大型帶式輸送機(jī)滿載工況下的動(dòng)態(tài)特性研究

秦文光，趙東升，代衛(wèi)衛(wèi)

（山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西 河津 043300）

0 引言

“十二五”期間，我國(guó)年產(chǎn)千萬(wàn)噸級(jí)礦井將超過(guò)20余座。帶式輸送機(jī)作為現(xiàn)代化大型礦井的主要提升設(shè)備，對(duì)其性能要求也越來(lái)越高。由于大型礦井綜采工作面的生產(chǎn)效率不斷提高，相應(yīng)的順槽可伸縮帶式輸送機(jī)也開(kāi)始朝著運(yùn)距長(zhǎng)、運(yùn)量大、自動(dòng)化程度高的方向發(fā)展。為滿足現(xiàn)代大型礦井生產(chǎn)的需要，帶式輸送機(jī)應(yīng)具備響應(yīng)速度快、伸縮距離大、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。在帶式輸送機(jī)的各部件中，輸送帶負(fù)責(zé)承載和運(yùn)輸物料，是帶式輸送機(jī)的主要部件之一，輸送帶的物理性質(zhì)會(huì)直接影響帶式輸送機(jī)的工作性能。目前，煤礦井下所使用的帶式輸送機(jī)長(zhǎng)達(dá)幾公里，對(duì)于這種長(zhǎng)距離的帶式輸送機(jī)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)皮帶滿載停車和啟動(dòng)等工況，在這種過(guò)程中輸送帶的動(dòng)張力會(huì)發(fā)生很大的變化。為保證帶式輸送機(jī)緊急工況下的可靠性和安全性，對(duì)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)輸送帶的滿載啟動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)張力進(jìn)行研究具有重要的意義。

1 長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的有限元?jiǎng)澐?/h2>

1.1 輸送帶力學(xué)特性的分析

輸送帶主要由骨架（帶芯）和上、下表面覆蓋層組成，如圖1所示。帶芯是輸送帶的主要部分，輸送帶工作時(shí)，帶芯承受輸送帶的全部負(fù)荷，這就要求帶芯的材料必須具有一定的剛度和強(qiáng)度。

輸送帶所表現(xiàn)出來(lái)的靜態(tài)特性可以通過(guò)靜應(yīng)力σ和靜應(yīng)變?chǔ)?之間的關(guān)系來(lái)反映：

輸送帶的動(dòng)態(tài)特性主要體現(xiàn)在：應(yīng)力－應(yīng)變之間的非線性關(guān)系、蠕變特性、松弛特性和頻率特性。其中蠕變?nèi)崃亢退沙谀?shù)是最能體現(xiàn)輸送帶黏彈性力特性的物理量。對(duì)于黏性材料而言，當(dāng)施加單向階躍應(yīng)力載荷時(shí)，其應(yīng)變?yōu)椋?/p>

其中：F（t）為蠕變?nèi)崃?，反映的是施加單位階躍應(yīng)力載荷時(shí)材料的蠕變響應(yīng)。反之，當(dāng)輸入單位階躍應(yīng)變載荷時(shí)，應(yīng)力為：

其中：E（t）為松弛模數(shù)，反映的是施加單位階躍應(yīng)變載荷時(shí)材料的松弛響應(yīng)。

圖1 輸送帶的結(jié)構(gòu)組成

1.2 輸送帶力學(xué)模型的選擇和有限元?jiǎng)澐?/h3>

通過(guò)對(duì)輸送帶的力學(xué)特性分析，進(jìn)行輸送帶力學(xué)模型有限元?jiǎng)澐謺r(shí)，我們將輸送帶離散為Kelvin 模型。該模型由質(zhì)量塊、剛度彈簧元件以及阻尼元件組成，其中質(zhì)量塊代表單位長(zhǎng)度輸送帶和物料的質(zhì)量；剛度彈簧元件和阻尼元件反映輸送帶的黏彈性力學(xué)特性，輸送帶的Kelvin模型如圖2所示，其數(shù)學(xué)關(guān)系式可以寫成為：

