下運(yùn)帶式輸送機(jī)防飛車阻尼托輥設(shè)計(jì)

摘 要：本文針對(duì)下運(yùn)帶式輸送機(jī)飛車問題提出了一種防飛車阻尼托輥設(shè)計(jì)方案，分析了離心裝置在托輥運(yùn)行中的動(dòng)力學(xué)過程，進(jìn)行了阻尼托輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用Adams軟件對(duì)其工作過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，解決了求解離心機(jī)構(gòu)彈簧剛度的核心問題。動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果表明，防飛車阻尼托輥可有效防止帶式輸送機(jī)超速運(yùn)行，并避免飛車事故發(fā)生。

關(guān)鍵詞：下帶式輸送機(jī)；防飛車；阻尼托輥；動(dòng)力學(xué)仿真

中圖分類號(hào)：TD 528" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 帶式輸送機(jī)飛車存在的問題

帶式輸送機(jī)飛車是指向下運(yùn)輸?shù)膸捷斔蜋C(jī)傳動(dòng)條件失效，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)力矩短時(shí)間內(nèi)急劇下降，帶式輸送機(jī)在物料自重作用下急劇加速運(yùn)行的現(xiàn)象。帶式輸送機(jī)是一種大慣量設(shè)備，飛車會(huì)造成膠帶斷裂、機(jī)械部件損壞等事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生人身傷亡事故[1]。

為避免該類事故發(fā)生，本文設(shè)想在帶式輸送機(jī)托輥上增設(shè)阻尼裝置，當(dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生飛車或者有飛車傾向時(shí)，阻尼裝置即產(chǎn)生制動(dòng)力，防止帶式輸送機(jī)速度過快，發(fā)生飛車事故，并能保證在正常帶速下帶式輸送機(jī)的托輥?zhàn)枇εc正常托輥相當(dāng)。

2 離心式阻尼托輥方案

防飛車離心阻尼托輥結(jié)構(gòu)如圖1所示，基本結(jié)構(gòu)與常規(guī)托輥基本一致，只是增加了限速機(jī)構(gòu)。托輥主要由輥皮、軸承座、軸承、密封和托輥軸組成。限速機(jī)構(gòu)由限速機(jī)構(gòu)基殼、錐面離心塊、彈簧、銷軸、壓蓋、錐面壓盤、摩擦片和摩擦片轂等部分組成?；鶜づc輥皮連為一體隨輥皮轉(zhuǎn)動(dòng)?；鶜?nèi)設(shè)置空心的錐面離心塊，離心塊經(jīng)銷軸與基殼連接，在離心力作用下可沿輥?zhàn)訌较蛞苿?dòng)。離心塊內(nèi)部設(shè)置壓縮彈簧并套裝在銷軸上。錐面壓盤經(jīng)3條銷軸螺釘2與基殼連接，并能沿輥?zhàn)虞S向移動(dòng)。摩擦片固定在摩擦片轂上，摩擦片轂與托輥軸通過鍵連接。

從阻尼托輥的結(jié)構(gòu)可以看出，限速機(jī)構(gòu)除了摩擦片轂和摩擦片外均與輥體相連并隨輥體轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦片轂和摩擦片則與托輥軸通過鍵連接并與輥體保持相對(duì)靜止，整體結(jié)構(gòu)與普通托輥大體一致。因此只要保證外形安裝尺寸與標(biāo)準(zhǔn)輥?zhàn)右恢?，若干個(gè)限速托輥就可以組成各種槽型的托輥組，滿足帶式輸送機(jī)各種工況的需要。此外，限速機(jī)構(gòu)只在超速過程中動(dòng)作，在正常工況下不動(dòng)作，對(duì)摩擦制動(dòng)機(jī)構(gòu)來說具有實(shí)用價(jià)值。如果摩擦制動(dòng)機(jī)構(gòu)一直動(dòng)作，對(duì)摩擦片材料和托輥的空間散熱性要求太高，就會(huì)造成長距離輸送機(jī)大量托輥的可靠性降低和輥?zhàn)又睆竭^大不具備產(chǎn)業(yè)化條件的問題。

在目前市面上常見的阻尼托輥中，無論輸送機(jī)是否超速，其制動(dòng)阻力始終存在，輸送機(jī)的運(yùn)行阻力增加，造成了電能浪費(fèi)和輸送帶無效磨損。上述對(duì)阻尼托輥的設(shè)計(jì)是為了防止飛車事故發(fā)生，并在正常運(yùn)行情況下不增加輸送機(jī)正常運(yùn)行阻力。

正常工況下，托輥輥皮外圓線速度與輸送帶保持一致且不超過設(shè)定速度值v0。此時(shí)，限速機(jī)構(gòu)彈簧壓縮力與離心塊的離心力平衡，限速機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。當(dāng)帶式輸送機(jī)飛車事故發(fā)生時(shí)，托輥旋轉(zhuǎn)速度超過設(shè)定值，離心塊離心力大于彈簧力沿徑向向外移動(dòng)，推動(dòng)錐面壓盤沿軸向向外運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)壓盤與摩擦片接觸，形成接觸力Fq，即與旋轉(zhuǎn)輥皮連接的基殼與固定托輥軸連接的摩擦片間產(chǎn)生了制動(dòng)力矩Mf。該制動(dòng)力矩可使輥體轉(zhuǎn)速降低，從而達(dá)到制動(dòng)減速的目的。

