CN105203311A - 一种滚筒优化静力学实验测试方法 - Google Patents

一种滚筒优化静力学实验测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种滚筒优化静力学实验测试方法。本发明的方法是首先要根据相似理论计算出模型滚筒的结构参数与力参数，包括提取滚筒原型结构与力参数，相似理论计算；然后进行相似模型制作，包括相似模型制作，相似模型分类；最后对模型滚筒进行静力学实验测试，包括机械静力加载，应变片数据信息采集与处理，实验结果分析。这种方法根据对模型滚筒的实验测试获取数据，通过本发明上述步骤，可以建立滚筒结构参数优化的数据库，可以利用数据库指导设计滚筒结构，达到深度优化滚筒结构参数的目的。

Description

一种滚筒优化静力学实验测试方法
技术领域
本发明公开了一种滚筒优化静力学实验测试方法，用于带式输送机滚筒结构改进设计和分析方法，涉及相似理论，模型实验领域。
背景技术
带式输送机作为现代散装物料的主要输送机械设备，广泛地应用于矿山冶金、港口码头、轻工业、电力建材、化工业及粮食运输等诸多的行业领域。随着工作距离、物料负荷、运输效率等多元化功能要求的增多，带式输送机朝着长距离、大运量、大带宽、大型化方向发展。滚筒作为带式输送机设备的关键部件，设计质量会严重影响带式输送机的正常工作，改进滚筒结构设计和分析方法对于提高运输效率、运输能力、使用质量和降低成本具有重要的实际意义。
滚筒的常规结构设计采用的是许用应力法、类比法和经验公式法，无法深入分析滚筒内部结构的相互影响规律，使用安全性和承载可靠性无法得到有效保证。一旦出现超出现有设计资料的特殊问题时，通常采用的是增大结构尺寸以提高安全系数的方法，相应的会增加成本。
有限元分析方法是评估分析产品性能与质量优劣的一种简便、有效的手段，有限元法能够对滚筒的各关键部位进行详细地应力应变分析，预测结构设计阶段的可靠性，实现滚筒结构参数的最优化设计。但是，为了模拟分析的需求，有限元静力学分析时简化忽略了一些结构细节和约束条件，导致分析结果与实际运行情况存在一定偏差，且结构参数的优化程度有限。
实验是科学研究的基本方法之一，结构模型实验是结构分析的重要手段。利用滚筒模型实验方法，能解决实验条件限制等问题。同时，对模型滚筒结构作静力实验能模拟实际工况时的承载情况，获取关键部位的应力应变数据，改进滚筒设计手段，深度优化滚筒结构参数，提高滚筒结构强度和刚度，降低投入成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种滚筒优化静力学实验测试方法，解决了现有设计优化方法对结构参数优化程度有限或缺乏滚筒实验数据支撑的问题。
为了达到上述目的，本发明的构思是：首先提取出滚筒原始结构参数与力参数，根据相似理论计算出模型滚筒的结构参数与力参数，然后进行相似模型制作和分类，最后对模型滚筒进行静力学实验测试，利用实验测试获取的数据建立滚筒参数优化的数据库，利用数据库指导设计滚筒结构，达到深度优化滚筒结构参数的目的。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种滚筒优化静力学实验测试方法，其特征在于操作步骤如下：
1）提取滚筒原型结构与力参数：对滚筒原始数据进行分析，提取滚筒原型的结构参数与力参数；
2）相似理论计算：将获得的滚筒原型结构参数和力参数，利用相似理论进行相似化处理以获得模型滚筒的结构参数与力参数；
3）相似模型制作：利用模型滚筒的结构参数设计制造模型滚筒，合理布置应变片位置；
