帶式輸送機斷帶捕捉器建模與動態仿真

白曉淵

（山西西山煤電股份有限公司太原選煤廠， 山西 太原 030023）

引言

帶式輸送機是煤炭行業煤炭生產過程用于煤炭運輸的關鍵不可缺少的重要設備，但由于輸送帶的特殊工作特性及材料特性，在其長期、高負荷的工作狀態下，會經常發生輸送帶斷裂事故。斷裂后失去控制的輸送帶及其上重物會向下滾落對兩旁的行人、電纜、管路及其他設備等造成二次損壞。為了提高煤礦生產的安全性，帶式輸送機斷帶保護措施的研制必須得到相關方面的組織及機構的高度重視，當輸送帶斷裂時斷帶捕捉器能及時、可靠地制動下滑的輸送帶，避免引發惡性事故。帶式輸送機斷帶捕捉器對輸送帶的制動特性除了依賴于斷帶捕捉器的自身結構特性外，更大程度上依賴于斷帶捕捉器在輸送機系統上布置的結構形式，目前多數學者對輸送機斷帶捕捉器抓捕特性的研究主要集中于斷帶捕捉器的本身，很少去對輸送機系統上捕捉器的布置形式進行研究，因此本文以某型斷帶捕捉器為研究對象，通過對其進行建模和仿真分析，對不同布置結構下對其抓捕特性的影響進行了分析，對優化斷帶捕捉器的布置形式，提升輸送機系統運行的安全性具有重要的指導意義。

1 斷帶捕捉器結構及工作原理

帶式輸送機斷帶捕捉器的機械結構組成及其安裝位置如圖1所示[1]。斷帶捕捉器的結構以及其工作原理決定了其在帶式輸送機上的特殊安裝位置，一般來說，斷帶抓捕器擁有上下兩塊對夾式的閘塊，安裝時主要是將輸送帶處于兩個閘塊之間，由于輸送帶的特殊工作過程，需要在輸送帶的兩側同時各布置一套斷帶抓捕器，以保證抓捕力的平衡。斷帶抓捕器的作用主要是依靠上閘塊的動作進行夾緊，上閘塊主要通過與固定輸送機在一起的液壓缸提供動力。斷帶抓捕器發生斷帶抓捕行為時，上、下閘塊都靠石棉制動摩擦片壓住輸送帶，實現對斷裂的輸送帶的可靠的制動。

圖1 帶式輸送機斷帶捕捉器結構示意圖

2 斷帶抓捕過程動力學模型的建立

利用離散元分析理論，建立帶式輸送機的簡化數學模型，其結構如圖2所示。圖中：ki表示第i個離散單元的彈性系數，ci表示第i個離散單元的阻尼系數，mi為第i個離散單元的質量。

圖2 帶式輸送機的離散元數學模型

如圖2所示，將帶式輸送機系統的承載段劃分為k個離散單元，將輸送帶的空載段劃分為n-k-3個結構單元。

對第i個離散單元在制動時的受力情況進行分析，其受力如下頁圖3所示[2]。

由圖3分析可知，第i個單元在制動時的受力方程可表示為[3]：

圖3 第個離散單元的受力示意圖

由于輸送帶的黏彈性特性，因此利用Vogit模型可分析得：

式中：Si為第i個離散單元上所受到的拉力；Si+1為第i+1個離散單元上所受到的拉力；mi為第i個離散單元的重量；mi+1第i+1個離散單元的重量；xi為第i個離散單元的位移；xi+1為第i+1個離散單元的位移；ki為第i個離散單元的彈性系數；ci為第i個離散單元的阻尼系數；fi為第i個離散單元制動時的摩擦力。

因此帶式輸送機系統輸送帶在斷帶抓捕器制動作用下的方程可表為：

式中：{}為輸送帶的位移向量；{˙}為輸送帶的速度向量；{x}為輸送帶的加速度向量；[M]為輸送帶的質量矩陣；[K]為輸送帶的剛度矩陣；[C]為輸送帶的阻尼矩陣；{F}為外力向量。

3 制動時的動態仿真分析

將帶式輸送機劃分為63個質量單元，其中承載段為30個質量單元，非承載區域的回程段劃分為30個質量單元，將第37個質量單元定義為尾部改向滾筒，將第51個質量單元定義為張緊滾筒，將第63個質量單元定義為驅動滾筒單元，經計算該輸送機系統中所需要的捕捉器的數量為31組，利用MATLAB軟件將輸送帶在受制動情況下的動力學模型導入其中，采用的ODE解法進行求解[4]，對不同抓捕器布置距離情況下輸送帶制動時的動態特性進行仿真分析。

3.1 等間距布置時的抓捕動態仿真

將31組捕捉器沿輸送機機架均勻布置，因輸送機下滑時重力越大，下滑時所需的制動力越大，因此本文對斷帶發生在輸送機上側機頭位置處時的情況進行分析，結果如圖4所示，圖中1表示第3個質量單元的速度變化情況，2表示第17個質量單元的速度變化情況，3表示第30個質量單元的速度變化情況，速度大于零表示輸送帶向上運動，速度小于零表示輸送帶向下運動。

圖4 等距離布置時不同質量單元的速度變化情況

由仿真分析結果可知，當斷帶事故發生后，輸送帶帶速逐漸降低為零然后開始下滑，當斷帶捕捉器開始工作后逐漸實現對輸送帶的制動。其中第3個質量單元在約0.3 s時速度就降為零，其下滑時的最大速度約為3.39 m/s，第17個質量單元在約0.4 s時速度降低為零，其下滑時的最大速度約為2.83 m/s，第30個質量單元在約0.43 s時速度降低為零，其下滑時的最大速度約為3.57 m/s。當斷帶捕捉器開始制動后3號質量單元經過約2.71 s實現制動，第17個單元經過約2.49 s實現制動，第30個質量單元經過約2.14 s實現制動。由此可知，距離斷點越近其速度下降的越快，執行抓捕時的制動時間也越長。

3.2 非等間距布置時的抓捕動態仿真

根據以上分析結果，對斷帶捕捉器設置時采取上密，下疏的布置方式，前10組設置為間距為20 m，第11—20組間距設置為30 m，第21—31組間距設置為40 m，其抓捕時的動態特性如圖5所示。

圖5 非等距離布置時不同質量單元的速度變化情況

由仿真分析結果可知，當斷帶捕捉器執行抓捕后，3號質量單元經過約2.2 s實現了制動，17號質量單元經過約2.5 s實現制動，第30個質量單元經過約2.52 s實現了制動，由于斷帶捕捉器在前部分布置密集，制動時的制動力較大，因此3號質量單元制動時的制動加速度最大，最先實現了制動。

通過對比斷帶捕捉器均勻分布和非均勻分布情況下，輸送帶制動時的動態特性，在采用非均勻分布情況下，斷帶捕捉裝置制動時的制動力矩大、制動速度快，輸送帶下滑的距離小，而且根據實際驗證其抓捕后輸送帶基本不會發生撕裂現象，因此在制動時所受的沖擊最小，抓捕效果也最好。

4 結語

1）輸送帶斷帶后，距離斷點越近質量單元的速度下降的越快，執行抓捕時的制動時間也越長。

2）采用捕捉器非均勻分布情況下，斷帶捕捉裝置制動時的制動力矩大、制動速度快，輸送帶下滑的距離小，抓捕后輸送帶基本不會發生撕裂現象，因此在制動時所受的沖擊最小，抓捕效果也最好。