礦用帶式輸送機跑偏及調(diào)心托輥糾偏性能的研究

岳志敏

（晉能控股煤業(yè)浙能麻家梁煤業(yè)有限責任公司， 山西 朔州 036000）

引言

帶式輸送機以其結(jié)構(gòu)簡單、運輸效率高、環(huán)境適應(yīng)性強等眾多優(yōu)勢，在很多工業(yè)領(lǐng)域都有非常好的應(yīng)用，特別是對于煤礦物料這種散裝物體，使用帶式輸送機進行運輸非常合適[1]。但是由于礦井工作環(huán)境非常復(fù)雜，帶式輸送機工作時特別容易出現(xiàn)故障問題，其中皮帶跑偏就是典型的故障問題之一[2]。嚴重制約著帶式輸送機的開機時間，降低了煤礦物料的運輸效率。針對帶式輸送機皮帶跑偏現(xiàn)象出現(xiàn)的原因及其控制措施，國內(nèi)外很多學(xué)者開展了大量研究，提出了很多治理措施，且在實踐應(yīng)用中獲得了很好的應(yīng)用效果[3]。其中，應(yīng)用調(diào)心托輥結(jié)構(gòu)對皮帶跑偏現(xiàn)象進行糾偏處理就是很好的例子，效果顯著[4]。本文主要運用有限元方法分析了調(diào)心托輥的糾偏性能，對于更深入地掌握調(diào)心托輥的糾偏原理，推廣其應(yīng)用范圍具有一定的實踐意義。

1 帶式輸送機皮帶跑偏及調(diào)心托輥概述

1.1 皮帶跑偏現(xiàn)象

帶式輸送機的皮帶跑偏現(xiàn)象是設(shè)備實踐應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的故障問題。對于皮帶跑偏問題，如果處理不當，輕則會對設(shè)備造成不可挽回的損傷，影響其使用壽命，重則引發(fā)嚴重的安全生產(chǎn)事故，甚至造成人員傷亡。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，國內(nèi)外每年都有因為帶式輸送機皮帶跑偏引發(fā)的安全事故。帶式輸送機的跑偏現(xiàn)象受多方面因素的影響，如圖1 所示為導(dǎo)致帶式輸送機皮帶跑偏的原因歸類分析?？梢钥闯?，帶輸送機在設(shè)計、制造、安裝、運行的任何環(huán)節(jié)，如果處理不當都有可能導(dǎo)致皮帶發(fā)生跑偏問題。比如，帶式輸送機的托輥或者滾筒在安裝時，其中心線沒有與皮帶的橫截面保持平行狀態(tài)，那么皮帶在運行時左右兩側(cè)的摩擦力無法保持平衡，就會向一側(cè)跑偏。由于皮帶跑偏現(xiàn)象的影響因素錯綜復(fù)雜，再加上帶式輸送機工作環(huán)境通常比較復(fù)雜，所以很難從根本上消除帶式輸送機的皮帶跑偏現(xiàn)象，只能采取措施來抑制皮帶跑偏問題。就目前的情況而言，利用調(diào)心托輥裝置對皮帶進行糾偏應(yīng)用效果較好。

圖1 帶式輸送機皮帶跑偏原因分析

1.2 調(diào)心托輥

如圖2 所示為用于糾正皮帶跑偏現(xiàn)象的調(diào)心托輥結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，整個調(diào)心托輥結(jié)構(gòu)主要包括調(diào)心托輥、支撐架、渦輪渦桿機構(gòu)以及電機等。一旦帶式輸送機控制系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)皮帶存在跑偏現(xiàn)象，會下達控制指令啟動調(diào)心托輥結(jié)構(gòu)的電機，電機輸出轉(zhuǎn)速帶動渦輪蝸桿機構(gòu)運動，最終實現(xiàn)調(diào)心托輥旋轉(zhuǎn)運動。當皮帶跑偏方向不一樣時，電機旋轉(zhuǎn)方向也會存在差異。當調(diào)心托輥旋轉(zhuǎn)后，所在的平面與皮帶橫向方向存在一定角度，此時會對皮帶產(chǎn)生一個側(cè)向的糾偏力，將皮帶糾正到正確的位置上來。

圖2 調(diào)心托輥結(jié)構(gòu)示意圖

2 調(diào)心托輥模型的建立

2.1 帶式輸送機幾何模型的建立

本文以典型的DTL140 型帶式輸送機為對象進行研究。需要利用Solidworks 軟件建立帶式輸送機的簡化模型，如圖3 所示為建立的帶式輸送機三維簡化模型，建立的模型中只包含滾筒、托輥、皮帶，模型中所有結(jié)構(gòu)的參數(shù)全部按照DTL140 型設(shè)備的實際尺寸執(zhí)行。其中，皮帶的寬度為1.4 m，驅(qū)動滾筒和改向滾筒的直徑分別為1.25 m 和0.8 m，托輥的直徑為133 mm?？紤]到皮帶的特殊性，在建立皮帶模型時對其進行了離散化處理，模型中的皮帶由很多寬度為20 mm 的小條連接而成。為了簡化計算過程，模型中所有的倒角、倒圓全部忽略處理。

