不同因素對(duì)帶式輸送機(jī)輸送帶應(yīng)力安全的影響分析

張宇超

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤工程（大同）有限責(zé)任公司麻家梁選煤廠，山西 大同 037001）

引言

帶式輸送機(jī)是煤炭篩選運(yùn)輸中進(jìn)行物料輸送的主要設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的高效率輸送，且能滿足煤炭篩選工作的長距離開采需求，在煤礦及其他物料輸送的領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在帶式輸送機(jī)輸送煤炭的過程中，依靠輸送帶與物料之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)物料的輸送，輸送帶的承載力越大，受到的內(nèi)應(yīng)力作用越大[1]。輸送帶多采用彈性介質(zhì)制作而成，在長期的使用過程中，受到較大的內(nèi)應(yīng)力容易造成彈性度降低、張力作用變差，在運(yùn)行過程中容易引起帶式輸送機(jī)的安全事故[2]，不利于煤礦的安全運(yùn)行。針對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行中不同因素對(duì)輸送帶內(nèi)應(yīng)力的作用進(jìn)行仿真分析，從而在帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)使用中選取有利的因素[3]，保證輸送帶的安全，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的穩(wěn)定輸送。

1 帶式輸送機(jī)輸送帶仿真分析模型的建立

帶式輸送機(jī)的主要傳輸結(jié)構(gòu)包括輸送帶、滾筒及托輥，在輸送帶進(jìn)行煤炭的承載輸送時(shí)，滾筒提供輸送帶運(yùn)行的動(dòng)力，托輥對(duì)輸送帶形成支撐，滾筒及托輥直接與輸送帶接觸，對(duì)輸送帶的應(yīng)力作用具有重要的影響[4]。采用RecurDyn 軟件對(duì)輸送帶的應(yīng)力作用進(jìn)行分析，由于輸送帶的彈性作用，通過柔性體MFBD 工具箱對(duì)輸送帶的有限元技術(shù)與動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算[5]。

以某型號(hào)的帶式輸送機(jī)為例進(jìn)行建模，選取的分析段輸送帶長度為1 100 mm、寬度為75 mm，輸送帶采用鋼絲繩芯的橡膠輸送帶。采用三維軟件Pro/E 進(jìn)行帶式輸送機(jī)模型的構(gòu)建，帶式輸送機(jī)長度為10 m，輸送帶寬度為1 m，使用的滾筒的直徑為500 mm。托輥采用V 形支撐的形式[6]，槽型托輥的直徑為120 mm、長度為320 mm，水平托輥的直徑為120 mm、長度為1 100 mm。對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行建模，將模型導(dǎo)入到RecurDyn 軟件中，得到帶式輸送機(jī)的模型如圖1 所示，在軟件中對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理。

圖1 帶式輸送機(jī)模型

在RecurDyn 軟件中對(duì)輸送帶進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，設(shè)定輸送帶采用實(shí)體單元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格的大小為50 mm，通過自動(dòng)網(wǎng)格的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。輸送帶采用鋼絲繩芯橡膠結(jié)構(gòu)[7]，力學(xué)特性較為復(fù)雜，將輸送帶作為各向異性的材料進(jìn)行處理，設(shè)定具有2 個(gè)方向的彈性模量，輸送帶長度方向上的彈性模量為40.3 MPa；由于輸送帶寬度方向上鋼絲繩芯的分布較少，沿輸送帶寬度方向上的彈性模量可以看作橡膠的彈性模量[8]，為7.8 MPa。

帶式輸送機(jī)通過滾筒的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)輸送帶運(yùn)動(dòng)，滾筒及托輥以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主，設(shè)定托輥以自身的軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，滾筒相對(duì)機(jī)架做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶式輸送機(jī)與地面進(jìn)行固定約束[9]。在分析過程中，對(duì)帶式輸送機(jī)添加相應(yīng)的速度-時(shí)間函數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，設(shè)定輸送帶的運(yùn)行速度為2 m/s，通過STEP 函數(shù)進(jìn)行啟?？刂?，設(shè)置分析時(shí)長為6 s，對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中滾筒及托輥對(duì)輸送帶的應(yīng)力作用進(jìn)行分析。

2 不同因素對(duì)輸送帶應(yīng)力安全的仿真分析

2.1 滾筒直徑對(duì)輸送帶應(yīng)力安全的影響分析

滾筒是帶式輸送機(jī)的重要結(jié)構(gòu)，對(duì)輸送帶起到驅(qū)動(dòng)及改向控制的作用，對(duì)輸送機(jī)的安全具有重要的影響。滾筒的直徑是影響帶式輸送機(jī)運(yùn)行的重要因素，特別是直徑的不同，滾筒與輸送帶的接觸區(qū)域不同[10]，從而影響輸送帶的應(yīng)力大小，對(duì)輸送帶的安全作用產(chǎn)生影響。

