1、引言
    在過去的30～40年中，帶式輸送機(jī)取得了很大的發(fā)展。而帶式輸送機(jī)隨著向長距離、高帶速、大功率方向發(fā)展，動(dòng)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(yùn)量、布置復(fù)雜的帶式輸送機(jī)，其動(dòng)力學(xué)特性更為復(fù)雜且重要，采用剛體，動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行分析，其精度已不能滿足實(shí)際工程的需要。因此，對于大型帶式輸送機(jī)，必須采用較為精確的動(dòng)力學(xué)分析方法。而動(dòng)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(dòng)態(tài)分析研究方面開展得比較早，動(dòng)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(jī)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(bǔ)這一差距，趕超世界的水平，要加大動(dòng)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(qiáng)大、實(shí)用的動(dòng)態(tài)分析軟件。所以，了解和掌握國內(nèi)外帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)分析軟件方面的進(jìn)展及研究動(dòng)態(tài)是非常必要的。
2、國內(nèi)外帶式輸送機(jī)動(dòng)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(jī)的研究從20世紀(jì)50年代開始，一些采礦業(yè)和運(yùn)輸業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家，如德國、美國、澳大利亞、波蘭等，都進(jìn)行過大量的理論分析與試驗(yàn)研究。
    20世紀(jì)，在帶式輸送機(jī)動(dòng)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(jì)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(jìn)行解析分析，提出了第一個(gè)帶式輸送機(jī)非穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)分析的計(jì)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(dòng)態(tài)特性。1984年3月，Harrison的博士論文“動(dòng)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(jī)啟、制動(dòng)時(shí)瞬時(shí)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(dòng)時(shí)的瞬時(shí)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(jī)設(shè)計(jì)”。
    近年來，在國際上也掀起輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)研究熱潮。根據(jù)最近的文獻(xiàn)資料，可以把研究內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方面：①膠帶材料特性的研究；②帶式輸送機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型分析，動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程的建立及其方程的解法；③驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究；④帶式輸送機(jī)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(dòng)態(tài)特性的測試與試驗(yàn)研究；⑦帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)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(jī)的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)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(jī)動(dòng)態(tài)分析方面的研究。尤其是進(jìn)入到90年代，很多研究機(jī)構(gòu)人員都投入到動(dòng)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(jī)械學(xué)院、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、西安礦業(yè)學(xué)院等。進(jìn)行的主要項(xiàng)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(jì)研究院等，對帶式輸送機(jī)在啟、制動(dòng)等非穩(wěn)定工況下的動(dòng)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(jī)的動(dòng)力學(xué)模型的研究；③上海交通大學(xué)、太原重型機(jī)械學(xué)院，對帶式輸送機(jī)膠帶的粘彈性及整機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程的研究；④遼寧工程技術(shù)大學(xué)，對帶式輸送機(jī)受料處的動(dòng)載荷的研究；⑤中國礦業(yè)大學(xué)，對恒張力自動(dòng)張緊系統(tǒng)的研究等。
3，帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，理論和研究范圍
    帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)即是將輸送帶按粘彈性體的力學(xué)性質(zhì)，綜合計(jì)入驅(qū)動(dòng)裝置的啟制動(dòng)特性、各運(yùn)動(dòng)體的質(zhì)量分布、線路各區(qū)段的坡度變化、各種運(yùn)行阻力、輸送帶的初始張力、帶式輸送機(jī)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(jī)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，求得輸送機(jī)在啟制動(dòng)過程中，輸送帶上的不同點(diǎn)隨時(shí)間的推移所發(fā)生的速度、加速度和張力的變化，預(yù)報(bào)傳統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的輸送機(jī)可能出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)和不安全之處，提出改進(jìn)和調(diào)整措施，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制參數(shù)。
    輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，主要反映在膠帶的縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、側(cè)向振動(dòng)、托輥及滾筒的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)、機(jī)架振動(dòng)、物料的沖擊振動(dòng)、基礎(chǔ)振動(dòng)等方面。定量的研究這些振動(dòng)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(jī)工作性能的，主要是與膠帶有直接聯(lián)系的振動(dòng)，即膠帶的縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和側(cè)向振動(dòng)。
    帶式輸送機(jī)動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、輸送帶的力學(xué)特性、各種裝置對起制動(dòng)特性的影響及對系統(tǒng)建立動(dòng)態(tài)模型等。
4、國內(nèi)外動(dòng)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(dòng)態(tài)分析研究方面已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先地位，他們分別開發(fā)研制了動(dòng)態(tài)分析軟件，并在大型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)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(gè)國家的工程師利用這個(gè)軟件設(shè)計(jì)包括大型的各種各樣的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，它是易于維護(hù)的世界上比較出色的軟件包。BELT-STATv7.O已經(jīng)達(dá)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(dòng)電機(jī)的功率核算；⑤驅(qū)動(dòng)電機(jī)起動(dòng)特性；⑥托輥規(guī)格及間隔；⑦滾筒和軸、軸承的設(shè)計(jì)；⑧垂直面上彎曲半徑和相應(yīng)的特殊托輥的間隔；⑨制動(dòng)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(jī)啟、制動(dòng)期間的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)特性。
    澳大利亞的帶式輸送機(jī)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(dòng)態(tài)分析模塊，包括如下功能：①可以進(jìn)行啟制動(dòng)過程的仿真；②可以進(jìn)行輸送帶彈性體動(dòng)力學(xué)計(jì)算；③可以輸出在啟制動(dòng)時(shí)輸送線上不同點(diǎn)、不同工況的帶速、動(dòng)張力及拉緊行程等詳細(xì)圖形等。
