1、引言
在過去的30～40年中，
帶式輸送機取得了很大的發展。而帶式輸送機隨著向長距離、高帶速、大功率方向發展，動態分析方法越來越受到研究人員的重視。由于長距離、大運量、布置復雜的帶式輸送機，其動力學特性更為復雜且重要，采用剛體，動力學方法進行分析，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分析方法。而動態分析非常復雜，且不易掌握，需要專門的分析軟件。國外在動態分析研究方面開展得比較早，動態分析理論與研制的軟件已基本能夠滿足當前帶式輸送機發展之需；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、實用的動態分析軟件。所以，了解和掌握國內外帶式輸送機動態分析軟件方面的進展及研究動態是非常必要的。
2、國內外帶式輸送機動態分析研究發展概況
2.1國外的研究發展概況
國外對帶式輸送機的研究從20世紀50年代開始，一些采礦業和運輸業比較發達的國家，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研究上，作為代表性的主要人物有：60年代前蘇聯的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，首先由前蘇聯的llaHKpa，rOB和lIMHTplieB，在簡化的力學模型上進行解析分析，提出了第一個帶式輸送機非穩定狀態運行期間動態分析的計算公式。70年代中期，德國漢諾威工業大學的Funke發表博士論文，主要研究了鋼繩芯帶的動態特性。1984年3月，Harrison的博士論文“動態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發表了第一篇關于質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發表了一篇文章“高帶速輸送機設計”。
近年來，在國際上也掀起輸送機動力學研究熱潮。根據最近的文獻資料，可以把研究內容主要集中在以下幾個方面：①膠帶材料特性的研究；②帶式輸送機回轉系統的動力學模型分析，動態運動方程的建立及其方程的解法；③驅動系統動態特性研究；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動態特性的測試與試驗研究；⑦帶式輸送機動態特性研究及動態設計的經濟性與可行性。
2.2國內的研究發展概況
在國內，由于缺乏大型帶式輸送機的設計和使用經驗，動態分析研究起步較晚。約從80年代初開始，陸續有對帶式輸送機動態分析方面的研究。尤其是進入到90年代，很多研究機構人員都投入到動態分析研究上。國內有關研究單位有東北大學、煤炭科學研究總院上海分院、中國礦業大學、上海交通大學、太原重型機械學院、遼寧工程技術大學、西安礦業學院等。進行的主要項目歸納起來有：①西安礦業學院、東北大學、煤炭科學研究總院上海分院、北京煤炭設計研究院等，對帶式輸送機在啟、制動等非穩定工況下的動態響應的研究；②東北大學、上海交通大學、山東礦業學院，對輸送帶和帶式輸送機的動力學模型的研究；③上海交通大學、太原重型機械學院，對帶式輸送機膠帶的粘彈性及整機運動的動態過程的研究；④遼寧工程技術大學，對帶式輸送機受料處的動載荷的研究；⑤中國礦業大學，對恒張力自動張緊系統的研究等。
3，帶式輸送機動態設計，理論和研究范圍
帶式輸送機動態設計即是將輸送帶按粘彈性體的力學性質，綜合計入驅動裝置的啟制動特性、各運動體的質量分布、線路各區段的坡度變化、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，建立輸送機動力學數學模型，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生的速度、加速度和張力的變化，預報傳統靜態設計方法設計的輸送機可能出現的動態危險和不安全之處，提出改進和調整措施，確定優化設計和控制參數。
輸送機的動態特性，主要反映在膠帶的縱向振動、橫向振動、側向振動、托輥及滾筒的旋轉振動、機架振動、物料的沖擊振動、基礎振動等方面。定量的研究這些振動及它們之間的關系非常困難，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系的振動，即膠帶的縱向振動、橫向振動和側向振動。
帶式輸送機動態過程所研究的范圍，涉及到所有部件和過渡工況下可能出現的各種問題，它包括：對過渡工況的動態響應分析、輸送帶的力學特性、各種裝置對起制動特性的影響及對系統建立動態模型等。
4、國內外動態分析軟件研制狀況
4.1國外研制狀況
目前，美國、法國、澳大利亞、意大利等國在動態分析研究方面已經達到國際領先地位，他們分別開發研制了動態分析軟件，并在大型帶式輸送機設計中發揮著重要的作用。
1967年，由美國CDI公司開發研制的BELT-STAT和BELTFLEX．經過近40年的研制與開發，目前已有20多個國家的工程師利用這個軟件設計包括大型的各種各樣的帶式輸送機系統，它是易于維護的世界上比較出色的軟件包。BELT-STATv7.O已經達到獲取以下的結果：①帶寬和速度；②帶張力的核算；③重錘拉緊；④驅動電機的功率核算；⑤驅動電機起動特性；⑥托輥規格及間隔；⑦滾筒和軸、軸承的設計；⑧垂直面上彎曲半徑和相應的特殊托輥的間隔；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特性。
澳大利亞的帶式輸送機軟件HELIX delta-T5，該軟件的技術研究與發展開始于1992年，現在世界上已有很多的delta-T用戶。新版本的delta-T5動態分析模塊，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軟件已經在世界上超過25個國家，得到應用10多年了，有數百臺實際的輸送裝置證明了它的價值，最新的HELIX delta-T 5版本給輸送機設計帶來更多的便利。