在模型中分別設(shè)定三種不同直徑的滾筒進(jìn)行仿真分析，滾筒的直徑分別為400 mm、500 mm 及600 mm，在驅(qū)動(dòng)函數(shù)的控制下對(duì)輸送帶的應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算，得到輸送帶的應(yīng)力在輸送帶寬度上的分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出，在輸送帶的寬度方向上，輸送帶的應(yīng)力呈拋物線形態(tài)分布，三種直徑滾筒的輸送帶應(yīng)力分布形態(tài)一致，中間位置的應(yīng)力值最大，兩側(cè)邊的應(yīng)力值逐漸減??；在三種不同的滾筒直徑中，隨著滾筒直徑的增加，則輸送帶的應(yīng)力逐漸減小，400 mm 滾筒直徑的輸送帶應(yīng)力最大，且在整個(gè)輸送帶寬度方向上均大于其他直徑的滾筒。由此可知，輸送帶的應(yīng)力隨著滾筒直徑的增加而減小，在進(jìn)行滾筒的設(shè)計(jì)使用時(shí)，應(yīng)選取較大的滾筒直徑，減小輸送帶的應(yīng)力作用，保證輸送帶的安全使用。

圖2 滾筒直徑對(duì)輸送帶應(yīng)力的影響曲線

2.2 過渡段抬高對(duì)輸送帶應(yīng)力安全的影響分析

在運(yùn)行的過程中輸送帶過渡段通過托輥時(shí)，依靠托輥的支撐改變?yōu)閂 形狀態(tài)，此時(shí)輸送帶的邊緣受到拉力作用，產(chǎn)生了附加的應(yīng)力作用。由于輸送帶的彈性模量較大，在過渡段會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力作用[11]，影響輸送帶的使用安全及壽命。在帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)中，由于滾筒為直筒結(jié)構(gòu)，輸送帶在由滾筒向托輥V形支撐過渡的過程中，滾筒與托輥之間存在著一定的高度差，通過抬高滾筒的高度可以減小輸送帶的變形及應(yīng)力作用[12]，如圖3 所示。

圖3 過渡段抬高示意圖

滾筒抬高的距離h 改變了輸送帶的變形及應(yīng)力作用，對(duì)其大小變化進(jìn)行分析。設(shè)定滾筒的抬高高度分別為30 mm 及60 mm，在初始高度時(shí)對(duì)輸送帶的應(yīng)力作用進(jìn)行分析，經(jīng)過計(jì)算得到輸送帶的應(yīng)力變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，輸送帶的應(yīng)力在寬度方向上的分布形態(tài)一致，整體呈W 形態(tài)的分布，在寬度邊緣方向上的應(yīng)力值較大，且初始沒有抬高時(shí)的應(yīng)力值最大，抬高60 mm 時(shí)的應(yīng)力值最??；在輸送帶逐漸靠近中間位置處時(shí)，輸送帶的應(yīng)力值大幅減小，分布逐漸平緩，且此時(shí)初始滾筒高度時(shí)的應(yīng)力值最小，滾筒抬高60 mm 時(shí)的應(yīng)力值最大。從整體上看，滾筒抬高60 mm 時(shí)輸送帶的應(yīng)力分布較為平緩，在寬度方向上的差值最小，這說明對(duì)滾筒進(jìn)行抬高可以改善輸送帶的應(yīng)力狀態(tài)，提高輸送帶的使用安全。

圖4 抬高高度對(duì)輸送帶應(yīng)力的影響曲線

3 結(jié)語

帶式輸送機(jī)是進(jìn)行煤炭篩選物料輸送的主要設(shè)備，輸送帶在工作過程中的承載較大，輸送帶的應(yīng)力較大，對(duì)輸送帶的使用安全具有較高的要求。在輸送帶運(yùn)行的過程中，滾筒直徑及輸送帶過渡處抬高的大小對(duì)輸送帶的應(yīng)力具有重要的影響。針對(duì)滾筒直徑及過渡處的影響作用，建立帶式輸送機(jī)的模型，采用仿真模擬的形式對(duì)輸送帶的應(yīng)力進(jìn)行模擬仿真。結(jié)果表明，輸送帶的應(yīng)力隨著滾筒直徑的增加而減小，滾筒抬高可以改善輸送帶的應(yīng)力狀態(tài)，在進(jìn)行帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)使用時(shí)，應(yīng)選取較大的滾筒直徑，對(duì)滾筒進(jìn)行抬高處理，從而減小輸送帶的應(yīng)力，保證輸送帶使用的安全性。