4）相似模型分类：对于加工完成的模型滚筒，按照带宽、荷载类型进行分类；
5）机械静力加载：根据不同工况的模型力以静力方式加载至模型滚筒，对不同类型的模型滚筒沿轴向方向施加均匀的线力；
6）应变片数据信息采集与处理：通过采集不同位置应变片的微量数据，经过信号调理，利用数据采集卡将数据传输至终端设备，对各组数据进行处理分析，获得各关键部位的应力应变情况；
7）实验结果分析：根据单参变化规则对一系列的实验数据进行统计处理，分析比较实验结果，获取各关键结构参数的最优值；
8）制作结构参数优化的数据库：根据测试实验结果，利用相似理论获取不同类型滚筒原型的结构参数，制作结构参数优化的数据库；
9）设计深度优化的滚筒结构：利用结构参数优化的数据库指导设计新的滚筒结构，达到结构参数深度优化的目标。
所述步骤2）中相似理论计算，所采用的计算方法如下：列出相似模型设计所需的单值条件；确定基本物理量种类和基本量纲个数；确定基础物理量和函数物理量，建立相似准则；由相似常数Cx所组成的相似指数C=1设计滚筒相似模型，其中Cx表示模型与原型对应物理量比值；求各物理量的相似常数Cx。
所述步骤3）中相似模型制作，所采用的制作方法如下：在模型滚筒制作时沿筒壳内外圆周表面和辐板内外侧端面进行应变片布置，具体布置方式按如下步骤进行：沿筒壳内外圆周表面布置应变片时以30°间隔均布，沿筒壳轴向方向从筒壳中部位置以设定距离向外侧均布，参考基距为50mm；沿辐板内外侧端面布置应变片时以30°间隔均布，沿滚筒径向方向从滚筒轴极心位置以设定距离向外呈辐射状均布，参考基距为30mm。
所述步骤4）中相似模型分类，所采用的分类方法如下：根据带宽对模型滚筒进行一系列归类，对不同系列模型滚筒进行标号Lmn，其中L表示滚筒，下标m和下标n分别表示滚筒不同系列带宽和每一系列带宽的模型滚筒，m=1,…,m，n=1,…,n。对于某系列带宽m确定的模型滚筒Lmn，n的确定按照两大类进行分类，具体分类方法如下进行：根据模型滚筒承受荷载类型分为驱动模型滚筒和改向模型滚筒，驱动模型滚筒的下标n=1,…,n1，改向模型滚筒的下标n=n1,…,n。
所述步骤5）中机械静力加载，所采用的加载方法如下：根据模型滚筒荷载类型分类方法，对驱动模型滚筒和改向模型滚筒分别进行静力加载，具体加载方法如下进行：对驱动模型滚筒进行加载时，沿滚筒筒壳轴向方向进行线力加载，沿周向方向加载模型力符合以下公式：FJ=FSeμα，其中FJ和FS分别表示驱动模型滚筒紧边张紧力和松边张紧力，μ和α分别表示摩擦系数和围包角大小。对改向模型滚筒进行加载时，滚筒表面所承受载荷均匀分布。将滚筒轴两端轴肩部位作为约束对象。
所述步骤6）中应变片数据信息采集与处理，所采用的采集与处理方法如下：将每一系列型号模型滚筒采集到的应变片的电阻值，传输到终端设备进行应变值的换算，各测试点的应力按如下公式计算：σ=Eε，其中σ和ε分别表示应力与应变，E表示杨氏模量。对各测试点的应力应变数据进行整合处理，获得模型滚筒关键部位的承载数据。
所述步骤7）中实验结果分析，所采用的分析方法如下：基于模型滚筒单参改变，将单结构参量改变的一系列实验数据进行归类，对关键部位的应力应变情况进行分析，求得各关键结构参数的最优值。
所述步骤8）中制作结构参数优化的数据库，所采用的制作方法如下：按照带宽和载荷形式对滚筒原型的应力应变数据进行分类，根据优化目标和优化约束条件对各关键部件的结构参数进行定量优化，利用深度优化后的结构参数制作数据库。滚筒原型的应力应变数据按照如下理论进行计算：滚筒原型与滚筒模型关键部位应力应变符合相似准则要求。