其中：B 為輸送帶的寬度；Ei為輸送帶的彈性模量；Li為輸送帶單元的長(zhǎng)度；τ為輸送帶的流變常數(shù)。

1.3 帶式輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的搭建

利用有限元分析法搭建帶式輸送機(jī)的離散動(dòng)力學(xué)模型，把輸送帶劃分成多個(gè)Kelvin模型單元，如圖3所示。

圖2 輸送帶的Kelvin模型

圖3 帶式輸送機(jī)離散動(dòng)力學(xué)模型

2 動(dòng)態(tài)特性研究

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

本文所研究的帶式輸送機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 帶式輸送機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2.2 滿載啟動(dòng)輸送帶的動(dòng)態(tài)特性研究

通過(guò)建立的帶式輸送機(jī)離散動(dòng)力學(xué)模型對(duì)帶式輸送機(jī)滿載啟動(dòng)工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究，得到了滿載工況下整條輸送帶的速度、位移、張力特性曲線。滿載啟動(dòng)時(shí)，整條輸送帶的速度曲線如圖4所示。在圖4中，X 軸表示整條輸送帶的離散單元數(shù)，Y 軸表示啟動(dòng)時(shí)間，Z 軸表示輸送帶速度的大小。由圖4可以看出，在滿載啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)滾筒處輸送帶的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)尾部輸送帶的速度，在驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)65s左右，機(jī)頭的速度達(dá)到1.374m／s時(shí)，機(jī)尾才開(kāi)始啟動(dòng)，機(jī)尾輸送帶的加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)處輸送帶的。啟動(dòng)過(guò)程膠帶松邊與緊邊的最大速度差為1.374 m／s，即張緊裝置的最大卷取速度應(yīng)大于1.374 m／s，最大速度時(shí)間為啟動(dòng)后約65s。

滿載啟動(dòng)時(shí)，整條輸送帶的位移曲線如圖5所示。在圖5中，X 軸表示整條輸送帶的離散單元數(shù)，Y 軸表示啟動(dòng)時(shí)間，Z 軸表示輸送帶位移的大小。由圖5可知，啟動(dòng)過(guò)程輸送帶的松邊與緊邊的位移差最大值為8.46m，位移差需要靠張緊裝置提供合適的張緊力來(lái)張緊，即帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中張緊裝置的拉緊行程為8.46m。

圖4 輸送帶滿載啟動(dòng)時(shí)的速度曲線

圖5 輸送帶滿載啟動(dòng)時(shí)的位移曲線

滿載啟動(dòng)時(shí)，整條輸送帶所受的張力曲線如圖6所示。在圖6中，X 軸表示整條輸送帶的離散單元數(shù)，Y 軸表示輸送帶張緊力的大小。從圖6中可以看出，輸送帶第151個(gè)離散單元的張力最大，為432.91kN，第600個(gè)單元張力為68.60kN。張緊裝置的最大張力不應(yīng)大于432.9kN。

圖6 輸送帶滿載啟動(dòng)時(shí)的張力曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元建模的方法對(duì)某煤礦長(zhǎng)壁工作面的大型帶式輸送機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，得出其滿載啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性：滿載啟動(dòng)時(shí)，輸送帶松邊與緊邊的最大速度差為1.374m／s，即張緊裝置的最大卷取速度應(yīng)大于1.374m／s，最大速度時(shí)間為啟動(dòng)65s時(shí)；輸送帶的松邊與緊邊的位移差最大值為8.46m，即在啟動(dòng)過(guò)程中張緊裝置的拉緊行程為8.46m；輸送帶第151個(gè)離散單元的張力最大，為432.91kN，第600 個(gè)單元張力為68.60kN。張緊裝置的最大張力不應(yīng)大于432.9kN。

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