礦用帶式輸送機(jī)多工況縱向振動(dòng)特性研究*

鄧永勝

(山西焦煤西山煤電斜溝煤礦，山西 太原 030024)

0 引 言

隨著煤礦開(kāi)采量增加，長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)已逐漸成為煤礦物料輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備，在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著極其重要的作用[1-2]。由于帶式輸送機(jī)所處的環(huán)境比較惡劣，工況比較復(fù)雜， 受載多樣，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中縱向振動(dòng)特性比較復(fù)雜。帶式輸送機(jī)的縱向振動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致輸送帶運(yùn)行不平穩(wěn)，容易造成撒料，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)的運(yùn)量降低。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)帶式輸送機(jī)的研究主要是對(duì)某些關(guān)鍵部件進(jìn)行損壞檢測(cè)，對(duì)帶式輸送機(jī)縱向振動(dòng)特性的研究是以輸送帶作為關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，主要是對(duì)其張力進(jìn)行分析[3]。

為此，筆者結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況，分析了帶式輸送機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，采用數(shù)值模擬分析方法對(duì)帶式輸送機(jī)不同工況下的縱向振動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，最終得出帶式輸送機(jī)在不同工況下的縱向振動(dòng)規(guī)律，為后期帶式輸送機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成與參數(shù)特征

帶式輸送機(jī)是由驅(qū)動(dòng)裝置、張緊裝置、輸送帶、支撐裝置、滾筒等部件組成的一個(gè)比較復(fù)雜的物料輸送系統(tǒng)，主要用于散料的輸送。根據(jù)煤礦不同的物料輸送要求，在電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器和變頻的選型方面也有所不同[4]。文中以煤礦實(shí)際應(yīng)用中使用的主井強(qiáng)力帶式輸送機(jī)作為研究和分析的對(duì)象，該主井的斜井總長(zhǎng)度為1 440 m，選用的是DTL-160/300/4×1400型強(qiáng)力皮帶機(jī)，實(shí)際的運(yùn)輸能力為3 000 t/h，輸送帶的寬度為1 600 m，輸送帶的運(yùn)輸速度為5 m/s。目前該套帶式輸送機(jī)采用的是雙滾筒四電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中使用的四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元是相同的，輸送機(jī)總的長(zhǎng)度為1 440 m，電動(dòng)機(jī)的功率為1 400 kW，驅(qū)動(dòng)滾筒的直徑為2 000 m，如表1所列為帶式輸送機(jī)的基本參數(shù)特征和指標(biāo)。

表1 帶式輸送機(jī)參數(shù)特征與指標(biāo)

此帶式輸送機(jī)的實(shí)際適配物料的粒度在0～300 mm，堆重比為0.9 t/m3，制動(dòng)器的型號(hào)為4×SHI201-1600，制動(dòng)力矩為360 kN·m。隨著煤礦開(kāi)采量的不斷增加，煤礦帶式輸送機(jī)向著大運(yùn)量方向發(fā)展，此外帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)輸物料過(guò)程會(huì)存在不同的運(yùn)行工況，為此需要對(duì)帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行分析，從而建立帶式輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型。

2 帶式輸送機(jī)工況分析

帶式輸送機(jī)是常用的一種物料輸送機(jī)電設(shè)備，在煤礦、礦山、碼頭和港口等場(chǎng)合應(yīng)用非常廣泛[5]。一般而言，需要根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行合理布置，根據(jù)帶式輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向可以分為上運(yùn)帶式輸送機(jī)、下運(yùn)帶式輸送機(jī)、水平帶式輸送機(jī)等不同的布置形式，根據(jù)輸送帶是否滿(mǎn)載可以分為空載運(yùn)行工況、滿(mǎn)載工況。

(1) 空載運(yùn)行工況分析

空載運(yùn)行工況是指帶式輸送機(jī)輸送帶上沒(méi)有物料，一般而言是帶式輸送機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)僅受到皮帶自重的作用，皮帶沒(méi)有物料的作用，此時(shí)帶式輸送機(jī)的突然啟動(dòng)會(huì)引起輸送帶突然性地振動(dòng)，輸送帶內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生比較大的張力作用，出現(xiàn)張力峰值，造成結(jié)構(gòu)的損壞[6]。

(2) 滿(mǎn)載運(yùn)行工況分析

滿(mǎn)載運(yùn)行工況是指帶式輸送機(jī)啟動(dòng)后，落料裝置將散裝物料落在皮帶上，由皮帶拖動(dòng)物料向前輸送，此時(shí)輸送帶受到物料的作用力和托輥對(duì)輸送帶的支撐力作用，受力情況比較復(fù)雜。根據(jù)帶式輸送機(jī)承載分支和回程分支的彈性波的波速相關(guān)理論可得到如表2所列的結(jié)果[7]。

表2 輸送帶的波速與相關(guān)參數(shù)對(duì)比

從表2中可知，滿(mǎn)載工況下承載分支的振動(dòng)頻率比較小，所以進(jìn)行振動(dòng)特性分析時(shí)，需對(duì)振動(dòng)分析對(duì)象進(jìn)行合理選擇，比如在分析空載啟動(dòng)振動(dòng)特性時(shí)不需要分析空載承載分支的固有頻率。