所述步骤9）中设计深度优化的滚筒结构，所采用的设计方法如下：利用模型滚筒实验获得的各关键部件结构参数的最优值制作数据库，根据参数优化的数据库指导滚筒结构设计，在保证强度和刚度较小的前提下达到滚筒结构参数深度优化的目的。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明通过实验测试的方法获取滚筒结构关键部位的应力应变实验数据，能够建立滚筒结构参数优化的数据库，利用数据库指导设计滚筒结构，达到深度优化滚筒结构参数的目的。
附图说明
图1为本发明方法的主程序框图。
图2为相似理论计算的流程图。
图3为应变片数据信息采集与处理的步骤图。
图4为应变片布置方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明中的优选实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
实施例一：
参见图1～图4，本滚筒优化静力学实验测试方法，其操作步骤如下：
1）提取滚筒原型结构与力参数：对滚筒原始数据进行分析，提取滚筒原型的结构参数与力参数；
2）相似理论计算：将获得的滚筒原型结构参数和力参数，利用相似理论进行相似化处理以获得模型滚筒的结构参数与力参数；
3）相似模型制作：利用模型滚筒的结构参数设计制造模型滚筒，合理布置应变片位置；
4）相似模型分类：对于加工完成的模型滚筒，按照带宽、荷载类型进行分类；
5）机械静力加载：根据不同工况的模型力以静力方式加载至模型滚筒，对不同类型的模型滚筒沿轴向方向施加均匀的线力；
6）应变片数据信息采集与处理：通过采集不同位置应变片的微量数据，经过信号调理，利用数据采集卡将数据传输至终端设备，对各组数据进行处理分析，获得各关键部位的应力应变情况；
7）实验结果分析：根据单参变化规则对一系列的实验数据进行统计处理，分析比较实验结果，获取各关键结构参数的最优值；
8）制作结构参数优化的数据库：根据测试实验结果，利用相似理论获取不同类型滚筒原型的结构参数，制作结构参数优化的数据库；
9）设计深度优化的滚筒结构：利用结构参数优化的数据库指导设计新的滚筒结构，达到结构参数深度优化的目标。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述步骤2）中相似理论计算，所采用的计算方法如下：列出相似模型设计所需的单值条件；确定基本物理量种类和基本量纲个数；确定基础物理量和函数物理量，建立相似准则；由相似常数Cx所组成的相似指数C=1设计滚筒相似模型，其中Cx表示模型与原型对应物理量比值；求各物理量的相似常数Cx。
所述步骤3）中相似模型制作，所采用的制作方法如下：在模型滚筒制作时沿筒壳内外圆周表面和辐板内外侧端面进行应变片布置，具体布置方式按如下步骤进行：沿筒壳内外圆周表面布置应变片时以30°间隔均布，沿筒壳轴向方向从筒壳中部位置以设定距离向外侧均布，参考基距为50mm；沿辐板内外侧端面布置应变片时以30°间隔均布，沿滚筒径向方向从滚筒轴极心位置以设定距离向外呈辐射状均布，参考基距为30mm。
所述步骤4）中相似模型分类，所采用的分类方法如下：根据带宽对模型滚筒进行一系列归类，对不同系列模型滚筒进行标号Lmn，其中L表示滚筒，下标m和下标n分别表示滚筒不同系列带宽和每一系列带宽的模型滚筒，m=1,…,m，n=1,…,n。对于某系列带宽m确定的模型滚筒Lmn，n的确定按照两大类进行分类，具体分类方法如下进行：根据模型滚筒承受荷载类型分为驱动模型滚筒和改向模型滚筒，驱动模型滚筒的下标n=1,…,n1，改向模型滚筒的下标n=n1,…,n。
