帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力溫度特性試驗研究

周利東，韓亮亮，孟文俊，王 雷，曹雪芹，陳向輝

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引 言

近年來，大運量、長距離、高帶速成為帶式輸送機(jī)的發(fā)展趨勢，為了節(jié)約運行成本，減少能耗，有必要對其進(jìn)行阻力研究［1-3］。 研究表明，壓陷滾動阻力占運行阻力的60%以上，是能耗的主要部分，影響壓陷滾動阻力主要因素是輸送帶下覆蓋層橡膠化合物的黏彈特性，而黏彈特性受溫度影響很大［4-6］。因此，很有必要研究溫度變化對壓陷滾動阻力的影響。

現(xiàn)階段，國外學(xué)者WHEELER 研究了載荷、帶速、溫度、壓陷度等對橡膠黏彈特性性能的影響，對比分析了2 種化合物覆蓋層材料對輸送帶在不同溫度下的壓陷滾動阻力［7］。 THOMAS J Rudolphi 等［8］提到了溫度對帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力的影響，并繪制了一定溫度范圍內(nèi)的壓陷滾動阻力曲線。 國內(nèi)文獻(xiàn)［9-10］設(shè)計了一套能夠測試壓陷阻力與旋轉(zhuǎn)阻力之和的測試裝置，利用該裝置研究了帶速對壓陷阻力與旋轉(zhuǎn)阻力之和的影響；文獻(xiàn)［11-12］對帶式輸送機(jī)壓陷阻力進(jìn)行了理論分析，并推導(dǎo)了壓陷阻力的近似公式，與此同時運用一種基于傅里葉級數(shù)的特殊邊界法對輸送帶建模仿真，通過算例得到了垂直載荷、輸送帶覆蓋層厚度對壓陷滾動阻力的影響；文獻(xiàn)［13-14］對輸送機(jī)壓陷阻力能耗機(jī)理進(jìn)行了理論研究，推導(dǎo)出了輸送帶通過托輥時的壓陷阻力和壓陷阻力系數(shù)理論公式，并分析了帶速、載荷集度、覆蓋層厚度、托輥半徑和托輥間距對壓陷阻力系數(shù)的影響；文獻(xiàn)［15］等通過對壓陷阻力分析與研究，提出了測量壓陷阻力的試驗臺設(shè)計方案；文獻(xiàn)［16］根據(jù)輸送帶運行過程中壓陷滾動阻力產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素，設(shè)計了低壓陷滾動阻力輸送帶；還有部分學(xué)者從理論上研究了溫度對壓陷滾動阻力的影響［17-19］，但是考慮溫度的試驗研究非常少［20］。

為了試驗研究溫度對壓陷滾動阻力的影響，筆者設(shè)計制造了一套帶有溫控房的帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力測試系統(tǒng)。 該測試系統(tǒng)可以在給定帶速、載荷下實現(xiàn)不同恒溫環(huán)境下帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力的測試。 通過測試，收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，得到溫度對壓陷滾動阻力的影響規(guī)律。

1 帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力試驗系統(tǒng)及工作原理

1.1 試驗系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力測試系統(tǒng)是由硬件部分和軟件部分組成，其硬件部分由驅(qū)動系統(tǒng)、測試試驗臺、信號處理和控制臺、溫控房組成。

驅(qū)動系統(tǒng)由變頻電動機(jī)、變速器和傳動軸組成；測試試驗臺主要包括機(jī)架、加載裝置和測試裝置、張緊裝置，如圖1 所示。 機(jī)架是整個測試裝置的基礎(chǔ)。加載裝置由加載支架、加載架和液壓缸組成。 其中液壓缸上端鉸接在固定加載支架上，液壓缸活塞桿下端鉸接在安裝有壓力傳感器的加載架上，在加載架上安裝測試托輥。 在加載架和加載支架之間布置3 個阻力傳感器，左右對稱各1 個，中間安裝1 個，測試壓陷滾動阻力。 張緊裝置由電動機(jī)、絲杠和滑軌組成。 輸送帶的張緊是通過電動機(jī)驅(qū)動絲杠，帶動改向滾筒在滑軌上移動，并在絲杠張緊處安裝傳感器，測試輸送帶的張緊力。 信號處理和控制臺主要包括工控機(jī)、信號處理系統(tǒng)、觸摸屏顯控和控制按鈕等。

