礦用帶式輸送機(jī)啟停動態(tài)特性模擬分析*

李子彥

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 陽方口礦業(yè)公司，山西 大同 037000)

0 引 言

隨著當(dāng)前我國煤礦開采量和開采深度的增加，礦用帶式輸送機(jī)逐漸向著長距離、大運(yùn)量方向發(fā)展，礦用帶式輸送機(jī)在煤礦物料輸送過程中發(fā)揮著重要的作用，是煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中最重要的機(jī)電設(shè)備[1-2]。 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在實際運(yùn)行過程中受到環(huán)境影響因素較大，所以導(dǎo)致帶式輸送機(jī)的動態(tài)特性比較復(fù)雜。 尤其是當(dāng)帶式輸送機(jī)處于啟停工況時，輸送帶的張力變化特性比較復(fù)雜，在輸送帶內(nèi)部會產(chǎn)生不同特性的應(yīng)力波，這些應(yīng)力波會導(dǎo)致運(yùn)行速度和加速度產(chǎn)生一定的波動，波動力是傳統(tǒng)靜態(tài)張力的幾十倍甚至有可能導(dǎo)致輸送帶的拉斷[3]。 目前國內(nèi)在帶式輸送機(jī)張力的研究主要是從靜態(tài)張力進(jìn)行分析，在動態(tài)張力方面的研究內(nèi)容不多[4]。 帶式輸送機(jī)啟動瞬間緊邊張力變化比較大，此時將容易導(dǎo)致滾筒出現(xiàn)斷軸故障[5-6]。 為了分析帶式輸送機(jī)啟停工況下的動態(tài)特性，筆者對帶式輸送機(jī)啟停工況進(jìn)行分析，以實際應(yīng)用的帶式輸送機(jī)參數(shù)作為分析對象，采用數(shù)值模擬分析方法對帶式輸送機(jī)啟、停兩種工況下的動態(tài)特性進(jìn)行分析研究，并通過現(xiàn)場實驗驗證了分析結(jié)果的正確性，為改進(jìn)帶式輸送機(jī)膠帶的受力工況和影響，保證安全運(yùn)行提供參考。

1 帶式輸送機(jī)制動系統(tǒng)與參數(shù)特征

1.1 帶式輸送機(jī)參數(shù)特征

礦用帶式輸送機(jī)是以輸送帶作為核心承載構(gòu)件、托輥作為支撐構(gòu)件的散料輸送系統(tǒng)。 通過將物料放置在輸送帶上，由輸送帶與物料之間的摩擦力將物料向前運(yùn)輸，具有輸送平穩(wěn)、運(yùn)行可靠和運(yùn)量大等特點(diǎn)，目前普遍用于煤礦井下或港口碼頭[7]。 圖1 所示為帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡化原理圖。

由圖1 可知，帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡單，是以輸送帶和托輥作為核心組件，具體包括驅(qū)動裝置、滾筒、輸送帶、張緊裝置、托輥、制動裝置和輔助裝置等部分，驅(qū)動裝置包括電動機(jī)和控制器，用于控制電動機(jī)的啟停和換向等，轉(zhuǎn)動裝置是由控制器實現(xiàn)控制，通過減速器對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出低速大扭矩，驅(qū)動滾筒進(jìn)行轉(zhuǎn)動，通過滾筒與膠帶之間的摩擦力驅(qū)動膠帶進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而帶動膠帶上的物料向前輸送。 張緊系統(tǒng)中帶式輸送機(jī)的膠帶在拉力作用下會發(fā)生變形，可以為輸送帶提供一定的預(yù)緊力，防止發(fā)生打滑。 制動系統(tǒng)包括正常停車和緊急制動兩種工況，正常停車實現(xiàn)平穩(wěn)減速并停車，緊急制動是系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時必須要采取的制動措施。

圖1 主井帶式輸送機(jī)膠帶纏繞示意圖

表1 所列為帶式輸送機(jī)對應(yīng)的制動系統(tǒng)參數(shù)特征。

表1 主井帶式輸送機(jī)制動系統(tǒng)參數(shù)特征

1.2 帶式輸送機(jī)制動系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)制動系統(tǒng)運(yùn)行其實也是能量轉(zhuǎn)化的過程，是將運(yùn)動中的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能消耗掉。帶式輸送機(jī)的制動過程如同汽車的剎車系統(tǒng)，對于保證帶式輸送機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的作用。 圖2 所示為帶式輸送機(jī)盤式制動器和對應(yīng)的液壓泵站。

圖2 帶式輸送機(jī)制動系統(tǒng)組成圖

從上圖中可知，帶式輸送機(jī)制動系統(tǒng)是重要的控制系統(tǒng)，主要由制動盤、減速器、液壓泵站、支撐結(jié)構(gòu)和制動器等部分組成，通過液壓泵站提供壓力油控制制動閘的開啟與關(guān)閉，表2 所列為制動系統(tǒng)參數(shù)特征和對應(yīng)的液壓泵站特征。

