長距離帶式輸送機自動張緊裝置設計參數的確定

李江峰，王 堅，李天宇

（1.陽泉煤業集團 華越機械有限公司，山西 陽泉 045000；2.華電重工股份有限公司，北京 100044）

0 引言

張緊裝置是帶式輸送機不可或缺的重要組成部分，隨著其應用范圍的不斷擴大，從傳統的純機械張緊到張緊力半自動可調，發展到張緊力完全自動可調。對于中、短距離的帶式輸送機采用傳統的張緊裝置即可，而對于長距離、大運量帶式輸送機傳統張緊裝置已經無法滿足其正常運行的要求。因此，研究開發出一種滿足輸送機穩、動態運行工況要求，具有較高安全性與可靠性的新型自動張緊系統以適應帶式輸送機發展的需求是非常必要的。

1 帶式輸送機正常運行時張緊力的分析

帶式輸送機在穩定運行工況下，通過逐點張力法確定輸送帶各特性點的張力。首先確定整個輸送系統傳動滾筒奔離點松邊張力。為保證整個輸送系統的正常運行，傳動滾筒松邊張力S松為：

其中：F U為驅動滾筒上的牽引力；μ為輸送帶與傳動滾筒之間的模擬摩擦系數；αN為輸送帶與傳動滾筒的滑動圍包角，rad。

輸送帶張力不僅要滿足傳動滾筒不打滑條件，而且還要滿足輸送帶在兩托輥之間懸垂度的要求，為了使輸送機平穩運轉，輸送帶在兩托輥之間的懸垂度不應超過限定值。滿足懸垂度條件的輸送帶最小張力Fmin計算如下 ：

其中：a0為承載上托輥間距（最小張力處）；q B為每米長度輸送帶質量，kg／m；q G為每米長度輸送物料質量，kg／m；h r為允許最大下垂度，一般h r≤0.01；a u為回程下托輥間距（最小張力處）；g為重力加速度。

傳動滾筒奔離點張力（松邊張力）由輸送帶不打滑條件和輸送帶在兩托輥間的懸垂度共同決定，當傳動滾筒松邊張力確定以后，根據逐點張力計算法就可以求出整個輸送系統各特性點的張力。由計算出的輸送帶各特性點張力就能求得輸送機正常運行時所需要的張緊力P0：

其中：Szy為張緊滾筒相遇點輸送帶的張力，N；Szf為張緊滾筒分離點輸送帶的張力，N。

2 帶式輸送機啟動過程中張緊力的分析

帶式輸送機在啟動過程中，由于速度不斷變化，輸送帶除受到靜張力的作用外，還受到附加動張力的影響。因此，在啟動工況下運行，需增加輸送帶驅動牽引力以平衡動張力。建立的輸送系統啟動工況下的力學模型為：

其中：W0為系統的靜態運行阻力，N；∑m為輸送系統的總變位質量，kg；a s為系統的啟動加速度，m／s2。

在啟動工況時，松邊張力S′松為：

在啟動過程中，輸送帶與驅動滾筒的滑動圍包角αN增大，并且很有可能超過輸送機穩定運行時所要求的最大滑動角α′N，但其作用時間與輸送機整個工作周期相比是非常短暫的。也就是說允許短期內滑動圍包角αN有所增大，但是不允許超過圍包角α，需要留一定的安全系數。滑動圍包角增大自然會使輸送系統驅動力增大，但是由于滑動圍包角增大有一定的范圍限制，因此，若要繼續增大輸送系統驅動力就需要增大輸送帶松邊張力S′松。

通常情況下，把輸送機啟動時的驅動力與穩定運行時驅動力的比值稱為啟動系數，即：

其中：F′U為輸送機啟動工況下的驅動力，N；λ′、λ分別為輸送機啟動和正常運行工況下的安全系數。

式（7）反映了輸送帶松邊張力比與啟動系數的關系，根據不同的啟動和正常運行時的摩擦牽引力備用系數，可以得到輸送機張緊系統的張緊力比值。一般情況下，自動張緊系統所能提供的啟動時的張緊力應該是正常運行時張緊力的1.4倍～1.8倍。