所述步骤5）中机械静力加载，所采用的加载方法如下：根据模型滚筒荷载类型分类方法，对驱动模型滚筒和改向模型滚筒分别进行静力加载，具体加载方法如下进行：对驱动模型滚筒进行加载时，沿滚筒筒壳轴向方向进行线力加载，沿周向方向加载模型力符合以下公式：FJ=FSeμα，其中FJ和FS分别表示驱动模型滚筒紧边张紧力和松边张紧力，μ和α分别表示摩擦系数和围包角大小。对改向模型滚筒进行加载时，滚筒表面所承受载荷均匀分布。将滚筒轴两端轴肩部位作为约束对象。
所述步骤6）中应变片数据信息采集与处理，所采用的采集与处理方法如下：将每一系列型号模型滚筒采集到的应变片的电阻值，传输到终端设备进行应变值的换算，各测试点的应力按如下公式计算：σ=Eε，其中σ和ε分别表示应力与应变，E表示杨氏模量。对各测试点的应力应变数据进行整合处理，获得模型滚筒关键部位的承载数据。
所述步骤7）中实验结果分析，所采用的分析方法如下：基于模型滚筒单参改变，将单结构参量改变的一系列实验数据进行归类，对关键部位的应力应变情况进行分析，求得各关键结构参数的最优值。
所述步骤8）中制作结构参数优化的数据库，所采用的制作方法如下：按照带宽和载荷形式对滚筒原型的应力应变数据进行分类，根据优化目标和优化约束条件对各关键部件的结构参数进行定量优化，利用深度优化后的结构参数制作数据库。滚筒原型的应力应变数据按照如下理论进行计算：滚筒原型与滚筒模型关键部位应力应变符合相似准则要求。
所述步骤9）中设计深度优化的滚筒结构，所采用的设计方法如下：利用模型滚筒实验获得的各关键部件结构参数的最优值制作数据库，根据参数优化的数据库指导滚筒结构设计，在保证强度和刚度较小的前提下达到滚筒结构参数深度优化的目的。至此，就完成了以实验数据支撑滚筒结构数据库，实现对滚筒结构参数进行深度优化的目的。
本发明的实施例主要以模型滚筒实验获得滚筒关键部位的应力应变情况，以用于滚筒结构参数的深度优化，特别是用于重载和大带宽滚筒的结构参数优化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不仅局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应为所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种滚筒优化静力学实验测试方法，其特征在于操作步骤如下：
1）提取滚筒原型结构与力参数：对滚筒原始数据进行分析，提取滚筒原型的结构参数与力参数；
2）相似理论计算：将获得的滚筒原型结构参数和力参数，利用相似理论进行相似化处理以获得模型滚筒的结构参数与力参数；
3）相似模型制作：利用模型滚筒的结构参数设计制造模型滚筒，合理布置应变片位置；
4）相似模型分类：对于加工完成的模型滚筒，按照带宽、荷载类型进行分类；
5）机械静力加载：根据不同工况的模型力以静力方式加载至模型滚筒，对不同类型的模型滚筒沿轴向方向施加均匀的线力；
6）应变片数据信息采集与处理：通过采集不同位置应变片的微量数据，经过信号调理，利用数据采集卡将数据传输至终端设备，对各组数据进行处理分析，获得各关键部位的应力应变情况；
7）实验结果分析：根据单参变化规则对一系列的实验数据进行统计处理，分析比较实验结果，获取各关键结构参数的最优值；
8）制作结构参数优化的数据库：根据测试实验结果，利用相似理论获取不同类型滚筒原型的结构参数，制作结构参数优化的数据库；
9）设计深度优化的滚筒结构：利用结构参数优化的数据库指导设计新的滚筒结构，达到结构参数深度优化的目标。
