帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)的模擬研究

楊 穎

（晉能控股集團(tuán)煤業(yè)公司四臺(tái)礦，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機(jī)作為礦井常用的運(yùn)輸設(shè)備，具有運(yùn)輸能力大、運(yùn)行阻力小、安全可靠、質(zhì)量輕、噪聲小[1]等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于井下巷道、礦井路面[2]等場(chǎng)所。帶式輸送機(jī)的輸送帶兩端與機(jī)頭驅(qū)動(dòng)滾筒、機(jī)尾換向滾筒形成封閉環(huán)形，而托輥是用來支撐兩滾筒間的輸送帶[3]，其中，托輥有上下托輥兩部分，上托輥為槽型托輥，用以支撐和增加裝載斷面積，下托輥為平行托輥，用以承托回程輸送帶，且托輥兩端的軸承，還可以使托輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力降低[4]；張緊裝置是為輸送帶提供張緊力的裝置，同時(shí)還保障著帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行[5]，在帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)輸中，輸送帶受到來自驅(qū)動(dòng)滾筒和包圍滾筒間的輸送帶產(chǎn)生的摩擦力，驅(qū)動(dòng)其與承載的貨物一起運(yùn)動(dòng)[6]。一般情形下，輸送機(jī)上段是承載段，下段是回程段，而機(jī)頭是卸載段。張緊系統(tǒng)屬于帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵組成部件，不僅會(huì)直接影響帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，還關(guān)系著輸送機(jī)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行[7]，因此，本文對(duì)輸送機(jī)張緊系統(tǒng)進(jìn)行具體分析研究，進(jìn)而為實(shí)踐應(yīng)用帶式輸送機(jī)提供理論基礎(chǔ)。

1 帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)的簡(jiǎn)要介紹

對(duì)于帶式輸送機(jī)的自動(dòng)張緊系統(tǒng)，一般是采用張緊小車?yán)瓌?dòng)張緊滾筒，進(jìn)而完成對(duì)輸送帶的張緊。自動(dòng)張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)有張緊小車、張緊滾筒及張力產(chǎn)生裝置（如張緊電機(jī)、張緊絞車以及張力控制設(shè)備）。其中，張緊小車和張力產(chǎn)生裝置，屬于系統(tǒng)的執(zhí)行元件，拖動(dòng)滾筒進(jìn)行水平方向移動(dòng)，控制輸送機(jī)執(zhí)行張緊或者放松狀態(tài)；張緊滾筒，直接與輸送帶接觸，是進(jìn)行張力調(diào)節(jié)的部件；張力控制設(shè)備屬于系統(tǒng)的核心部件，控制著整個(gè)系統(tǒng)的邏輯判斷和張力輸出[8-9]，還可完成張力控制程序和算法。

圖1 帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)的模擬分析

張緊系統(tǒng)作為帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件，且其與輸送帶直接相互接觸[10]，本文對(duì)輸送機(jī)張緊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬分析。模擬中，帶式輸送機(jī)采用直接啟動(dòng)的方式，張緊力采用梯形曲線控制，也就是說帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，拉力先從零調(diào)至額定張力大小值，一段時(shí)間后再調(diào)至穩(wěn)態(tài)張力大小值。本文具體對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行以下三方面的動(dòng)態(tài)分析：一是在滿負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)，分析輸送帶速度以及張緊力；二是分析張緊小車的動(dòng)態(tài)特性；三是對(duì)比分析自動(dòng)張緊和重錘式系統(tǒng)對(duì)帶式輸送機(jī)的動(dòng)張力影響。

2.1 滿負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)，分析輸送帶速度以及張緊力

圖2 為輸送機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾單元的速度變化曲線。從圖2 中可看出，輸送帶為逐級(jí)啟動(dòng)，機(jī)頭速度相比機(jī)尾速度有一定的超前，表明輸送帶具有黏彈性，且張力從機(jī)頭傳至機(jī)尾需經(jīng)一定的時(shí)間；此外，機(jī)尾速度增加的幅度明顯大于機(jī)頭，且在尾部產(chǎn)生了較大的瞬時(shí)沖擊；當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間達(dá)到140 s 時(shí)，輸送機(jī)的整條輸送帶速度達(dá)到額定帶速，大小約為3.3 m/s。

