輸送帶動態載荷試驗機設計與分析

蘇 帥，祁煥騰，王 虎，胡卓勛

國家能源集團神東煤炭集團烏蘭木倫煤礦 內蒙古鄂爾多斯 017000

輸送機由于其承載能力強、運輸效率高、實施成本低等特點，已成為現代裝備運輸散料的關鍵設備之一。而工程上對其數學建模時，往往將其視為剛性元件，這雖然簡化了計算量和算法策略，但由于其本身的柔性運作機理，難以保證精度，為后續的功耗實時監測與動態調節造成困難。

張穎博等人[1]利用 RecurDyn 建立輸送機虛擬樣機，配置實際工況參數進行仿真，分析輸送帶偏載和托輥傾斜對輸送帶張力的影響，進而對輸送機設計提出理論參數；李劍鋒[2]研究可控啟動功能的帶式輸送機驅動裝置，提出 CST 優勢并做出理論和試驗分析；王仲勛等人[3]針對永磁懸浮帶式輸送機的力學特點做出試驗研究。筆者總結當前研究現狀，設計了一種可適應不同角度托輥的動態載荷加載裝置，并分析和驗證其可行性。

輸送帶動態載荷試驗機可模擬帶式輸送機不同運行速度、不同負載、不同托輥直徑和間距、不同輸送帶類型等條件下，啟動或停機的多種非穩態運行工況，實時測定輸送帶各點速度、張力及驅動裝置輸出的轉矩，進而利用動態載荷數據采集控制系統，分析不同類型輸送帶的動態特性，對煤礦用輸送帶的安全性能進行分析驗證[4]。筆者將從試驗機設計與建模，加載裝置關鍵部件的設計、建模及有限元分析等關鍵技術點進行分析說明。

1 試驗機模型建立

輸送帶動態載荷試驗機 (見圖1) 主要由驅動裝置、制動器、拉緊裝置、加載裝置、托輥及試驗輸送帶等元部件組成。輸送帶試樣繞經傳動滾筒和尾部滾筒形成無極環形帶，上下輸送帶由托輥支撐以限制輸送帶的撓曲垂度。拉緊裝置為輸送帶正常運行、啟動或停機等多種非穩態運行提供所需的張力。試驗機工作時，驅動裝置驅動傳動滾筒旋轉，再通過傳動滾筒和輸送帶之間的摩擦力驅動輸送帶運行。加載裝置為輸送帶提供可調節的加載力來模擬物料負荷，包括加載機架、測力裝置和力矩加載裝置。試驗過程中，檢測并傳輸輸送帶在各種工況下的速度、張力及轉矩等動態數據[5]。

圖1 輸送帶動態載荷試驗機結構Fig.1 Structure of dynamic load testing machine for conveyor belt

為實現試驗機的運行速度可調，系統采用變頻器加變頻電動機的方式，通過調節變頻電動機的輸入頻率來實現運行速度的無級調節。系統滿足現行標準MT 820—2006、MT 821—2006 以及 GB10595—2009的要求[6]。頭部采用單滾筒單電動機驅動，驅動功率為 160 kW。試驗機最大外形長度約為 30 m，寬約為1.8 m，高為 2 m，主要技術參數如表1 所列。

表1 輸送帶動態載荷試驗機主要技術參數Tab.1 Main technical indicators of dynamic load testing machine for conveyor belt

2 加載裝置的設計

加載裝置作用于輸送帶的施加載荷可根據不同類型的試驗輸送帶調節大小，并盡可能地模擬實際工況；施加載荷的分配，要基本符合實際輸送時堆積物料的重力分布[7]。加載裝置原理如圖2 所示。渦輪蝸桿裝置可調節加載托輥與承載托輥之間的壓緊力，實際壓力值通過傳感器傳輸到控制系統。機架橫跨輸送帶固定于地面。加載托輥鉸接于連接桿，連接桿鉸接于橫梁，使 4 組加載托輥能夠匹配不同角度的承載托輥[8]。

圖2 加載裝置原理Fig.2 Principle of loading device

圖3 所示為連接桿的力學分析，根據力學特點可得

圖3 連接桿的力學分析Fig.3 Mechanical analysis of connecting rod

式中：F為加載裝置的加載負荷，kN；F1、F2為作用于加載托輥的反作用力，kN；α為承載托輥角度，(°)；θ為連接桿受力夾角，(°)；L1、L2為連接桿受力夾角力臂，mm。

設定L1=L2、θ=25°、α=65°，則計算可得F1=0.24F，F2=0.25F。通過調整L1和L2的大小，即可改變F1和F2關于加載負荷的函數關系。

3 力學計算

銷軸是加載機構的關鍵零件，起到連接和自適應角度的作用。在整個裝置中，其受到載荷作用最大，為整個機構最薄弱的環節。對其進行力學計算或仿真，若安全系數符合設計要求，則整體裝置的力學設計可行。圖4 所示為加載機構模型，可以看出加載梁上的銷軸受力最大，設計最大值是 1 000 N。

圖4 加載機構模型Fig.4 Loading mechanism model

圖5 應力云圖及位移云圖Fig.5 Contours of stress and displacement

軸銷和被連接件之間按照靜連接方式計算，軸銷工作面的擠壓應力

式中：b為連接尺寸，mm；d為銷軸直徑，mm。

初選公稱直徑為 10 mm，材料為 35 號鋼，則計算可得σP=12.5 MPa，遠小于應力許用值。

利用 SolidWorks Simulation 靜力分析模塊對軸銷進行強度分析和驗證[9]。為節約計算機運算時間，簡化仿真過程，對仿真模型做了適當簡化。為安全可靠地承擔加載裝置的反作用力，軸銷采用高強度碳鋼，彈性模量為 200 GMPa，泊松比為 0.3，屈服強度為 280 MPa，按 100 kg 施加負載 (F=1 000 N，載荷類型為軸承載荷)。仿真結果顯示，最大應力為 36.48 MPa，位移最大變形量為 0.002 5 mm。安全系數較高，滿足強度要求。

4 結語

以輸送帶動態載荷試驗機為設計基礎，簡述了試驗機的原理及功能，建立了模型，并對關鍵部件的受力狀態進行了理論和仿真分析。通過計算與分析，進一步驗證了試驗機的可行性，有效模擬了輸送機在不同工況下的負載運行狀態，為監測和優化整個運輸系統提供了理論支撐，并對研究各類輸送系統不同狀態、不同工況的整體性能，提供了一種可行的模擬裝置方案。