3 計(jì)算分析

為了求解離心塊與離心壓緊塊（壓盤）間的接觸碰撞力、離心壓緊塊（壓盤）與摩擦片間的接觸碰撞力，需要用到多體動(dòng)力學(xué)理論。Adams中的接觸約束有2種，一種是碰撞約束，表示2個(gè)物體不接觸-接觸-分離的過程；另一種是連續(xù)碰撞接觸，可以將2個(gè)接觸的物體抽象成彈簧形式。當(dāng)離心阻尼裝置中的離心力大到一定程度時(shí)，離心塊與離心壓緊塊、離心壓緊塊（壓盤）與摩擦片間處于連續(xù)接觸的狀態(tài)，采用第二種連續(xù)的接觸進(jìn)行接觸定義，利用IMPACT函數(shù)法來計(jì)算2個(gè)物體間的接觸力[2]。

當(dāng)考慮運(yùn)動(dòng)副的間隙作用時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中的運(yùn)動(dòng)副元素間的摩擦力（間隙運(yùn)動(dòng)副元素間的切向接觸力）不可忽略。在眾多的摩擦模型中，最基本的就是Coulomb靜態(tài)摩擦力模型，如公式（1）所示。

Ft=μdFn " " " " " " " " " " " （1）

式中：Ft為法向接觸碰撞力；μd為滑動(dòng)摩擦系數(shù)；Fn為法向正壓力。

利用上述最基本的Coulomb摩擦模型得出的摩擦力與2個(gè)運(yùn)動(dòng)副元素的相對(duì)切向速度沒有關(guān)系，因此無法處理在不同切向速度下出現(xiàn)的不同摩擦狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換問題。在離心阻尼裝置中，由于離心塊與離心壓緊塊、離心壓緊塊與摩擦片間存在相對(duì)速度，因此分析該摩擦效應(yīng)時(shí)，需要另一種摩擦力算法，如公式（2）所示。

式中：cd為動(dòng)態(tài)修正系數(shù)；v為實(shí)時(shí)速度的矢量。

cd如公式（3）所示。

式中：v0為靜摩擦臨界速度；vm為動(dòng)摩擦臨界速度；vt為實(shí)時(shí)速度。

在上述變量中，法向接觸力可由公式（1）求得，其余各符號(hào)變量以參數(shù)形式輸入Adams軟件中，利用求解器進(jìn)行求解，得到離心塊與離心壓緊塊、離心壓緊塊與摩擦片間的摩擦力。由于這些構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，因此本次求解得到的是摩擦力矩Mf，進(jìn)而產(chǎn)生制動(dòng)效果。

本文設(shè)計(jì)的離心阻尼裝置適用于φ159mm的托輥輥?zhàn)樱S孔為φ40mm。為了布置限速機(jī)構(gòu)，需要將輥?zhàn)拥妮S承座沿軸向向中心移動(dòng)，移動(dòng)的距離需要滿足限速機(jī)構(gòu)的功能要求，即布置空間要充足，尤其是離心塊的質(zhì)量不能太小。并且移動(dòng)距離也不能太大，否則輥?zhàn)虞S承的受力狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，影響輥?zhàn)拥氖褂脡勖?，?duì)帶式輸送機(jī)這種長時(shí)間連續(xù)工作的設(shè)備不利。在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過不斷放樣，初步確定軸向移動(dòng)距離為60mm，能夠具備布置限速機(jī)構(gòu)的條件。完成結(jié)構(gòu)改變后，采用樣機(jī)試驗(yàn)的方式對(duì)輥?zhàn)訅勖挠绊戇M(jìn)行檢驗(yàn)。將離心塊設(shè)計(jì)成沿圓周方向均布的3個(gè)圓心角為120°的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在離心塊弧中心位置開孔，用于布置彈簧、導(dǎo)向銷等零件。離心塊的外側(cè)面為8°錐面，與壓盤的外側(cè)8°錐面配合，當(dāng)離心塊甩出時(shí)，可推動(dòng)壓盤沿軸向移動(dòng)并壓緊摩擦片。導(dǎo)向銷為三段式結(jié)構(gòu)，中間導(dǎo)向部分直徑為φ12mm，下部與上部為M8螺紋，分別用于連接離心塊和調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量。摩擦片為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)與摩擦片轂由螺栓連接，外側(cè)與壓盤和外殼直接接觸。

在上述空間布置條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用creo進(jìn)行三維建模，采用Q235B材質(zhì)，離心塊質(zhì)量最大為0.6kg。摩擦片材質(zhì)采用浸漬金屬石墨，彈簧采用65Mn。利用Adams軟件進(jìn)行仿真，將輥?zhàn)优c限速機(jī)構(gòu)外殼合并為一個(gè)零件，離心塊與輪轂間采用移動(dòng)副，摩擦片、摩擦片轂和托輥軸合并為一個(gè)零件。

