長距離越野帶式輸送機靜動態(tài)分析

凌斌輝，汪順民，楊需帥

長沙有色冶金設計研究院有限公司 湖南長沙 410019

近 年來，由于長距離越野帶式輸送機具有適應地形能力較強、運輸效率較高、投資成本較低、易于實現(xiàn)全系統(tǒng)自動控制等優(yōu)點，已被廣泛應用于礦山、港口和化工等領(lǐng)域[1-3]。相較于中小型帶式輸送機，長距離越野帶式輸送機具有高驅(qū)動力、黏彈性變形、運輸線路復雜等特點。

國內(nèi)外學者在高驅(qū)動力、黏彈性方面做了大量的研究，研究認為：長距離帶式輸送機大多采用頭尾多滾筒驅(qū)動[4-5]、中間多點驅(qū)動等布置方式[6]，多點驅(qū)動可有效降低各驅(qū)動站單點驅(qū)動力；但驅(qū)動站的布置形式、輸送帶彈性伸長、各驅(qū)動滾筒直徑不同以及電動機轉(zhuǎn)差率等因素會導致各驅(qū)動滾筒的牽引力不等，造成功率不平衡等現(xiàn)象[7]；高潤東等人[8]采用轉(zhuǎn)矩控制原理及主從控制策略有效解決了功率不平衡現(xiàn)象。

輸送帶屬于黏彈性體，帶式輸送機啟動時，過大的加速度會使帶式輸送機處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生較大的動張力，對設備和電網(wǎng)造成沖擊[9]，因此有必要采用軟啟動控制方式。通過查閱文獻，目前比較常用的啟動方式有液力黏性調(diào)速、液力耦合器調(diào)整、直流調(diào)速及變頻調(diào)速等，各啟動方式各有優(yōu)缺點，需根據(jù)工藝要求及經(jīng)濟性等因素綜合考慮。

越野帶式輸送機運輸線路較長，沿線地形起伏，受建筑物或不利的工程地質(zhì)條件所限，造成運輸線路垂直方向凹凸弧和水平轉(zhuǎn)彎較多，再加上帶式輸送機上物料分布不均勻，導致帶式輸送機處于多工況運行狀態(tài)。各工況下帶式輸送機的圓周驅(qū)動力、軸功率、張緊力、輸送帶強度、關(guān)鍵點張力和水平轉(zhuǎn)彎特性等差別較大，國內(nèi)外學者對此少有關(guān)注，因此有必要對此展開研究。

筆者以幾內(nèi)亞 Boffa 鋁土礦帶式輸送機工程為例，利用 Belt Analyst 仿真分析軟件[10-11]，建立帶式輸送機系統(tǒng)全程滿載、全程空載、僅尾部下運段有物料、僅尾部下運段無物料、尾部無物料 5 種工況模型，從靜態(tài)和動態(tài)兩個維度進行分析，詳細對比了不同工況下各參數(shù)的差異性，并對帶式輸送機啟動、停車、制動時期的運行狀態(tài)進行動態(tài)分析，以期對長距離越野帶式輸送機的設計提供一定的參考。

1 系統(tǒng)特點概述

幾內(nèi)亞 Boffa 鋁土礦為露天開采，年最低氣溫約10 ℃，最高氣溫約 44 ℃。物料塊度≤150 mm，松散密度 1.45 t/m3，自然安息角 35°～38°，含水率 8%～10%。帶式輸送機設計運輸能力為 5 000 t/h，水平運輸距離約為 12.307 km，頭尾整體高差 -119 m。沿線區(qū)域被熱帶稀樹草原覆蓋，多為雜草和灌木，具體情況如圖 1 所示。帶式輸送機沿地形起伏布置，跨越Fatala 河、多個溝底以及人員和動物通道；輸送帶上運段最大傾角 4.0°，下運段最大傾角 -7.79°；中間設有 1 個水平轉(zhuǎn)彎，平面轉(zhuǎn)彎半徑 4 000 m；承載段與回程段有凹凸弧 64 處。帶式輸送機凹凸弧及水平轉(zhuǎn)彎位置如圖 2 所示。

圖1 帶式輸送機現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.1 On-site photo of belt conveyor