圖1 帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力測試系統(tǒng)平臺Fig.1 Platform of indentation rolling resistance test system for belt conveyor

以上所有硬件部分除了驅(qū)動系統(tǒng)、信號處理和控制臺外都在一個溫控房中。 溫控房配置有電加熱器和冷壓縮機(jī)，使用特種材料密封可以使室內(nèi)室外的熱傳遞較小，達(dá)到熱平衡，使室內(nèi)溫度在一定時間段內(nèi)保持恒定，環(huán)境溫度范圍為-25～50 ℃。

在軟件部分，借助Microsoft Visual Basic 6.0 軟件編寫上位機(jī)程序，可在Windows 環(huán)境下運行。 通過RS485 和RS232 串口，實現(xiàn)了上位機(jī)計算機(jī)與西門子S7-200 系列PLC 之間的串行通信。 帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力測試系統(tǒng)軟件運行原理如圖2 所示。

1.2 系統(tǒng)加載測試工作原理

系統(tǒng)加載測試工作原理如圖3 所示，通過輸送帶翻轉(zhuǎn)（上覆蓋層朝下）安裝在驅(qū)動滾筒與改向滾筒上。 開啟電源，啟動液壓系統(tǒng)，驅(qū)動固定在加載支架上的液壓缸向下施加載荷，則位于加載架上的壓力傳感器反饋當(dāng)前施加的載荷，測試托輥與下覆蓋層接觸并產(chǎn)生壓陷，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值時，液壓缸通過儲能器保持壓力，緩解輸送帶接頭經(jīng)過測試托輥時產(chǎn)生沖擊的影響；然后啟動驅(qū)動系統(tǒng)，使驅(qū)動滾筒以給定速度運轉(zhuǎn)，通過光電傳感器測得帶速；此時測試托輥與輸送帶相對運動，由于橡膠的蠕變遲滯效應(yīng)，導(dǎo)致輸送帶與托輥接觸區(qū)域應(yīng)力分布不均勻，產(chǎn)生壓陷滾動阻力，而反作用力帶動托輥加載架作用于加載支架立柱上的阻力傳感器，從而間接測得壓陷滾動。

圖2 帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力測試系統(tǒng)軟件運行原理Fig.2 Software operation principle of indentation rolling resistance test system of belt conveyor

圖3 帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力測試系統(tǒng)加載測試原理Fig.3 Loading test principle of indentation rolling resistance test system for belt conveyor

2 試驗方案與步驟

2.1 試驗方案

針對本次試驗，選取織物輸送帶，帶寬為400 mm，輸送帶上覆蓋層厚度為4.5 mm，下伏蓋層厚度為1.5 mm；選取溫度依次為-15、-10、-5、0、5、10、15、20、25、30、35、40 ℃，載荷為2、3、4 kN／m，帶速從低到高依次為1、2、3 m／s 進(jìn)行試驗。 試驗方案如下：調(diào)節(jié)溫控開關(guān)，使溫控房內(nèi)達(dá)到給定測試溫度，調(diào)節(jié)液壓裝置給輸送帶施加不同的載荷并保壓，然后調(diào)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)得到不同的帶速，待系統(tǒng)運行平穩(wěn)后，測試記錄該溫度、載荷和帶速下壓陷滾動阻力及壓陷滾動阻力系數(shù)。

2.2 試驗步驟

1）設(shè)定溫度為-15 ℃，保溫1 h 后，使輸送帶橡膠的黏彈特性在該溫度下得到充分體現(xiàn)。

2）設(shè)定載荷2 kN／m，張緊力保證不打滑，帶速為1 m／s，待試驗系統(tǒng)運行平穩(wěn)后分別采集載荷、壓陷滾動阻力和壓陷滾動阻力系數(shù)250 個連續(xù)數(shù)據(jù)點，然后依次進(jìn)行2、3 m／s 的加載測試試驗。