假設(shè)在皮帶機(jī)正常運(yùn)行過程中，托輥線速度為3.15m/s，當(dāng)托輥的線速度超過3.465m/s（對(duì)應(yīng)角速度為47rad/s）時(shí)，視為飛車發(fā)生。此時(shí)，圖1中的離心塊因離心力大于彈簧的壓縮力而向外移動(dòng)，同時(shí)與離心壓緊塊相互擠壓、碰撞，產(chǎn)生接觸力，離心壓緊塊在接觸力的作用下沿軸向移動(dòng)，開始碰撞、擠壓固定不動(dòng)的摩擦片。離心壓緊塊與摩擦片產(chǎn)生法向接觸力和摩擦制動(dòng)力矩，進(jìn)而將托輥速度降至正常速度以下。

為了模擬上述工況，對(duì)輥?zhàn)邮┘右粋€(gè)角速度ω，由0rad/s升至47rad/s。利用Adams軟件對(duì)離心阻尼裝置的接觸力和摩擦力進(jìn)行求解。假設(shè)發(fā)生飛車后的20s托輥的速度降至安全范圍內(nèi)，在Adams中模擬離心阻尼裝置的啟動(dòng)加速過程。鑒于加速時(shí)間越長，求解速度越慢，為了簡化計(jì)算，選擇在0s～10s，將離心阻尼裝置的角速度由0rad/s升至47rad/s（對(duì)應(yīng)線速度為3.6m/s）。離心壓緊塊與摩擦片的摩擦力矩Mf的求解結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在10s～12s，摩擦力矩為最大值，約為40N·m，離心塊與摩擦片碰撞接觸力為最大值。10s～12s以后摩擦力矩開始下降，制動(dòng)開始，離心阻尼裝置的角速度降低，離心塊的離心力降低并開始回落，導(dǎo)致離心塊與離心壓緊塊的接觸力下降。測量離心塊的角速度如圖3所示。

由圖3可知，離心塊的角速度變化趨勢一致，在0s～12s加速至47rad/s，速度陡然上升，表明發(fā)生了飛車。此時(shí)，各個(gè)離心塊被甩到最外面的位置，接觸力為最大。在12s～35s，離心塊的角速度開始降低，制動(dòng)開始，35s以后，速度為正常值，制動(dòng)時(shí)間大致為23s。對(duì)離心塊角速度進(jìn)行測量驗(yàn)證了上述結(jié)論，同時(shí)也驗(yàn)證了多體動(dòng)力學(xué)模型的正確性。最后通過求解彈簧的變形量和彈力得到彈簧的剛度系數(shù)。

求解圖形限于篇幅原因不再詳細(xì)表述，僅描述結(jié)論。經(jīng)過求解可知彈簧的變形量與彈力趨勢一致，說明求解結(jié)果正確，并且彈簧變形量為負(fù)值，說明彈簧處于被壓縮狀態(tài)。3個(gè)離心塊在離心阻尼裝置中呈120°對(duì)稱均布，在彈簧跟隨離心阻尼裝置轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度會(huì)時(shí)刻變化，導(dǎo)致離心力波動(dòng)，加上彈簧自身的慣性，彈簧的形變量和彈力曲線也產(chǎn)生波動(dòng)，但是能大致穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，從趨勢上證明了結(jié)果計(jì)算的正確性。

此外，彈簧的變形量在10s～12s為最大值6.6mm，此時(shí)的離心塊角速度最大，離心力最大，彈簧處于被壓縮狀態(tài)，制動(dòng)開始。在12s～35s彈簧的變形量與離心塊角速度變化趨勢一致，符合要求。利用上述彈簧變形量與彈力曲線可得變形量與彈力間的線性關(guān)系，如公式（4）所示。

F=kx （9）

式中：k為彈簧的剛度系數(shù)；x為彈簧形變量。

求出彈簧剛度系數(shù)為4.5N/mm，可以認(rèn)為當(dāng)彈簧的剛度系數(shù)取值4～5時(shí)，均可以使離心阻尼裝置取得不錯(cuò)的制動(dòng)效果。

4 結(jié)論

在正常運(yùn)行情況下，阻尼托輥可作為普通托輥正常運(yùn)行，不會(huì)增加輸送機(jī)正常運(yùn)行阻力。當(dāng)帶速增至3.6m/s（超速15%）時(shí)，阻尼托輥開始制動(dòng)。此外，雙速制動(dòng)托輥制動(dòng)不需要外接控制，簡單可靠，不會(huì)損壞輸送帶和帶扣，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，易于維護(hù)且通用性強(qiáng)，十分適用于下運(yùn)帶式輸送機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]王光炳.淺析下運(yùn)帶式輸送機(jī)的制動(dòng)與起動(dòng)[J].煤礦機(jī)電，2001（1）：31-34.

[2]鄭相周，唐國元.機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2010.