圖2 帶式輸送機輸送線路示意Fig.2 Sketch of delivery route of belt conveyor

初步選定帶式輸送機帶寬為 1 400 mm，帶速為5.6 m/s，采用頭尾多滾筒驅(qū)動。頭部配置 2 個φ1600驅(qū)動滾筒，4 臺變頻電動機 (4×1 000 kW)；尾部配置 1 個φ1600 驅(qū)動滾筒，2 臺變頻電動機 (2×1 000 kW)。帶式輸送機滾筒布置如圖 3 所示。頭部變頻絞車張緊，張緊行程 39 m，張緊力 240 kN；輸送帶型號 ST4000/10+8，物料填充率 87%；尾部盤式制動，制動力矩 300 kN·m。3×35°槽形承載托輥 (φ178×530)，間距 1.5 m；2×10°V 型回程托輥(φ178×800)，間距 3.0 m，托輥滾速 601 r/min。正常啟動時間 280 s、停車時間 180 s，自由制動時間 40.2 s，等效模擬摩擦因數(shù) 0.020 5。

圖3 帶式輸送機滾筒布置Fig.3 Layout of drums of belt conveyor

綜合考慮帶式輸送機正常運行、啟動及停車過程中的物料分布情況，可分為如下 5 種運行工況：全程滿載(工況 1)、全程空載(工況 2)、僅尾部下運段有物料(工況 3)、僅尾部下運段無物料(工況 4) 及尾部無物料(工況 5)，如圖 4 所示。

圖4 帶式輸送機 5 種運行工況Fig.4 Five operation modes of belt conveyor

其中圖 4(a)、4(b)為正常運行工況，圖 4(c)～4(e)為帶式輸送機裝卸載過程中可能出現(xiàn)的瞬時工況。由于帶式輸送機前端設置有連續(xù)給料設備，可不考慮僅平行上運段有物料和僅下運段有物料這 2 種極端工況。

2 模型分析

2.1 靜態(tài)分析

2.1.1 圓周驅(qū)動力和軸功率對比

帶式輸送機不同工況下圓周驅(qū)動力、電動機軸功率計算結(jié)果如表 1 所列。根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下，帶式輸送機圓周驅(qū)動力和電動機軸功率差別較大，其中工況 4 電動機總軸功率最大，為 5 841 kW，占總裝機功率的 97.4%；工況 3 電動機總軸功率最小，為 1 563 kW，占總裝機功率的 26.0%。

表1 不同工況下圓周驅(qū)動力和軸功率Tab.1 Circumferential driving force and shaft power in various operation modes

2.1.2 張緊力對比

輸送帶張力須滿足以下要求：在穩(wěn)定運行、啟動和制動工況下，輸送帶與傳動滾筒間不打滑。穩(wěn)定運行時，輸送帶在兩相鄰托輥組間的最大垂度取1%[12]，此時，帶式輸送機傳動滾筒繞出點的輸送帶張力

承載段垂度要求

式中：F2為傳動滾筒繞出點輸送帶張力，N；FTr為穩(wěn)定運行時傳動滾筒的圓周力，N；μ為傳動滾筒與輸送帶間的摩擦因數(shù)；φ為輸送帶在傳動滾筒上的圍包角，(°)；qG為輸送帶單位長度上的物料質(zhì)量，kg/m；qB為輸送帶單位長度質(zhì)量，kg/m；a0為上分支托輥組的間距，m；hrmax為輸送帶兩相鄰托輥組間的垂度，取 1%。

各工況下輸送帶最小張力要求如表 2 所列。由表2 可知，各工況點最小張力要求差別較大：工況 4 最小張力要求值最大，為 225.0 kN；工況 3 最小張力要求值最小，為 71.6 kN。

表2 不同工況下輸送帶最小張力要求Tab.2 Minimum tension requirements of belt in various operation modes

2.1.3 輸送帶安全系數(shù)對比

帶式輸送機滿載穩(wěn)定運行時輸送帶安全系數(shù)需大于 7.00，各工況下帶式輸送機啟制動時輸送帶安全系數(shù)需大于 5.00，不同工況下輸送帶安全系數(shù)如表 3 所列。

由表 3 可知，帶式輸送機滿載穩(wěn)定運行時 (工況1)，輸送帶安全系數(shù)為 7.50＞7.00；工況 4，輸送帶啟動安全系數(shù)最低為 6.34＞5.00，亦滿足設計要求。

表3 不同工況下輸送帶安全系數(shù)Tab.3 Safety coefficient of belt in various operation modes

2.1.4 平面轉(zhuǎn)彎分析

帶式輸送機運輸線路設置一處水平轉(zhuǎn)彎段，根據(jù)規(guī)范要求，水平轉(zhuǎn)彎段最小曲率半徑需同時滿足水平轉(zhuǎn)彎段力的平衡條件、輸送帶外緣許用應力限制條件、輸送帶不離開側(cè)面托輥的限制條件的要求[12]。調(diào)整水平轉(zhuǎn)彎段承載托輥組槽角為 45°，上下托輥內(nèi)側(cè)抬升角為 5°，設定轉(zhuǎn)彎半徑為 4 000 m，平面轉(zhuǎn)角為 30.07°，計算各工況下輸送帶偏移量。計算結(jié)果顯示，除工況 4(見表 4)在運行時輸送帶偏移量稍大外(31.8 mm≤122.5 mm)，其余工況輸送帶偏移量很小，且各工況下水平轉(zhuǎn)彎段輸送帶張力都能滿足 1% 的垂度要求。