圖3 帶式輸送機三維簡化模型

2.2 有限元模型的建立

將建立的三維簡化帶式輸送機模型輸入到ADAMS 軟件中，然后將皮帶設(shè)置為彈塑性體，托輥和滾筒全部設(shè)置為剛體。將其中一個托輥視為調(diào)心托輥，在建立模型時可以改變其與皮帶橫向截面之間的角度。約束所有的托輥和滾筒只能繞其中心線做旋轉(zhuǎn)運動，對于張緊滾筒需要施加一個向下的作用力以達到張緊皮帶的作用，確保皮帶與滾筒、托輥之間始終保持接觸。將皮帶與滾筒、托輥之間的接觸類型設(shè)置為實體—實體接觸，兩者之間的靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0.5 和0.3。模型中設(shè)置帶式輸送機的啟動時間為1 s，正常運行時驅(qū)動滾筒的轉(zhuǎn)動速度為208.35 rad/s，即在1 s 時間內(nèi)驅(qū)動滾筒的轉(zhuǎn)動速度由零線性增加到208.35 rad/s，然后保持不變。

3 調(diào)心托輥的糾偏性能研究

實踐經(jīng)驗表明，調(diào)心托輥結(jié)構(gòu)在實踐應(yīng)用時其偏轉(zhuǎn)角度以及調(diào)心托輥承受的正壓力會對糾偏性能產(chǎn)生比較重要的影響。本研究主要是在有限元模型中改變以上兩個變量的參數(shù)大小，分析對皮帶發(fā)生位置偏移量的影響規(guī)律。

3.1 旋轉(zhuǎn)角度對皮帶偏移量的影響

目前普遍的思想認為，調(diào)心托輥的旋轉(zhuǎn)角度越大，糾偏性能就越好[5]。本文所述的調(diào)心托輥結(jié)構(gòu)最大旋轉(zhuǎn)角度為25°，為了分析旋轉(zhuǎn)角度對皮帶跑偏問題糾偏效果的影響規(guī)律，在有限元模型中將調(diào)心托輥的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置在3°～24°內(nèi)變化，每間隔3°取值建模進行計算。如圖4 所示為調(diào)心托輥旋轉(zhuǎn)角度對皮帶偏移量的影響規(guī)律曲線。

圖4 皮帶偏移量與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線

由圖4 可知，隨著調(diào)心托輥旋轉(zhuǎn)角度的不斷增加，皮帶中的偏移量先隨之不斷增加，而后又呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的位置在旋轉(zhuǎn)角度為12°時。以上研究結(jié)果與普遍認識存在一定的差異，皮帶跑偏量并沒有隨著旋轉(zhuǎn)角度增加出現(xiàn)線性增長的趨勢，而是在12°時達到了最大值。綜上可以得出，隨著旋轉(zhuǎn)角度的不斷增加，調(diào)心托輥的糾偏能力逐漸增強，但是當旋轉(zhuǎn)角度超過12°以后，其糾偏能力隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加不斷降低。

3.2 正壓力對皮帶偏移量的影響

帶式輸送機輸送的煤礦物料越多，那么皮帶與托輥之間的正壓力越大，通常情況下認為正壓力越大，皮帶越容易發(fā)生跑偏現(xiàn)象[6]。為了分析調(diào)心托輥正壓力對皮帶跑偏量的影響規(guī)律。本研究中，首先將重力加速度設(shè)置為9.8 m/s2，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)皮帶與調(diào)心托輥之間的正壓力為7 N。在后續(xù)的分析中，分別將皮帶與調(diào)心托輥之間的正壓力設(shè)置為14 N、21 N、28 N、35 N、42 N。如圖5 所示為調(diào)心托輥正壓力對皮帶偏移量的影響規(guī)律曲線。

圖5 皮帶跑偏量與正壓力之間的關(guān)系曲線

由圖5 可知，隨著調(diào)心托輥正壓力的不斷增加，皮帶跑偏量隨之出現(xiàn)了線性增加的趨勢。意味著調(diào)心托輥正壓力越大，其擁有更加優(yōu)越的糾偏能力。另外，以上結(jié)果還表明，當帶式輸送機運輸?shù)拿旱V物料重量越大時，越容易發(fā)生皮帶跑偏現(xiàn)象，所以控制帶式輸送機的輸送量是緩解皮帶跑偏現(xiàn)象的實踐措施之一。

4 結(jié)論

1）調(diào)心托輥的糾偏原理主要是改變托輥與皮帶橫向截面之間的角度，從而改變調(diào)心托輥與皮帶之間的摩擦狀態(tài)，使皮帶回到正確的位置上來。

2）調(diào)心托輥的旋轉(zhuǎn)角度和托輥表面正壓力是影響糾偏性能的兩個重要因素。

3）分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著旋轉(zhuǎn)角度的不斷增加，調(diào)心托輥的糾偏能力先逐漸增加，旋轉(zhuǎn)角度為12°時，糾偏能力達到最大值；而后糾偏能力逐漸降低。調(diào)心托輥表面正壓力越大其糾偏能力越好。