煤礦帶式輸送機動力學性能分析

楊 文

（晉能控股山西煤業股份有限公司忻州窯礦， 山西 大同 037000）

0 引言

近幾年，隨著煤礦行業競爭壓力的增大，很多煤礦的帶式運輸機已經不能滿足企業的生產需要，在新時代的發展下運輸機正朝著長距離、高速化和大運量的方向發展，不過基于靜態的設計方案所生產的長距離帶式運輸機容易存在較多的問題，如動力差、張力低、部件易損壞等方面，影響了井下生產的效率。結合帶式輸送機所具有的運輸價值和存在的安全、效率問題，有必要進行動力學性能分析，在有效預測運輸機的運行特性下，發現問題并解決問題。

1 帶式輸送機的動力學模型

1.1 輸送機結構及動力學方程

帶式輸送機的結構見圖1，具體由承載輸送帶、托輥、拉緊裝置、轉向滾筒、驅動裝置組成，在復雜的機電系統中，驅動裝置負責提供設備運行的整體驅動力；轉向滾筒為輸送帶提供轉向功能；拉緊裝置對皮帶拉緊力進行控制；托輥可對輸送帶的撓度進行控制[1]。需要注意的是，在簡化帶式輸送機的運行并將輸送帶劃分為具體的單元后，帶式輸送機的動力學方程可以參考驅動單元動力學方程、拉緊單元動力學方程和輸送帶單元動力學方程進行確定。

圖1 帶式輸送機結構

1.2 模型構建影響因素

在進行動力學模型的建立前需要關注設備開車和制動過程的主要影響因素，具體有以下幾個方面：輸送帶的運行阻力和輸送帶的力學特性、驅動裝置的機械性能及控制方法、輸送機的實際運行工況及拉緊裝置的動力響應時間、輸送機的輸送線路以及負載情況。具體在輸送機的運行阻力中，主要由傾斜阻力、系統阻力和托輥前傾阻力組成，一般系統阻力為綜合性模擬阻力，與輸送帶和托輥之間的作用力相關，可以系統設計初期結合設定值進行計算；托輥前傾阻力是防止輸送帶跑遍而故意將托輥調整為前傾而出現的力，也可以根據設計標準計算；傾斜阻力為皮帶上的煤下降和提升所帶來的阻力，可以精確計算。

2 制動過程的動力學模型

2.1 制動過程分析

帶式輸送機的制動類型分為兩種，一種為停車，一種為減速，為此具體到主動力學模型上也分為兩種，一種是斷掉輸送機的電源后，可以將制動作用下的制動滾筒運轉且未停止轉動的情況視為輸送帶剛啟動時的力學模型，另一種是制動滾筒已經停止且受到輸送帶張力的作用下，在滾筒制動力小于受到的輸送帶張力差下，力學模型和啟動時一致為第一力學模型，反之則為第二力學模型[2]。

2.2 停車過程分類

一般復雜的帶式輸送機其制動過程有四種，當停車中不借助停車措施和制動力完成設備停車后，可以稱為自由停車，例如當前長距離帶式輸送機的斷電停車，在其具有的經濟性上，可以在基于條件允許下選擇該方式；當自動停車時間短、停車速度快的影響下，為了避免跑煤可以使用增慣停車和減力停車的方式；在停車時間長、停車速度較小下，需要使用制動停車的方式。

結合增慣停車、減力停車和制動停車的特點而言，增慣停車借助驅動單元增加轉動慣量，目的是降低皮帶的慣性并減緩啟動與停車中的加減速度；減力停車是在輸送機系統中輸入力，一般減力和與設備運行的方向相同；轉動停車是在輸送機系統中輸入制動力，不過制動力的方向與皮帶的運行方向相反，同時也跟制動滾筒的運行方向相反。

3 計算機仿真下的輸送機動力學性能

3.1 帶式輸送機參數

性能參數，選取井下主采巷道中的長距帶式輸送機，其長度為6.8l m、運速為3.8 m/s、設計輸煤量為2 480 t/h、皮帶寬度為1.38 m；驅動裝置，可以選擇3臺TYP-800 型電動機提供驅動力，具體參數可以參考表1。一般需要配備CRW500K 型減速器，減速比為20.20，轉動慣量為38 kg·m2；輸送帶，規格型號為TY-U120，其抗拉強度為1980N/mm，且質量為49kg/m；托輥，應用SQ 系列的托輥（直徑162 mm），在承載段和空載段的托輥布置間距為1.1 m、3.0 m；拉緊裝置，應用自動拉緊系統，可提供193 kN 拉緊力，有效拉緊行程為4.9 m。

表1 電機參數

3.2 啟動過程動力學性能

為了降低仿真計算量和提高決算效率，僅選擇一段輸送機的線路與其載荷進行真實工況的仿真模擬，具體要將啟動時間設為160 s，結合實際的拉緊裝置位移、驅動輸入驅動力和頭尾速度對比的數據，可以發現在啟動過程進行控制后，可以確保輸送機可以平穩啟動，同時拉緊裝置的運動也較為平穩，整體的啟動性能較高[3]。

3.3 停車過程動力學性能

在對輸送機的停車過程進行計算機仿真分析后，整體停車時間為31 s，過程中以擺線形式進行表示。一般停車方式的選擇需要結合制定停車和可控停車來決定，基于停車方式的不同會導致輸送帶產生不同的張力，因此會使拉緊裝置具有不同的止停位置，具體見圖2。這也證明了輸送機在啟動前，輸送帶的張力具有不確定性，以實際中的設備運行進行分析，主要受到輸送帶物理特性的影響，同時張力的不確定性也跟啟、停車時間、載荷、負載段托輥距離等方面相關。

圖2 停車過程中拉緊裝置的位移

3.4 存在問題

結合停車過程中輸送帶的單元張力圖3-1，具體到第102 個輸送帶的第12 s 工況，所產生的輸送帶最小張力為負值，證明輸送帶承壓能力不足，無法滿足自由停車需要。結合實際的輸送機工況，顯示輸送帶運行的撓度過大，不能符合正常的輸送要求，且結合實際輸送系統的線路看，到第102 個單元時線路整體由下坡轉為上坡，接近轉坡的單元減速較快，明顯高于遠離轉坡的輸送帶單元。雖然上述輸送帶承壓問題可以結合停車控制來處理，不過當斷電后驅動系統不能有效提供足夠的電能，且在基于長距離帶式輸送機的運行慣性能量較大下，單一的停車控制并不能滿足以上問題的處理需要。

圖3 自由停車的輸送帶單元張力

因此，可以結合計算機仿真動態力學軟件的應用得到圖3-2，需要將停車減速裝置增設在遠離轉坡位置，具體借助142 kN·m 制動器的應用增加減速效果。進而能在滿足輸送機正常工作下，也能降低皮帶的張力。傳統的靜態設計無法了解全面皮帶張力問題，需要通過動力學計算機仿真模擬，更加真實了解輸送機的運行工況。

4 結語

在對煤礦帶式輸送機進行動力學性能分析后，能更清晰地了解輸送機的停車與啟動控制過程，基于計算機的動態計算模擬，可以對長距離的帶式輸送機動力逆轉問題進行處理，實現了對帶式輸送機的動態設計，提高了該設備在井下的運轉性能。結合以上仿真數據中出現的輸送帶張力問題，可以落實更具體的性能優化方法，是傳統靜態設計無法滿足的，在當前帶式輸送機的長運距、高帶速和大運量的升級中，具有重要價值。