大型帶式輸送機滿載工況下的動態(tài)特性研究

秦文光，趙東升，代衛(wèi)衛(wèi)

（山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西 河津 043300）

0 引言

“十二五”期間，我國年產(chǎn)千萬噸級礦井將超過20余座。帶式輸送機作為現(xiàn)代化大型礦井的主要提升設(shè)備，對其性能要求也越來越高。由于大型礦井綜采工作面的生產(chǎn)效率不斷提高，相應(yīng)的順槽可伸縮帶式輸送機也開始朝著運距長、運量大、自動化程度高的方向發(fā)展。為滿足現(xiàn)代大型礦井生產(chǎn)的需要，帶式輸送機應(yīng)具備響應(yīng)速度快、伸縮距離大、自動化程度高等特點。在帶式輸送機的各部件中，輸送帶負責(zé)承載和運輸物料，是帶式輸送機的主要部件之一，輸送帶的物理性質(zhì)會直接影響帶式輸送機的工作性能。目前，煤礦井下所使用的帶式輸送機長達幾公里，對于這種長距離的帶式輸送機，經(jīng)常會出現(xiàn)皮帶滿載停車和啟動等工況，在這種過程中輸送帶的動張力會發(fā)生很大的變化。為保證帶式輸送機緊急工況下的可靠性和安全性，對長距離帶式輸送機輸送帶的滿載啟動過程中的動張力進行研究具有重要的意義。

1 長距離帶式輸送機的有限元劃分

1.1 輸送帶力學(xué)特性的分析

輸送帶主要由骨架（帶芯）和上、下表面覆蓋層組成，如圖1所示。帶芯是輸送帶的主要部分，輸送帶工作時，帶芯承受輸送帶的全部負荷，這就要求帶芯的材料必須具有一定的剛度和強度。

輸送帶所表現(xiàn)出來的靜態(tài)特性可以通過靜應(yīng)力σ和靜應(yīng)變ε 之間的關(guān)系來反映：

輸送帶的動態(tài)特性主要體現(xiàn)在：應(yīng)力－應(yīng)變之間的非線性關(guān)系、蠕變特性、松弛特性和頻率特性。其中蠕變?nèi)崃亢退沙谀?shù)是最能體現(xiàn)輸送帶黏彈性力特性的物理量。對于黏性材料而言，當(dāng)施加單向階躍應(yīng)力載荷時，其應(yīng)變?yōu)椋?/p>

其中：F（t）為蠕變?nèi)崃?，反映的是施加單位階躍應(yīng)力載荷時材料的蠕變響應(yīng)。反之，當(dāng)輸入單位階躍應(yīng)變載荷時，應(yīng)力為：

其中：E（t）為松弛模數(shù)，反映的是施加單位階躍應(yīng)變載荷時材料的松弛響應(yīng)。

圖1 輸送帶的結(jié)構(gòu)組成

1.2 輸送帶力學(xué)模型的選擇和有限元劃分

通過對輸送帶的力學(xué)特性分析，進行輸送帶力學(xué)模型有限元劃分時，我們將輸送帶離散為Kelvin 模型。該模型由質(zhì)量塊、剛度彈簧元件以及阻尼元件組成，其中質(zhì)量塊代表單位長度輸送帶和物料的質(zhì)量；剛度彈簧元件和阻尼元件反映輸送帶的黏彈性力學(xué)特性，輸送帶的Kelvin模型如圖2所示，其數(shù)學(xué)關(guān)系式可以寫成為：

其中：B 為輸送帶的寬度；Ei為輸送帶的彈性模量；Li為輸送帶單元的長度；τ為輸送帶的流變常數(shù)。

1.3 帶式輸送機動力學(xué)模型的搭建

利用有限元分析法搭建帶式輸送機的離散動力學(xué)模型，把輸送帶劃分成多個Kelvin模型單元，如圖3所示。

圖2 輸送帶的Kelvin模型

圖3 帶式輸送機離散動力學(xué)模型

2 動態(tài)特性研究

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

本文所研究的帶式輸送機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 帶式輸送機的主要技術(shù)參數(shù)

2.2 滿載啟動輸送帶的動態(tài)特性研究

通過建立的帶式輸送機離散動力學(xué)模型對帶式輸送機滿載啟動工況進行動力學(xué)仿真研究，得到了滿載工況下整條輸送帶的速度、位移、張力特性曲線。滿載啟動時，整條輸送帶的速度曲線如圖4所示。在圖4中，X 軸表示整條輸送帶的離散單元數(shù)，Y 軸表示啟動時間，Z 軸表示輸送帶速度的大小。由圖4可以看出，在滿載啟動時驅(qū)動滾筒處輸送帶的速度遠遠大于機尾部輸送帶的速度，在驅(qū)動裝置啟動65s左右，機頭的速度達到1.374m／s時，機尾才開始啟動，機尾輸送帶的加速度遠遠大于驅(qū)動處輸送帶的。啟動過程膠帶松邊與緊邊的最大速度差為1.374 m／s，即張緊裝置的最大卷取速度應(yīng)大于1.374 m／s，最大速度時間為啟動后約65s。

滿載啟動時，整條輸送帶的位移曲線如圖5所示。在圖5中，X 軸表示整條輸送帶的離散單元數(shù)，Y 軸表示啟動時間，Z 軸表示輸送帶位移的大小。由圖5可知，啟動過程輸送帶的松邊與緊邊的位移差最大值為8.46m，位移差需要靠張緊裝置提供合適的張緊力來張緊，即帶式輸送機在啟動過程中張緊裝置的拉緊行程為8.46m。

圖4 輸送帶滿載啟動時的速度曲線

圖5 輸送帶滿載啟動時的位移曲線

滿載啟動時，整條輸送帶所受的張力曲線如圖6所示。在圖6中，X 軸表示整條輸送帶的離散單元數(shù)，Y 軸表示輸送帶張緊力的大小。從圖6中可以看出，輸送帶第151個離散單元的張力最大，為432.91kN，第600個單元張力為68.60kN。張緊裝置的最大張力不應(yīng)大于432.9kN。

圖6 輸送帶滿載啟動時的張力曲線

3 結(jié)語

本文利用有限元建模的方法對某煤礦長壁工作面的大型帶式輸送機進行了動態(tài)模擬，得出其滿載啟動時的動態(tài)特性：滿載啟動時，輸送帶松邊與緊邊的最大速度差為1.374m／s，即張緊裝置的最大卷取速度應(yīng)大于1.374m／s，最大速度時間為啟動65s時；輸送帶的松邊與緊邊的位移差最大值為8.46m，即在啟動過程中張緊裝置的拉緊行程為8.46m；輸送帶第151個離散單元的張力最大，為432.91kN，第600 個單元張力為68.60kN。張緊裝置的最大張力不應(yīng)大于432.9kN。

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