2.根据权利要求1所述的滚筒优化静力学实验测试方法，其特征在于：所述步骤2）中相似理论计算，所采用的计算方法如下：列出相似模型设计所需的单值条件；确定基本物理量种类和基本量纲个数；确定基础物理量和函数物理量，建立相似准则；由相似常数Cx所组成的相似指数C=1设计滚筒相似模型，其中Cx表示模型与原型对应物理量比值；求各物理量的相似常数Cx。
3.根据权利要求1所述的滚筒优化静力学实验测试方法，其特征在于：所述步骤3）中相似模型制作，所采用的制作方法如下：在模型滚筒制作时沿筒壳内外圆周表面和辐板内外侧端面进行应变片布置，具体布置方式按如下步骤进行：沿筒壳内外圆周表面布置应变片时以30°间隔均布，沿筒壳轴向方向从筒壳中部位置以设定距离向外侧均布，参考基距为50mm；沿辐板内外侧端面布置应变片时以30°间隔均布，沿滚筒径向方向从滚筒轴极心位置以设定距离向外呈辐射状均布，参考基距为30mm。
4.根据权利要求1所述的滚筒优化静力学实验测试方法，其特征在于：所述步骤4）中相似模型分类，所采用的分类方法如下：根据带宽对模型滚筒进行一系列归类，对不同系列模型滚筒进行标号Lmn，其中L表示滚筒，下标m和下标n分别表示滚筒不同系列带宽和每一系列带宽的模型滚筒，m=1,…,m，n=1,…,n；对于某系列带宽m确定的模型滚筒Lmn，n的确定按照两大类进行分类，具体分类方法如下进行：根据模型滚筒承受荷载类型分为驱动模型滚筒和改向模型滚筒，驱动模型滚筒的下标n=1,…,n1，改向模型滚筒的下标n=n1,…,n。
5.根据权利要求1所述的滚筒优化静力学实验测试方法，其特征在于：所述步骤5）中机械静力加载，所采用的加载方法如下：根据模型滚筒荷载类型分类方法，对驱动模型滚筒和改向模型滚筒分别进行静力加载，具体加载方法如下进行：对驱动模型滚筒进行加载时，沿滚筒筒壳轴向方向进行线力加载，沿周向方向加载模型力符合以下公式：FJ=FSeμα，其中FJ和FS分别表示驱动模型滚筒紧边张紧力和松边张紧力，μ和α分别表示摩擦系数和围包角大小；对改向模型滚筒进行加载时，滚筒表面所承受载荷均匀分布；将滚筒轴两端轴肩部位作为约束对象。
6.根据权利要求1所述的滚筒优化静力学实验测试方法，其特征在于：所述步骤6）中应变片数据信息采集与处理，所采用的采集与处理方法如下：将每一系列型号模型滚筒采集到的应变片的电阻值，传输到终端设备进行应变值的换算，各测试点的应力按如下公式计算：σ=Eε，其中σ和ε分别表示应力与应变，E表示杨氏模量；对各测试点的应力应变数据进行整合处理，获得模型滚筒关键部位的承载数据。
7.根据权利要求1所述的滚筒优化静力学实验测试方法，其特征在于：所述步骤7）中实验结果分析，所采用的分析方法如下：基于模型滚筒单参改变，将单结构参量改变的一系列实验数据进行归类，对关键部位的应力应变情况进行分析，求得各关键结构参数的最优值。
8.根据权利要求1所述的滚筒优化静力学实验测试方法，其特征在于：所述步骤8）中制作结构参数优化的数据库，所采用的制作方法如下：按照带宽和载荷形式对滚筒原型的应力应变数据进行分类，根据优化目标和优化约束条件对各关键部件的结构参数进行定量优化，利用深度优化后的结构参数制作数据库；滚筒原型的应力应变数据按照如下理论进行计算：滚筒原型与滚筒模型关键部位应力应变符合相似准则要求。
9.根据权利要求1所述的滚筒优化静力学实验测试方法，其特征在于：所述步骤9）中设计深度优化的滚筒结构，所采用的设计方法如下：利用模型滚筒实验获得的各关键部件结构参数的最优值制作数据库，根据参数优化的数据库指导滚筒结构设计，在保证强度和刚度较小的前提下达到滚筒结构参数深度优化的目的。
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