圖2 帶式輸送機(jī)的輸送帶速度變化曲線

圖3 為帶式輸送機(jī)的張緊力變化分布曲線。從圖3 中可看出，對(duì)于緊邊張力，在帶式輸送機(jī)啟動(dòng)后急劇上升，最終達(dá)到峰值并趨于穩(wěn)定；對(duì)于松邊張力，開始從初始張力大小值，先逐漸變小后又逐漸增大，最終達(dá)到穩(wěn)定值。這是因?yàn)樵趲捷斔蜋C(jī)啟動(dòng)時(shí)，緊邊單元立馬運(yùn)行，而松邊單元因靜阻力作用保持不動(dòng)，此時(shí)，就要求張緊系統(tǒng)快速吸收松邊的輸送帶身長(zhǎng)，從而使輸送機(jī)不出現(xiàn)打滑并順利啟動(dòng)。在啟動(dòng)過程中，對(duì)于輸送機(jī)頭部單元，10 s 時(shí)，動(dòng)張力出現(xiàn)峰值，隨后又出現(xiàn)波動(dòng)，60 s 時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值大小為138 kN。對(duì)于機(jī)尾滾筒單元張力，變化趨勢(shì)基本同于機(jī)頭，不同之處表現(xiàn)為：?jiǎn)?dòng)時(shí)間方面滯后于機(jī)頭，且因?yàn)閺埩ΟB加的沖擊作用，張力變化比機(jī)頭快，當(dāng)整條輸送帶完全啟動(dòng)后，張力波動(dòng)又逐漸減小，最終達(dá)到穩(wěn)定值為89 kN。對(duì)于驅(qū)動(dòng)滾筒，在啟動(dòng)瞬間，松邊張力減小，此時(shí)，通過張緊系統(tǒng)的作用，張力又逐漸增大，最終穩(wěn)定值大小為30 kN 左右。此外，驅(qū)動(dòng)滾筒兩側(cè)張力相差約100 kN，此張力差值可以當(dāng)作是輸送機(jī)整條輸送帶的驅(qū)動(dòng)力。

圖3 帶式輸送機(jī)輸送帶的張緊力變化分布曲線

2.2 分析張緊小車的位移變化情況

本文主要對(duì)張緊小車的位移變化進(jìn)行分析，得到圖4 所示的位移變化曲線。從圖4 中可看出，輸送帶啟動(dòng)時(shí)，松邊張力急速下降，此時(shí)為使輸送帶正常啟動(dòng)，張緊小車?yán)o輸送帶使其增大位移，啟動(dòng)約10 s后，位移達(dá)到最大值是4.2 m，此時(shí)，張力也達(dá)到最大值。因?yàn)閹捷斔蜋C(jī)在啟動(dòng)過程中，張力不斷波動(dòng)，為保證張力維持在一定值，也隨之調(diào)整張緊小車的位移，所以出現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。啟動(dòng)50 s 后，張力逐漸達(dá)到穩(wěn)定，位移也保持穩(wěn)定。張緊小車的最終穩(wěn)定位移值為3.5 m，張力也保持恒定。上述表明帶式輸送機(jī)輸送帶靜止和運(yùn)行下的張緊力大小是不一樣的。

圖4 帶式輸送機(jī)張緊小車的位移變化曲線

2.3 對(duì)比分析自動(dòng)張緊和重錘式張緊系統(tǒng)對(duì)帶式輸送機(jī)動(dòng)張力的影響

帶式輸送機(jī)無論處于任何狀態(tài)，重錘式張緊系統(tǒng)輸出的張力大小基本保持恒定。本文仿真時(shí)，將其張力大小等同為恒定張力。對(duì)比分析采用自動(dòng)張緊和重錘式張緊系統(tǒng)時(shí)，輸送帶張力分布的響應(yīng)變化情況，得到如圖5 所示的曲線。

圖5 采用不同張緊系統(tǒng)時(shí)，輸送帶張力的對(duì)比變化曲線

從圖5 中可看出，對(duì)于自動(dòng)張緊系統(tǒng)，滾筒緊邊張力最大值約為181 kN；而對(duì)于重錘式張緊系統(tǒng)，最大值約為195 kN；同樣，對(duì)于機(jī)尾張力和滾筒松邊張力的峰值情況，自動(dòng)張緊系統(tǒng)明顯小于重錘式張緊系統(tǒng)。綜上分析可知，自動(dòng)張緊系統(tǒng)能夠使輸送帶的啟動(dòng)張力峰值降低。因此，在改善帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性方面，自動(dòng)張緊系統(tǒng)明顯優(yōu)于重錘式張緊系統(tǒng)。

3 結(jié)語

本文以帶式輸送機(jī)為對(duì)象，闡述了張緊系統(tǒng)的構(gòu)造，并系統(tǒng)地分析了輸送帶各單元的速度運(yùn)行及其動(dòng)張力分布規(guī)律，最后對(duì)比研究了自動(dòng)張緊和重錘式張緊系統(tǒng)對(duì)輸送機(jī)的動(dòng)特性影響，仿真結(jié)果表明：自動(dòng)張緊系統(tǒng)能夠使輸送帶的啟動(dòng)張力峰值降低，且在動(dòng)態(tài)特性改善方面，自動(dòng)張緊系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的重錘式張緊系統(tǒng)，可保證張緊小車的運(yùn)行平穩(wěn)，使帶式輸送機(jī)具有很好的運(yùn)行狀態(tài)。