礦用帶式輸送機多工況縱向振動特性研究*

鄧永勝

(山西焦煤西山煤電斜溝煤礦，山西 太原 030024)

0 引 言

隨著煤礦開采量增加，長距離帶式輸送機已逐漸成為煤礦物料輸送系統的關鍵機電設備，在煤礦生產過程中發揮著極其重要的作用[1-2]。由于帶式輸送機所處的環境比較惡劣，工況比較復雜， 受載多樣，導致帶式輸送機在實際運行過程中縱向振動特性比較復雜。帶式輸送機的縱向振動將會導致輸送帶運行不平穩，容易造成撒料，導致帶式輸送機的運量降低。而當前國內對帶式輸送機的研究主要是對某些關鍵部件進行損壞檢測，對帶式輸送機縱向振動特性的研究是以輸送帶作為關鍵部件進行分析，主要是對其張力進行分析[3]。

為此，筆者結合實際應用的煤礦帶式輸送機運行工況，分析了帶式輸送機整機結構和參數，采用數值模擬分析方法對帶式輸送機不同工況下的縱向振動特性進行了數值模擬，最終得出帶式輸送機在不同工況下的縱向振動規律，為后期帶式輸送機整機結構的設計和優化提供參考依據。

1 帶式輸送機結構組成與參數特征

帶式輸送機是由驅動裝置、張緊裝置、輸送帶、支撐裝置、滾筒等部件組成的一個比較復雜的物料輸送系統，主要用于散料的輸送。根據煤礦不同的物料輸送要求，在電動機、制動器和變頻的選型方面也有所不同[4]。文中以煤礦實際應用中使用的主井強力帶式輸送機作為研究和分析的對象，該主井的斜井總長度為1 440 m，選用的是DTL-160/300/4×1400型強力皮帶機，實際的運輸能力為3 000 t/h，輸送帶的寬度為1 600 m，輸送帶的運輸速度為5 m/s。目前該套帶式輸送機采用的是雙滾筒四電機驅動，其中使用的四個驅動單元是相同的，輸送機總的長度為1 440 m，電動機的功率為1 400 kW，驅動滾筒的直徑為2 000 m，如表1所列為帶式輸送機的基本參數特征和指標。

表1 帶式輸送機參數特征與指標

此帶式輸送機的實際適配物料的粒度在0～300 mm，堆重比為0.9 t/m3，制動器的型號為4×SHI201-1600，制動力矩為360 kN·m。隨著煤礦開采量的不斷增加，煤礦帶式輸送機向著大運量方向發展，此外帶式輸送機在實際運輸物料過程會存在不同的運行工況，為此需要對帶式輸送機的實際運行工況進行分析，從而建立帶式輸送機的動力學模型。

2 帶式輸送機工況分析

帶式輸送機是常用的一種物料輸送機電設備，在煤礦、礦山、碼頭和港口等場合應用非常廣泛[5]。一般而言，需要根據實際使用場景對帶式輸送機進行合理布置，根據帶式輸送機的運動方向可以分為上運帶式輸送機、下運帶式輸送機、水平帶式輸送機等不同的布置形式，根據輸送帶是否滿載可以分為空載運行工況、滿載工況。

(1) 空載運行工況分析

空載運行工況是指帶式輸送機輸送帶上沒有物料，一般而言是帶式輸送機剛啟動時的狀態，此時帶式輸送機機架結構僅受到皮帶自重的作用，皮帶沒有物料的作用，此時帶式輸送機的突然啟動會引起輸送帶突然性地振動，輸送帶內部會產生比較大的張力作用，出現張力峰值，造成結構的損壞[6]。

(2) 滿載運行工況分析

滿載運行工況是指帶式輸送機啟動后，落料裝置將散裝物料落在皮帶上，由皮帶拖動物料向前輸送，此時輸送帶受到物料的作用力和托輥對輸送帶的支撐力作用，受力情況比較復雜。根據帶式輸送機承載分支和回程分支的彈性波的波速相關理論可得到如表2所列的結果[7]。