從表2 可知，其中電機(jī)的功率為4 kW，制動閘在完全開啟狀態(tài)時，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行保壓。 對于主井系統(tǒng)而言，帶式輸送機(jī)為傾斜狀態(tài)，為了保證安全輸送和運(yùn)行，要求具有性能可靠且穩(wěn)定的制動系統(tǒng)。 并且制動系統(tǒng)要快速響應(yīng)，保證制動過程穩(wěn)定可靠。 一般而言，在帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行時，一般需要對帶式輸送機(jī)進(jìn)行啟動和停止控制操作，此時輸送帶所受的力比較復(fù)雜，產(chǎn)生的拉力會存在突變，啟停工況下輸送帶受力不穩(wěn)定，為此需要對帶式輸送機(jī)在啟停工況時輸送帶的受力情況進(jìn)行分析。

表2 帶式輸送機(jī)制動系統(tǒng)參數(shù)

2 帶式輸送機(jī)啟停工況分析

2.1 啟動工況下驅(qū)動裝置動態(tài)模型

帶式輸送機(jī)在啟動瞬間，電控系統(tǒng)瞬間通電，此時驅(qū)動裝置開始拉著輸送帶向前運(yùn)動，由于輸送帶自身具有慣性作用，此時輸送帶在短時間內(nèi)的張力達(dá)到最大值。 驅(qū)動裝置包括驅(qū)動滾筒和電動機(jī)提供的驅(qū)動力矩。 為此對驅(qū)動裝置進(jìn)行力學(xué)簡化，得到的力學(xué)模型如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動裝置簡化力學(xué)模型

此時驅(qū)動滾筒的微分方程可以表示為:

式中:Fi為驅(qū)動力，N；Wi為滾筒助力，N；d為驅(qū)動滾筒的直徑，mm；Ji為等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；θ為驅(qū)動滾筒的轉(zhuǎn)動角度，rad。

在主井系統(tǒng)中采用的是張緊輪2 對帶式輸送機(jī)進(jìn)行張緊，此時可以對上式進(jìn)行簡化，得到如下所示的動力學(xué)方程:

通過上式對驅(qū)動裝置的動力學(xué)方程進(jìn)行求解，可以計算出驅(qū)動系統(tǒng)在開啟時驅(qū)動滾筒的振動隨時間變化的規(guī)律。 當(dāng)運(yùn)行到一段時間之后，帶式輸送機(jī)處于平穩(wěn)運(yùn)行階段，此時輸送帶內(nèi)部的張力將會逐漸趨于平和，不再有太大的波動，此時工況下是平穩(wěn)運(yùn)行階段。 當(dāng)運(yùn)行一段時間后需要進(jìn)行停機(jī)，此時帶式輸送機(jī)出現(xiàn)特殊工況，那就是制動，制動工況包括正常制動和安全緊急制動，帶式輸送機(jī)的制動是采用制動器進(jìn)行控制，讓帶式輸送機(jī)的機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能消耗。

2.2 制動工況下的動態(tài)特性分析

在帶式輸送機(jī)制動工況下，通過液壓泵站控制盤式制動器進(jìn)行制動，帶式輸送機(jī)的制動比啟動工況更加危險，根據(jù)文獻(xiàn)[8]中給出的分析方法，可以計算出帶式輸送機(jī)的減速策略:

式中:vw為輸送帶的實際運(yùn)行速度；T為制動的時間。

從上述的余弦公式可以得出帶式輸送機(jī)的實際運(yùn)行的規(guī)律。 在對帶式輸送機(jī)制動的過程中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頭部的驅(qū)動滾筒停止轉(zhuǎn)動時，在尾部的滾筒會轉(zhuǎn)動一定時間以后才會停止，這就是由于輸送帶的應(yīng)力波傳遞比較滯后最后導(dǎo)致制動時間比較短而引起的。 此外，輸送帶在實際進(jìn)行減速的過程中會存在反方向的運(yùn)動，通過反復(fù)波動后趨于穩(wěn)定。 為了對帶式輸送機(jī)啟動與制動工況下的動態(tài)特性進(jìn)行直觀分析，采用數(shù)值模擬分析法，在軟件中根據(jù)帶式輸送機(jī)的參數(shù)建立仿真分析模型，設(shè)定工況進(jìn)行仿真分析，可以得出更加直觀可視化的動態(tài)變化規(guī)律。

