摘要：创新地将虚拟样机技术运用于带式输送机设计，提出用有限的离散带块单元来仿真连续输送带的设计方法；通过带式输送机系统简化、3D样机建模、样机装配、施加载荷约束等设计步骤，最终建立了基于虚拟设计软件ADAMS的简化带式输送机虚拟样机；并对样机进行了起动和正常运行的工况模拟，其运动学和动力学结果和实际工况相符。
关键词：带式输送机；虚拟样机；ADAMS；Solid Works
现阶段带式输送机的选型设计通常采用的是传统的静态设计方法，将输送带视作刚体并且在静力学基础上按静止或匀速运行状态对输送机系统进行受力分析和参数设计，将动张力以一定系数计入，用加大安全系数的方法提高设计可靠性，这不仅会使带式输送机的成本提高，还可能引起制动过程中较大的输送带动应力及运行过程中的不稳定性，从而导致输送带接头的失效及滚筒、托辊、轴承及其他部件的损坏。
近年来出现的带式输送机动态特性分析研究主要集中在以下几个方面：非稳定(起制动)工况下，胶带动张力产生的机理和传播过程；起制动装置特性对胶带动张力的大小及分布规律的影响；胶带横向振动的幅频特性以及与参数间的关系和进行无共振设计研究；胶带的侧向稳定性研究；纵、横、侧三者的相互影响。以上方面的研究都是独立进行的，很难对大型带式输送机设计提供系统而全面的帮助。
虚拟样机技术是计算机辅助工程的一个重要分支，它是人们开发新产品时，在概念设计阶段，通过学科理论和计算机语言，对设计阶段的产品进行虚拟性能测试，达到提高设计性能、降低设计成本、缩短产品开发周期的目的。
1．带式输送机虚拟样机的建立
本文的虚拟样机将基于ADAMS建立。
1．1系统建模的简化
带式输送机是一个非常复杂的系统，从整体看，传动滚筒、改向滚筒、机架、托辊相对于胶带而言，刚度相当大，其变形很小，可以认为是刚体；而作为主要传动和承载部件的胶带，性质比较复杂，要考虑其受力变形，本文中当作柔性体处理；对于传动装置，简化为刚性体，不考虑其变形，只是在输入驱动时，利用子函数的定义来补偿其影响，即按其综合启动曲线考虑；由于胶带在2个托辊之间有一定的垂度，为了简化建模，不考虑这个垂度，而是通过使用折算弹性模量来补偿这个垂度，也就是对输送带采用折算弹性模量，而不是带本身的弹性模量；将输送机的胶带断面简化为平面。简化后的带式输送机系统简图见图1。
1．2带式输送机的物理建模和装配
在三维造型软件Solid Works中完成滚筒、机架等基本部件的建模。胶带采取离散法建模，将带体分散成尺寸相同的若干个小带块，再按照几何关系进行装配，装配后系统图见图2。
图2系统装配图
1．3虚拟样机的建立
将Solid Works建立的三维模型转化成Para solid类型文件，导入ADAMS。因为此时导入的带块仍为刚体，需调用ADAMS/Auto Flex模块进行带块的柔性化，然后施加约束和载荷，完成带式输送机虚拟样机，见图3。
图3带式输送机系统视图
2．虚拟样机的仿真分析
为了模拟带式输送机的起动和正常运行的工况，把这个过程简化成以下ADAMS驱动函数Step(time，0，0，1，6)+Step(time，1，0，5，0)，其函数见图4。
图4驱动函数曲线
在[0，1]s时间内速度缓慢地增加，在1s末达到最大，此后滚筒匀速驱动，直到5s末。任意取相邻3块带块进行运动学、动力学分析。从图5中可以看出，样机起动后，带块速度逐渐增大，经过1s左右的加速趋于稳定。其速度曲线和驱动函数曲线相符合。在样机稳定运行时，带块质心速度有所波动，但变化幅度不大，真实地反映出稳定工况下输送带的振动。
图5带式输送机虚拟样机相邻带块质心合速度图
图6所示为带式输送机虚拟样机相邻带块质心的角动能，当带块与滚筒接触时就会产生角动能。第一个波动幅度相对小一些，这是因为处于启动阶段，速度没有达到最大值。以后的波动大致稳定在一定的范围内，这是运动中的振动所造成的，与现实情况基本吻合。
图6带式输送机虚拟样机相邻带块质心角动能
图7所示为带式输送机实体样机相邻带块质心动能。在0～1s内动能逐渐增大，最终在52N mm附近波动，直到5s末保持相对稳定。动能的波动是由带速的波动引起的。
见图8，样机运行后，当所选的带块运行至滚筒时，和滚筒表面发生接触产生接触力，即图中的2个波峰部分；当带块离开滚筒时，带块和滚筒表面不发生接触，接触力减为零，即图中曲线中部的水平线段；图中3条曲线存在一定相位差，表明相邻带块绕着滚筒周期性地运行，都和带式输送机运行工况相一致。
图7带式输送机虚拟样机相邻带块质心动能
图8带式输送机虚拟样机相邻带块质心接触合力图
3．结论
从以上分析可以看出，虚拟样机仿真的结果和带式输送机实际运行情况基本吻合，能够较好地反映出带式输送机运行时的运动和受力情况，证明了虚拟样机技术在带式输送机设计上进一步应用的可行性。但本文所研究的虚拟样机是对带式输送机进行简化之后建立的，与真正的带式输送机还有很大的差别，并且对于重要部件之一的输送带，笔者提出的带块离散、柔性化的方法，也是以胶带均匀和性质统一为理想前提的。带式输送机虚拟样机的设计研究还有待深化。
对带式输送机虚拟样机的研究，为改进传统带式输送机设计提供了一条新的途径，也为虚拟样机的工程应用提供了一个很好的实例，对其他机械系统的虚拟样机设计同样具有指导意义。