表2 輸送帶的波速與相關參數對比

從表2中可知，滿載工況下承載分支的振動頻率比較小，所以進行振動特性分析時，需對振動分析對象進行合理選擇，比如在分析空載啟動振動特性時不需要分析空載承載分支的固有頻率。

3 帶式輸送機縱向振動特性數值模擬

3.1 空載啟動工況下的動態響應

首先，對帶式輸送機在空載啟動工況下的動態特性進行模擬分析，在帶式輸送機驅動位置處添加驅動力矩，并且分別設定啟動時間為10 s和20 s，分析不同啟動時間下的響應特性，得到如圖1所示的啟動時間為10 s的縱向振動特性和圖2所示的啟動時間為20 s的振動棒特性規律。

圖1 空載工況下的啟動時間為10 s時的縱向振動規律

圖2 空載工況下的啟動時間為20 s時的縱向振動規律

從圖1、2中可以看出，帶式輸送機在空載啟動且啟動時間為10 s時，拋物線的加速度控制曲線的最大動位移為28 m，空載啟動時間為20 s時，加速度控制曲線的最大動位移為14 mm。從中可以得出，在不同啟動時間下帶式輸送機的運行動位移存在差異，啟動用時越長帶式輸送機的縱向振動幅度越小，帶式輸送機運行越平穩，所以為了保證帶式輸送機實現平穩啟動可以適當延長啟動時間，達到平穩啟動的目的。

3.2 滿載運行工況下的動態響應

帶式輸送機在滿載工況下時，輸送帶還會受到物料的重力作用，該工況下輸送帶受力更加復雜。通過驅動滾筒對輸送帶施加驅動力矩將克服輸送帶與物料之間的摩擦力做功，對滿載運行工況進行仿真分析，可得到如圖3、4所示分析結果。

圖3 滿載工況下啟動時間10 s帶式輸送機的動態響應

圖4 滿載工況下啟動時間20 s帶式輸送機的動態響應

從圖3、4的分析結果可知，帶式輸送機在滿載工況下的動態特性和在空載工況下的動態特性曲線大致相同，帶式輸送機在滿載工況下結構的縱向振動的幅度明顯比空載下的振動幅度要大，表明空載啟動的特性比滿載啟動的特性更好。當在拋物線加速度控制曲線下，啟動時間為10 s時的最大動位移為43 mm，啟動時間為20 s時的最大動位移為36 mm，啟動動位移表現為規律性地上下波動，波動幅度大致相等，從中可以看出啟動時間延長使振動的最大動位移降低。

綜上所述，通過對空載啟動工況和滿載工況下的帶式輸送機的縱向振動特性進行分析可以得到，延長啟動周期可以有效降低輸送帶的動態位移，也就是說，為了保證帶式輸送機啟動的平穩性，可以適當延長啟動時間，減少動位移，此方式可以在一定程度上減小輸送帶自身所受到的交變應力作用，不僅可以使輸送帶啟動更加平穩，而且還有助于提高輸送帶的使用壽命。

4 結 語

帶式輸送機是重要的礦山物料輸送機電設備，在煤礦開采過程中發揮著重要的作用。針對帶式輸送機在不同工況下的受載復雜、振動特性未知、輸送帶交變應力較大等問題，文中分析了帶式輸送機的不同工況，對帶式輸送機在啟動和滿載兩種工況下的動態特性進行仿真分析，結果表明：帶式輸送機在兩種工況下的動位移規律大致相同，帶式輸送機在空載工況下的動位移明顯比滿載工況下的動位移要小，表明空載啟動的穩定性比滿載啟動的穩定性更好。為了改善帶式輸送機的受力、延長帶式輸送機的使用壽命，應盡可能避免其在滿載工況下啟動，可以通過延長啟動時間，減小系統的動位移和皮帶所受的交變應力作用實現帶式輸送機的平穩啟動。