3 帶式輸送機(jī)啟停工況數(shù)值模擬分析

3.1 帶式輸送機(jī)啟動工況下的分析結(jié)果

模擬真實工況下帶式輸送機(jī)的啟動過程，首先啟動液壓泵站的電動機(jī)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溢流閥，最高壓力設(shè)定為12 MPa，并調(diào)定PLC 控制模塊實現(xiàn)自動控制，當(dāng)制動器開啟完成后，此時制動盤處于無壓力狀態(tài)，然后帶式輸送機(jī)控制電機(jī)啟動，此時模擬帶式輸送機(jī)的松閘啟動過程。 通過監(jiān)控帶式輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和加速度特性，可以得到圖4 所示的啟動動態(tài)特性曲線，其中的橫坐標(biāo)表示啟動的時間，縱坐標(biāo)表示帶式輸送機(jī)驅(qū)動滾筒的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和壓力的百分比值。

圖4 啟動動態(tài)特性曲線

從圖4 可知，在帶式輸送機(jī)啟動后，液壓系統(tǒng)在5 s 的時間從壓力0 增高到8.4 MPa，轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)出周期性上下波動，最初時的波動頻率比較高，后期波動逐漸平穩(wěn)。 其中的電機(jī)轉(zhuǎn)速是比較平穩(wěn)的，沒有出現(xiàn)太大的波動。 從上述可以看出，制動器從最初處于制動狀態(tài)到完全松閘啟動，整個過程大概需要5 s 左右，這就可以看出制動器的反應(yīng)是比較迅速的，從轉(zhuǎn)速曲線可以看出，在轉(zhuǎn)速增大的過程中是比較平穩(wěn)的，但是也存在一定的速度波動和沖擊。

3.2 制動工況下的模擬分析結(jié)果

帶式輸送機(jī)的制動是從正常運(yùn)行到徹底速度為0 的過程，制動過程一般都伴隨著帶式輸送機(jī)的發(fā)熱問題。 制動模擬過程需要控制變頻器給驅(qū)動電機(jī)斷電，讓驅(qū)動滾筒的動力源切斷，隨后控制液壓泵站驅(qū)動制動閘抱緊從而實現(xiàn)制動，制動過程中的參數(shù)變化如圖5 所示。

圖5 制動工況下的數(shù)值模擬分析結(jié)果

從圖5 可以看出，制動工況下帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和壓力整體的變化趨勢與啟動工況相反。 在停車制動過程中，制動器自身內(nèi)部的壓力變化從80 MPa降低為6 MPa 之后，系統(tǒng)的總體制動力矩才正式添加上去，此時制動閘開始接觸制動盤，壓力繼續(xù)降低，最終表現(xiàn)為壓力為0，此時的制動力矩達(dá)到最大值。 隨后轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為逐漸下降，從整個制動過程可以看出，轉(zhuǎn)矩的波動比較大，在最終快要停止的時候轉(zhuǎn)矩突然變?yōu)?，制動閘抱緊。

4 現(xiàn)場實驗與結(jié)果分析

為了驗證采用模擬法得到結(jié)果的合理性，通過在現(xiàn)場連接扭矩傳感器和速度傳感器，使用TQ 型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測轉(zhuǎn)矩變化，檢測帶式輸送機(jī)在啟動與制動工況下的動態(tài)特性，圖6 所示為現(xiàn)場應(yīng)用圖與實驗結(jié)果。

圖6 現(xiàn)場實驗與結(jié)果

從圖6 的實驗結(jié)果可以看出，現(xiàn)場實驗結(jié)果與模擬得到的結(jié)果趨勢基本一致。 制動用時較短，轉(zhuǎn)速波動較小，制動力矩從最初為0 逐漸添加到最大值，隨后由最大值降低為0，整個過程都存在波動，制動力矩的波動是由于沒有實現(xiàn)全面接觸制動，需要一個緩慢施加制動力的過程。 在轉(zhuǎn)矩波動方面比較大，原因可能是在現(xiàn)場實驗的過程中受到外部環(huán)境的影響。

5 結(jié) 語

針對帶式輸送機(jī)在實際啟動與制動工況下的動態(tài)特性比較復(fù)雜、存在的速度波動有可能影響輸送的平穩(wěn)性等問題，文中對帶式輸送機(jī)啟動與制動工況進(jìn)行分析，采用模擬分析法對帶式輸送機(jī)啟動與制動工況動態(tài)特性進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，帶式輸送機(jī)在啟動工況時的速度波動較小，制動工況下轉(zhuǎn)矩的變化呈現(xiàn)出無規(guī)律性，波動較大。 最后通過現(xiàn)場應(yīng)用實驗得出:帶式輸送機(jī)在實際運(yùn)行中啟動工況與制動工況的動態(tài)特性與數(shù)值模擬得到的結(jié)果基本一致，從而驗證了數(shù)值模擬分析結(jié)果的正確性。 研究結(jié)果可以為帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)啟動提供參考，可以通過延長啟動時間或選擇合適的啟動方式達(dá)到平穩(wěn)啟動和制動的目的。