理非均匀物料流的负载问题仍远远不够。作者认为，处理物料流负载问题，首先应该就物料流的均匀与非均匀化进行区别判别，找到类似于判别流体层流与湍流两种形态的诺雷数，即物料流均匀与非均匀判别因子，以此缩小物料流负载的研究范围，尔后研究均匀与非均匀两类物料流负载模型复合到输送机离散单元的模型当中的求解算法。

关键问题三：刚－柔性体之间的耦合问题。带式输送机除输送带外，绝大部分零部件均可认为是刚性体。建立带式输送机的虚拟样机不可避免面对驱动装置—输送带相互作用、张紧装置—输送带相互作用及负载—输送带相互作用，而这些都涉及到刚－柔性体之间的耦合问题。耦合中所包含的库仑摩擦、接触碰撞机理和接触边界的约束定义等是非常难处理的，多体接触动力学模型的搭建和参数选择的方式、参数定义值都会影响最终的计算机求解结果。大变形柔性体输送带与刚性体之间的接触定义，基于Hertz接触理论和非线性动力学理论为基础的求解方式，在考虑摩擦特性时，接触分析的收敛性时常是不稳定的。非线性弹簧阻尼接触力计算模型[17]如图2所示，其中K为接触刚度系数，C为阻尼系数，δ为穿透深度，f为接触力大小。针对带式输送机这类特殊的刚－柔耦合特征结构，其中很多参数设定都需要结合实验综合研究分析的，但目前这一方面的研究成果并不多见。

图2 非线性弹簧阻尼接触力计算模型

5 结语

矿用带式输送机一直朝着高带速、重载、大运量的方向发展，关键零部件的优化和系统的动态特性计算直接影响着整机运行性能和资本投入。随着虚拟样机技术的快速发展，将虚拟样机技引入到带式输送机的设计中将具有很重要的实际意义。国内对于矿用带式输送机的虚拟样机工作处于起步阶段，大多集中在三维模型的构建（包括二次开发形成零部件库）、装配、静力学有限元分析及部分系统装置的动力学分析，系统化的三维多领域专业仿真平台的研究成果较少。鉴于此，相关科研院所、机构若能把握住契机，合理地将虚拟样机技术推广应用到矿用带式输送机或其他煤矿装备的设计中，将有助于提高我国煤矿机械装备的研发水平。

[1]Huque S T，McLean A G..Belt conveyor transfers－A brief review[J].Bulk Solids Handling，2002，22（3）：196－203.

[2]Kun Hu，Yong－Cun Guo，Peng－yu Wang.Simulation Methods for Conveyor Belt Based on Virtual Prototyping [C].2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering.2010.6.26－28，p2332－2334，Wuhan，2010.

[3]殷国富，刁燕，蔡长韬.机械CAD／CAM技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2012.

[4]王凯湛，马瑞峻.虚拟现实技术在机械设计上的应用[J].系统仿真学报，2006，8（zk）：500－503.

[5]李丹，李印川.虚拟现实技术在制造业中的应用及研究现状[J].机械，2008，35（6）：1－4.

[6]智造网“美国国家航空航天局如何克服重重困难使“好奇号”火星探测器成功登陆火星？” [EB／OL].http：／／www.idnovo.com.cn／special／2012／0911／article＿1262.html.

[7]朴香兰，王国强，岳彦烔.带式输送机动态分析及软件进展研究[J].中国矿业，2007，16（7）：64－67.

[8]宋伟刚，王丹.7.6km长距离带式输送机系统动力学的计算机仿真[J].煤炭学报，2004，29（2）：249－253.

[9]侯友夫，刘肖健，张永忠.矿用钢绳芯带式输送机动态特性仿真研究[J].煤炭科学技术，2000，28（1）：32－36.

[10]曹椋焱.基于AMESim的带式输送机仿真软件的研究与开发[D].上海：上海师范大学，2009.

[11]王鹏彧，郭永存，胡坤.带式输送机虚拟样机启动工况的研究[J].矿山机械，2010，38（9）：65－68.

[12]朴香兰.长距离平面转变带式输送机关键设计技术研究[D].长春：吉林大学，2010.

[13]宋伟刚，王天夫.散状物料转载系统设计DEM仿真方法的研究[J].工程设计学报，2011，18（6）：428－436.

[14]李光布.带式输送机动力学及设计[M].北京：机械工业出版社，1998.