3 帶式輸送機(jī)縱向振動(dòng)特性數(shù)值模擬

3.1 空載啟動(dòng)工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

首先，對(duì)帶式輸送機(jī)在空載啟動(dòng)工況下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬分析，在帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)位置處添加驅(qū)動(dòng)力矩，并且分別設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間為10 s和20 s，分析不同啟動(dòng)時(shí)間下的響應(yīng)特性，得到如圖1所示的啟動(dòng)時(shí)間為10 s的縱向振動(dòng)特性和圖2所示的啟動(dòng)時(shí)間為20 s的振動(dòng)棒特性規(guī)律。

圖1 空載工況下的啟動(dòng)時(shí)間為10 s時(shí)的縱向振動(dòng)規(guī)律

圖2 空載工況下的啟動(dòng)時(shí)間為20 s時(shí)的縱向振動(dòng)規(guī)律

從圖1、2中可以看出，帶式輸送機(jī)在空載啟動(dòng)且啟動(dòng)時(shí)間為10 s時(shí)，拋物線(xiàn)的加速度控制曲線(xiàn)的最大動(dòng)位移為28 m，空載啟動(dòng)時(shí)間為20 s時(shí)，加速度控制曲線(xiàn)的最大動(dòng)位移為14 mm。從中可以得出，在不同啟動(dòng)時(shí)間下帶式輸送機(jī)的運(yùn)行動(dòng)位移存在差異，啟動(dòng)用時(shí)越長(zhǎng)帶式輸送機(jī)的縱向振動(dòng)幅度越小，帶式輸送機(jī)運(yùn)行越平穩(wěn)，所以為了保證帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)可以適當(dāng)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，達(dá)到平穩(wěn)啟動(dòng)的目的。

3.2 滿(mǎn)載運(yùn)行工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

帶式輸送機(jī)在滿(mǎn)載工況下時(shí)，輸送帶還會(huì)受到物料的重力作用，該工況下輸送帶受力更加復(fù)雜。通過(guò)驅(qū)動(dòng)滾筒對(duì)輸送帶施加驅(qū)動(dòng)力矩將克服輸送帶與物料之間的摩擦力做功，對(duì)滿(mǎn)載運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析，可得到如圖3、4所示分析結(jié)果。

圖3 滿(mǎn)載工況下啟動(dòng)時(shí)間10 s帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖4 滿(mǎn)載工況下啟動(dòng)時(shí)間20 s帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

從圖3、4的分析結(jié)果可知，帶式輸送機(jī)在滿(mǎn)載工況下的動(dòng)態(tài)特性和在空載工況下的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)大致相同，帶式輸送機(jī)在滿(mǎn)載工況下結(jié)構(gòu)的縱向振動(dòng)的幅度明顯比空載下的振動(dòng)幅度要大，表明空載啟動(dòng)的特性比滿(mǎn)載啟動(dòng)的特性更好。當(dāng)在拋物線(xiàn)加速度控制曲線(xiàn)下，啟動(dòng)時(shí)間為10 s時(shí)的最大動(dòng)位移為43 mm，啟動(dòng)時(shí)間為20 s時(shí)的最大動(dòng)位移為36 mm，啟動(dòng)動(dòng)位移表現(xiàn)為規(guī)律性地上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度大致相等，從中可以看出啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)使振動(dòng)的最大動(dòng)位移降低。

綜上所述，通過(guò)對(duì)空載啟動(dòng)工況和滿(mǎn)載工況下的帶式輸送機(jī)的縱向振動(dòng)特性進(jìn)行分析可以得到，延長(zhǎng)啟動(dòng)周期可以有效降低輸送帶的動(dòng)態(tài)位移，也就是說(shuō)，為了保證帶式輸送機(jī)啟動(dòng)的平穩(wěn)性，可以適當(dāng)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，減少動(dòng)位移，此方式可以在一定程度上減小輸送帶自身所受到的交變應(yīng)力作用，不僅可以使輸送帶啟動(dòng)更加平穩(wěn)，而且還有助于提高輸送帶的使用壽命。

4 結(jié) 語(yǔ)

帶式輸送機(jī)是重要的礦山物料輸送機(jī)電設(shè)備，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。針對(duì)帶式輸送機(jī)在不同工況下的受載復(fù)雜、振動(dòng)特性未知、輸送帶交變應(yīng)力較大等問(wèn)題，文中分析了帶式輸送機(jī)的不同工況，對(duì)帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)和滿(mǎn)載兩種工況下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：帶式輸送機(jī)在兩種工況下的動(dòng)位移規(guī)律大致相同，帶式輸送機(jī)在空載工況下的動(dòng)位移明顯比滿(mǎn)載工況下的動(dòng)位移要小，表明空載啟動(dòng)的穩(wěn)定性比滿(mǎn)載啟動(dòng)的穩(wěn)定性更好。為了改善帶式輸送機(jī)的受力、延長(zhǎng)帶式輸送機(jī)的使用壽命，應(yīng)盡可能避免其在滿(mǎn)載工況下啟動(dòng)，可以通過(guò)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，減小系統(tǒng)的動(dòng)位移和皮帶所受的交變應(yīng)力作用實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)。