3 帶式輸送機制動過程中張緊力的分析

在輸送機制動過程中，電動機不再向驅動滾筒輸出扭矩，輸送帶在驅動滾筒上產生了與運動方向相反的彈性滑動，由于慣性力的存在會使輸送帶緊邊張力S緊減小，松邊張力S松增大，此時驅動滾筒上會產生由摩擦傳遞的制動力F z：

由于摩擦傳動仍然滿足歐拉公式，因此有：

在輸送機制動時輸送帶的力平衡方程為：

其中：a F為輸送機制動時制動減速度，m／s2。

綜合式（9）、式（10）得：

由式（11）可知，松邊張力S松與制動減速度a F有關，若a F增大，則松邊張力值S松也相應調高，輸送機會很快停止運行，但過大的輸送帶張力會引起斷帶事故的發生。

帶式輸送機在制動工況下，驅動滾筒的摩擦牽引力減小，其制動慣性阻力方向正好與啟動慣性阻力相反。在輸送機停止工作以后，為延長其使用壽命，只需提供較低張力。因此，在制動工況下，張緊裝置所提供的張緊力要小于正常運行時的張緊力，一般為正常運行工況下的0.9倍左右。

4 帶式輸送機張緊行程的確定

在確定帶式輸送機的張緊行程時需要從以下幾個方面進行考慮：①須留有足夠的長度來滿足輸送帶進行接頭的需要；②補償輸送帶塑性變形引起的永久性伸長的行程；③補償輸送帶彈性伸長的行程。

輸送機在不同的運行工況下輸送帶的彈性伸長是不同的，一般情況下，輸送機在啟動和正常運行時的張緊行程比停機時要大。計算張緊行程的方法有基于逐點張力的計算方法和基于動態分析的計算方法。基于逐點張力的計算方法是通過輸送機在各種工況下對輸送帶最小張力的要求，計算出相應工況下輸送帶的各特性點張力和彈性變形量，進而得出輸送帶在各種工況下的彈性伸長行程。

任何通過逐點張力計算法得到的輸送帶各特性點張力都可以表示為圖1所示的曲線。圖1中，i、i＋1為輸送帶上張力變化的兩個臨近點，各點張力分別表示為Si、Si＋1，在i到i＋1區間上輸送帶的長度為L i，在各區間上輸送帶的張力是呈線性變化的。

圖1 輸送帶的張力曲線

在區間［i，i＋1］上，輸送帶的能量U i為：

輸送帶的總能量U為：

輸送帶總的彈性伸長量ΔL為：

其中：E為輸送帶的彈性模量；B為帶寬，m。

進一步考慮輸送帶在兩托輥間懸垂度變化的影響，輸送帶總的彈性伸長量為：

其中：δi為第i段的輸送段傾角；a i為第i段的托輥間距，m；L i為第i段的輸送帶長度，m；q i為第i段的輸送帶單位長度質量，當有載時包括物料的單位長度質量，kg／m。

在實際的帶式輸送機設計中，應用此方法計算輸送帶的彈性伸長量比較麻煩，膠帶的彈性模量也難以確定，輸送帶的生產廠家一般也并未給出。因此一般采用一種近似的計算方法去確定輸送機的張緊行程，該方法在實際應用中能夠滿足要求。帶式輸送機張緊裝置的總行程包括安裝行程l1和工作行程l2。

（1）安裝行程l1：安裝行程是根據輸送帶損壞重新接頭所需要的預留長度和張緊裝置本身結構尺寸所確定的。一般按下式計算：

其中：n為預做接頭個數；l f每個接頭的長度；l a為張緊裝置本身的結構尺寸。

（2）工作行程l2：工作行程主要指輸送機張緊滾筒的位移，它與輸送機所采用的啟、制動方式以及輸送帶的類型等因素有關，可按下式計算：

其中：ε為輸送帶的伸長率（永久伸長率和彈性伸長率），一般由廠家給出，帆布帶取0.01～0.015，尼龍帶取0.022～0.027，整芯帶取0.015～0.03，鋼絲繩芯帶取0.002 5；εl為輸送帶在兩托輥間的懸垂度，一般取0.001；L為輸送機長度。

5 結論

本文分析了長距離帶式輸送機在啟動、制動及穩定運行工況下輸送帶所需要的張緊力，并給出了帶式輸送機張緊行程的確定方法，對長距離帶式輸送機進行液壓自動張緊裝置的設計或選型計算有一定的指導意義。

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