3）設(shè)定載荷3 kN／m，按照步驟2 進(jìn)行試驗。

4）設(shè)定載荷4 kN／m，按照步驟2 進(jìn)行試驗。

5）按照試驗方案設(shè)定的溫度順序改變溫度，按照步驟1、2、3、4 依次進(jìn)行試驗。

試驗現(xiàn)場如圖4 所示，采集到的數(shù)據(jù)波形如圖5所示。

圖4 試驗現(xiàn)場Fig.4 Test site

圖5 測試數(shù)據(jù)波形Fig.5 Test data waveform diagram

3 試驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)的處理

在系統(tǒng)運行過程中，存在輸送帶接頭沖擊，以及橫向和縱向振動，使得載荷、壓陷滾動阻力、壓陷滾動阻力系數(shù)測試結(jié)果有一定的波動，導(dǎo)致測試值不是恒定的。 為了提高測試精度，減小誤差，需進(jìn)行測試數(shù)據(jù)處理。

一次試驗測試所得載荷、壓陷滾動阻力、壓陷滾動阻力系數(shù)各250 個數(shù)據(jù)點，利用MATLAB 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1）第1 次篩選：尋找壓陷滾動阻力系數(shù)大于1的數(shù)據(jù)點，把對應(yīng)的壓陷滾動阻力系數(shù)、載荷和壓陷滾動阻力替換為0，分別求取替換后壓陷滾動阻力和壓陷滾動阻力系數(shù)的平均值，此平均值包含了輸送帶接頭沖擊振動產(chǎn)生的大阻力。

2）第2 次篩選：尋找壓陷滾動阻力大于第1次篩選所得平均值的數(shù)據(jù)點，把對應(yīng)的壓陷滾動阻力替換為平均值，壓陷滾動阻力系數(shù)替換為壓陷滾動阻力系數(shù)平均值、載荷替換為設(shè)定的載荷。

3）第3 次篩選：尋找載荷比設(shè)定值波動0.1 kN左右的數(shù)據(jù)點，再一次對所尋找到的數(shù)據(jù)點各自求取平均值，作為本次試驗壓陷滾動阻力和壓陷滾動阻力系數(shù)的試驗測試結(jié)果。

3.2 試驗結(jié)果的分析

本次試驗分別在不同的載荷、帶速和溫度下進(jìn)行，從而得到了不同的結(jié)果。

1）在MATLAB 軟件新建的腳本文件中編寫的程序，提取出載荷分別為2、3、4 kN／m 對應(yīng)不同帶速，不同溫度下的壓陷滾動阻力數(shù)據(jù)，利用最小二乘法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到溫度對壓陷滾動阻力影響如圖6—圖8 所示。

圖6 載荷為2 kN／m 不同溫度下壓陷滾動阻力變化曲線Fig.6 Variation curves of indentation rolling resistance at different temperatures under load of 2 kN／m

圖7 載荷為3 kN／m 不同溫度下壓陷滾動阻力變化曲線Fig.7 Variation curves of indentation rolling resistance at different temperatures under load of 3 kN／m

圖8 載荷為4 kN／m 不同溫度下壓陷滾動阻力變化曲線Fig.8 Variation curves of the indentation rolling resistance at different temperatures under load of 4 kN／m

試驗結(jié)果表明：在帶速和載荷一定時，可以看出溫度對壓陷滾動阻力的影響是顯著的。 壓陷滾動阻力在低于0 ℃時，壓陷滾動阻力隨溫度的升高而增大；0～25 ℃時，壓陷滾動阻力隨溫度的升高而減??；在高于25 ℃時，壓陷滾動阻力隨溫度的升高而增大。 這是由于溫度改變輸送帶下伏蓋層黏彈性導(dǎo)致的。 在0 ℃以下，隨著溫度的升高，輸送帶黏彈性能較好，導(dǎo)致壓陷滾動阻力增大；在0 ～25 ℃，隨著溫度的升高，橡膠由結(jié)晶態(tài)變?yōu)閺椥詰B(tài)，鏈段運動能力增強(qiáng)，可以減少分子鏈之間摩擦力，從而降低了壓陷滾動阻力，這與神華神東集團(tuán)有限責(zé)任公司上灣煤礦原志明［21］的研究結(jié)果一致；25 ℃以后，隨著溫度的升高，輸送帶橡膠的黏彈性增強(qiáng)，從而增大了壓陷滾動阻力。