    HELIX delta-T軟件已經(jīng)在世界上超過25個(gè)國家，得到應(yīng)用10多年了，有數(shù)百臺實(shí)際的輸送裝置證明了它的價(jià)值，最新的HELIX delta-T 5版本給輸送機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)算具有極高的準(zhǔn)確性且使用方便，通過給出錯(cuò)誤信息來幫助設(shè)計(jì)者保持設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。新版本加強(qiáng)了動(dòng)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(dòng)、加減速及不同載荷等各種工況進(jìn)行動(dòng)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(jì)數(shù)據(jù)。還可以對水平彎曲段進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。
    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(jì)90年代開始，國內(nèi)有關(guān)帶式輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)分析也得到了廣泛的重視，有很多單位著手進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析方面的理論研究，并研制了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)仿真軟仵。
    東北大學(xué)的宋偉剛，在大型帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)過程的研究基礎(chǔ)上，完成了動(dòng)力學(xué)分析軟件的開發(fā)，2001年對該軟件進(jìn)行了進(jìn)一步的開發(fā)，建立了完整的動(dòng)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(shí)際中應(yīng)用。
    中煤國際工程設(shè)計(jì)研究總院的李玉謹(jǐn)從1999年開始，致力于研究動(dòng)力學(xué)分析方法。經(jīng)過幾年的研究、試驗(yàn)、對比分析、現(xiàn)場實(shí)踐，他提出了一套完整的、準(zhǔn)確的、適合不同帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方法。初步編寫了幾種工況的帶式輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)軟件�？梢詫�帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、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(jī)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了全面的分析，其中包括：啟動(dòng)過程中輸送帶的動(dòng)應(yīng)力、速度和加速度的變化特點(diǎn)；空載與滿載的啟動(dòng)和正常運(yùn)行狀態(tài)的比較；拉緊點(diǎn)位置對帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響；液力耦合器特性對帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響；單電機(jī)啟動(dòng)與雙電機(jī)啟動(dòng)的性能比較；兩種拉緊方式的動(dòng)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(jī)的啟動(dòng)過程進(jìn)行了研究，2002年根據(jù)帶式輸送機(jī)實(shí)際動(dòng)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(shí)際輸送機(jī)設(shè)備進(jìn)行數(shù)值仿真，并比較計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者動(dòng)態(tài)特性趨勢大致相同。該程序是由VB和MATLAB共同實(shí)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(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并在這一動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)軟件。該軟件以Visaul Basic語言與MATLAB軟件有機(jī)結(jié)合，操作簡單，智能化程度較高，可以求得帶式輸送機(jī)系統(tǒng)任意位置的動(dòng)態(tài)參數(shù)，并對動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)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(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)問題，開發(fā)了平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)動(dòng)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(yùn)行和包括多處平面轉(zhuǎn)彎段的大型帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過程進(jìn)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(jī)啟動(dòng)過程進(jìn)行仿真，計(jì)算出輸送機(jī)在啟動(dòng)情況下，任意時(shí)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(jī)啟動(dòng)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(jī)動(dòng)態(tài)分析軟件BDS，并借助BDS對一條上運(yùn)帶式輸送機(jī)的膠帶張力、帶速、重錘位移及張力波傳波速度等動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與國外商業(yè)軟件和理論公式進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示誤差在1.48%～7.96%之間。
    動(dòng)力學(xué)分析能估算包括在啟動(dòng)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(jī)，該方法是可靠性設(shè)計(jì)的重要部分，這已被工業(yè)界廣泛地采用。
5、動(dòng)態(tài)分析軟件的特點(diǎn)及作用
    對于通用的帶式輸送機(jī)動(dòng)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(jì)算模塊和后處理模塊。在前處理模塊中，主要描述設(shè)計(jì)所需的模型參數(shù)，對于帶式輸送機(jī)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(jì)算模塊是軟件的核心，大都圍繞著模塊化設(shè)計(jì)、節(jié)省存儲(chǔ)空間及提高計(jì)算效率方面進(jìn)行了研究。帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)分析軟件是由一個(gè)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(jìn)行分解，模塊之間相對獨(dú)立。使軟件系統(tǒng)易于擴(kuò)充、局部修改容易。后處理模塊，把計(jì)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(dòng)態(tài)分析軟件，可以對靜態(tài)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，為帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)提供合理的參數(shù)，如輸送帶的動(dòng)張力、動(dòng)位移等。其主要作用是：①給出輸送機(jī)各主要部件的受力狀況，應(yīng)用這些結(jié)果可進(jìn)一步對各零部件進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而使輸送機(jī)系統(tǒng)更具有經(jīng)濟(jì)合理性；②提供合理的驅(qū)動(dòng)裝置、啟制動(dòng)過程的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力的控制要求；③提供合理的驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置、制動(dòng)裝置的布置位置；④為輸送機(jī)的拉緊裝置提供設(shè)計(jì)參數(shù)，包括拉緊裝置的速度、行程，進(jìn)而可以設(shè)計(jì)拉緊裝置的驅(qū)動(dòng)功率；⑤檢驗(yàn)初步設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性，通過分析結(jié)果對初步設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。
6、結(jié)論
    綜觀帶式輸送機(jī)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(dòng)及輸送形式上，還有設(shè)計(jì)精度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面，已經(jīng)取得了很多的成果。隨著帶式輸送機(jī)向長距離、高帶速、大運(yùn)量的方向發(fā)展，研究動(dòng)態(tài)過程的動(dòng)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(dòng)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(yuǎn)沒有達(dá)到普及和使用的程度。所以，進(jìn)一步完善和鞏固帶式輸送機(jī)動(dòng)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)。
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