表4 工況 4 平面轉(zhuǎn)彎段計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of plane turning segment in operation mode 4

2.2 動態(tài)分析

帶式輸送機靜態(tài)分析是將輸送帶視為剛體進行動力學分析，可滿足短距離、小運量的帶式輸送機的設計精度要求。而長距離越野帶式輸送機運輸距離長，運輸線路復雜，多點驅(qū)動功率平衡難，輸送帶的黏彈性體特性對輸送機影響較大，因此有必要在靜態(tài)分析的基礎上，對帶式輸送機的啟動、停車、制動過程進行動態(tài)分析。

以頭部驅(qū)動滾筒為主控制，其余驅(qū)動滾筒為從控制，從動電動機轉(zhuǎn)矩跟蹤主電動機。

(1)關(guān)鍵點張力 滾筒、承載段、回程段等關(guān)鍵點張力如表 5 所列。帶式輸送機啟動瞬間，頭部驅(qū)動滾筒處輸送帶張力最大，為 830.90 kN，此時輸送帶安全系數(shù)為 6.73＞5.00。制動停車過程約 12 s 時，承載段 4 195.06 m 處輸送帶張力最小，為 50.60 kN，此時輸送帶垂度為 1.15%＜2.00%。

表5 啟、停、制動時關(guān)鍵點張力Tab.5 Tension at key points at time of start-up,halting and braking

(2)張緊小車位移和速度 滿載停機過程中，張緊小車最大位移為 -1.81 m (往張緊滾筒收縮方向移動)，張緊小車最大速度為 -0.04 m/s；滿載啟動過程中，張緊小車最大位移為 2.98 m (往張緊滾筒張緊方向移動)，最大速度為 0.13 m/s；滿載制動停機過程中，變頻絞車由于自身制動器處于制動狀態(tài)，變頻絞車不動作，對應張緊小車也不動作，即斷電滿載停機過程中張緊小車速度和位移均為 0。

(3)緊松邊張力比 計算帶式輸送機啟動、停車、制動時，各驅(qū)動滾筒緊松邊張力比最大值如表 6所列。3 個驅(qū)動滾筒緊松邊張力比均小于系統(tǒng)允許值4.04，其中驅(qū)動滾筒 3(尾部驅(qū)動滾筒)緊松邊張力比最大為 2.43，說明 3 個驅(qū)動滾筒在啟動、停車、制動時均不會打滑。

表6 啟、停、制動時各驅(qū)動滾筒緊松邊張力比最大值Tab.6 Maximum ratio of tension at tight and loose side of each driving drum at time of start-up,halting and braking

(4)滾筒合力 帶式輸送機啟動、停車、制動時，各滾筒最大合力與正常運行時各滾筒最大合力的比值如表 7 所列。可以發(fā)現(xiàn)，在啟動、停車、制動時大部分滾筒合力比正常運行時大。例如改向滾筒 3在制動時的最大合力是滿載穩(wěn)定運行時滾筒合力的2.115 倍。因此在提供設備采購技術(shù)要求時，需根據(jù)動態(tài)分析結(jié)果做出相應調(diào)整。

表7 啟、停、制動時各滾筒合力與正常運行時各滾筒合力比Tab.7 Ratio of resultant force of each drum at time of startup,halting and braking to resultant force of each drum during normal operation

3 結(jié)論

(1)通過對帶式輸送機進行靜態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)：不同工況下帶式輸送機關(guān)鍵點張力、圓周驅(qū)動力、電動機軸功率、張緊力、輸送帶安全系數(shù)、凹凸弧半徑、水平轉(zhuǎn)彎特性等參數(shù)均有明顯差別，從本案例的工藝條件來看，工況 4(僅尾部下運段無物料運行)為系統(tǒng)運行最惡劣工況。

(2)通過對帶式輸送機啟動、停車、制動過程進行動態(tài)分析檢驗，各關(guān)鍵點張力、輸送帶強度、張緊力、驅(qū)動滾筒緊松邊張力比等參數(shù)均滿足設計要求，但各滾筒合力均較穩(wěn)定運行時增大，需調(diào)整最終滾筒的合力參數(shù)。

(3)Boffa 鋁土礦長距離越野帶式輸送機自 2019年建成以來，經(jīng)過一年多時間的運行檢驗，運輸能力達到設計要求(5 000 t/h)，系統(tǒng)各項參數(shù)均穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。