在溫度、載荷一定時，帶速越大，壓陷滾動阻力也越大，這是由于帶速增大，橡膠黏彈性恢復(fù)相對較慢，遲滯效應(yīng)更明顯，以至于輸送帶壓力分布更不均勻，導(dǎo)致壓陷滾動阻力增大。

2）在MATLAB 軟件新建的腳本文件中編寫的程序，提取出帶速分別為1、2、3 m／s 所對應(yīng)的不同載荷，不同溫度下的壓陷滾動阻力數(shù)據(jù)，利用最小二乘法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到溫度對壓陷滾動阻力影響如圖9—圖11 所示。

圖9 帶速為1 m／s 不同溫度下壓陷滾動阻力變化曲線Fig.9 Variation curves of indentation rolling resistance at different temperatures at belt speed of 1 m／s

圖10 帶速為2 m／s 不同溫度下壓陷滾動阻力變化曲線Fig.10 Variation curves of indentation rolling resistance at different temperatures at belt speed of 2 m／s

圖11 帶速為3 m／s 不同溫度下壓陷滾動阻力變化曲線Fig.11 Variation curves of indentation rolling resistance at different temperatures at belt speed of 3 m／s

試驗結(jié)果表明：帶速一定時，載荷從2 kN／m 增大到4 kN／m 時，總體趨勢保持載荷增大，壓陷滾動阻力增大。 這是由于載荷增加會增大輸送帶下覆蓋層壓陷形變量，從而導(dǎo)致壓陷滾動阻力增大。 但所得的3 條曲線中其中某2 條發(fā)生了交叉，這是由于溫度、載荷、帶速等多種綜合因素的作用，導(dǎo)致在相同溫度下壓陷滾動阻力隨載荷的增大出現(xiàn)偏高、相等、偏低等情況。 在帶速一定時，載荷越大、溫度對帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力影響越大。

3）在MATLAB 軟件新建的腳本文件中編寫程序，提取出任意載荷對應(yīng)不同帶速，不同溫度的壓陷滾動阻力系數(shù)數(shù)據(jù)，以載荷4 kN／m 為例，利用最小二乘法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到溫度對壓陷滾動阻力系數(shù)影響如圖12 所示。

圖12 載荷4 kN／m 不同溫度下壓陷滾動阻力系數(shù)變化曲線Fig.12 Variation curves of indentation rolling resistance coefficient at different temperatures under load of 4 kN／m

試驗結(jié)果表明：不同的運行環(huán)境對壓陷滾動阻力系數(shù)影響不同。 在同一帶速下，隨著溫度的升高，壓陷滾動阻力系數(shù)隨溫度先增大又減小后又增大；這是由于壓陷滾動阻力系數(shù)與壓陷滾動阻力相關(guān)，壓陷滾動阻力變化趨勢影響了壓陷滾動阻力系數(shù)的變化。 在同一溫度下，帶速越大，壓陷滾動阻力系數(shù)越大。

4 結(jié) 論

1）壓陷滾動阻力和壓陷滾動阻力系數(shù)的大小除了受到帶速和載荷的影響之外，溫度對它產(chǎn)生較大影響，在恒定載荷、恒定帶速下，在低于0 ℃時，隨著溫度的升高，壓陷滾動阻力和壓陷滾動阻力系數(shù)逐漸增大；在0～25 ℃時，隨著溫度的升高，壓陷滾動阻力和壓陷滾動阻力系數(shù)逐漸減小；在高于25 ℃時，隨著溫度的升高，壓陷滾動阻力和壓陷滾動阻力系數(shù)逐漸增大。

2）通過試驗，進(jìn)一步驗證了在溫度不變時，壓陷滾動阻力隨輸送機(jī)帶速、載荷的增大而增大。

3）搭建的專業(yè)帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力測試系統(tǒng)，設(shè)計合理，試驗結(jié)果能夠較好地反映帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力溫度特性。

4）研究溫度對帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力的影響，對帶式輸送機(jī)設(shè)計制造具有很好的指導(dǎo)意義和參考價值。 在試驗方面完善了國內(nèi)對帶式輸送機(jī)壓陷滾動阻力溫度特性的研究，這將作為后期理論研究的重要支撐。