另外，美國的PRO-BELT5.o軟件也經歷了10多年的發展，已經在世界范圍內得到應用。它的設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計者保持設計數據的準確性。新版本加強了動態分析模塊，根據需要程序，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分析，給出相應的托輥載荷、輸送帶張力、滾筒軸的撓度等設計數據。還可以對水平彎曲段進行準確的動態設計。
除上述這些軟件以外，還有如：AC-Tek的“Sidewinder”軟件、Overland Conveyor Co公司開發的Dyanmic Analyst軟件、Creative Engineer-ing公司開發的WINBELT軟件等等，都是比較出色的軟件。
4.2國內研制狀況
從20世紀90年代開始，國內有關帶式輸送機動力學分析也得到了廣泛的重視，有很多單位著手進行了動態分析方面的理論研究，并研制了相應的動態仿真軟仵。
東北大學的宋偉剛，在大型帶式輸送機動態過程的研究基礎上，完成了動力學分析軟件的開發，2001年對該軟件進行了進一步的開發，建立了完整的動力學模型和穩定的數值分析方法。該軟件已經在工程實際中應用。
中煤國際工程設計研究總院的李玉謹從1999年開始，致力于研究動力學分析方法。經過幾年的研究、試驗、對比分析、現場實踐，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設計方法。初步編寫了幾種工況的帶式輸送機的動力學設計軟件。可以對帶式輸送機系統進行動力學設計、分析和研究。
中國礦業大學的侯友夫，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的比較；拉緊點位置對帶式輸送機動態特性的影響；液力耦合器特性對帶式輸送機動態特性的影響；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性能比較。它是采用VC++為開發平臺編制的。
太原理工大學的趙娜，主要對帶式輸送機的啟動過程進行了研究，2002年根據帶式輸送機實際動態特性，確定離散模型中的具體參數值及其算法，并由此編制了相應的程序。還對實際輸送機設備進行數值仿真，并比較計算機仿真結果與實測結果，發現兩者動態特性趨勢大致相同。該程序是由VB和MATLAB共同實現的。
2003年，遼寧工程技術大學的許丹，通過對現有帶式輸送機動態設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的動力學模型，并在這一動力學模型的基礎上，開發出了帶式輸送機動態設計軟件。該軟件以Visaul Basic語言與MATLAB軟件有機結合，操作簡單，智能化程度較高，可以求得帶式輸送機系統任意位置的動態參數，并對動態參數進行二維和二維圖形的顯示。
沈陽化工學院的王丹等人，針對大型平面轉彎帶式輸送機動態設計問題，開發了平面轉彎帶式輸送機動態分析軟件。該軟件在中文Windows環境下，使用Visual Basic 6．O開發，針對直線運行和包括多處平面轉彎段的大型帶式輸送機啟動過程進行了仿真。
淮海工學院的席平原等人，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定性和安全性。
上海交通大學的李光布，2003年發表了博士論文，在文中提到首次開發出基于非線性系統的帶式輸送機動態分析軟件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參數進行仿真，并將仿真結果與國外商業軟件和理論公式進行了比較，結果顯示誤差在1.48%～7.96%之間。
動力學分析能估算包括在啟動或停車過程中的有關結構、滾筒和輸送帶載荷。對于長距離大張力的輸送機，該方法是可靠性設計的重要部分，這已被工業界廣泛地采用。
5、動態分析軟件的特點及作用
對于通用的帶式輸送機動態分析軟件系統，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，主要描述設計所需的模型參數，對于帶式輸送機求解所涉及的已知參數很多，所以盡量方便用戶輸入數據。分析計算模塊是軟件的核心，大都圍繞著模塊化設計、節省存儲空間及提高計算效率方面進行了研究。帶式輸送機動態分析軟件是由一個大型的復雜程序所構成的，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。使軟件系統易于擴充、局部修改容易。后處理模塊，把計算的結果采用數據表形式、曲線曲面形式及頻譜圖方式展現出來。
采用動態分析軟件，可以對靜態設計的結果進行改進，為帶式輸送機設計提供合理的參數，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，應用這些結果可進一步對各零部件進行強度設計，從而使輸送機系統更具有經濟合理性；②提供合理的驅動裝置、啟制動過程的驅動力和制動力的控制要求；③提供合理的驅動裝置、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計參數，包括拉緊裝置的速度、行程，進而可以設計拉緊裝置的驅動功率；⑤檢驗初步設計結果的合理性，通過分析結果對初步設計進行改進。
6、結論
綜觀帶式輸送機發展歷史，可以肯定的是：無論從輸送距離、輸送速度、驅動及輸送形式上，還有設計精度、可靠性、經濟性等方面，已經取得了很多的成果。隨著帶式輸送機向長距離、高帶速、大運量的方向發展，研究動態過程的動力學分析方法越來越成為研究的主流，由此開發研制出的動態分析軟件也逐漸增多。但從目前國內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分析方法的理論，且研制相應的分析軟件，是目前非常急需而又重要的任務。
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