基于一種液壓張緊裝置的輸送帶壽命分析

范魁元,譚曉東,宋丕偉,李揚(yáng)

(1.中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司 基礎(chǔ)設(shè)備部，黑龍江 齊齊哈爾 161000； 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

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基于一種液壓張緊裝置的輸送帶壽命分析

范魁元1,譚曉東2,宋丕偉2,李揚(yáng)2

(1.中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司 基礎(chǔ)設(shè)備部，黑龍江 齊齊哈爾 161000； 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

對(duì)一種液壓張緊裝置的輸送帶進(jìn)行理論分析，首先從有效拉力與輸送帶壽命的關(guān)系出發(fā)，通過(guò)繪制其二者之間的函數(shù)曲線(xiàn)的方法，分析了有效拉力對(duì)輸送帶壽命的影響，并給出了有效拉力的合理的最大值.結(jié)合經(jīng)典力學(xué)相關(guān)知識(shí)，計(jì)算出合理的有效拉力最小值，最終給出了施加有效拉力的合理范圍.

液壓張緊；輸送帶；有效拉力；輸送帶壽命

0 引言

輸送帶由于具有高效、連續(xù)運(yùn)輸?shù)哪芰?、使用?jiǎn)便、維護(hù)容易、運(yùn)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)[1-2]，車(chē)站以及煤礦[3]等領(lǐng)域中.但是輸送帶也存在一些缺點(diǎn)[4]，使用壽命低就是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題.輸送帶在使用過(guò)程中會(huì)因?yàn)槟p、應(yīng)力變形等原因造成輸送帶的圓周長(zhǎng)度增加，從而容易造成輸送帶打滑現(xiàn)象的發(fā)生.在輸送帶工作的過(guò)程中，當(dāng)帶的有效拉力太小，就會(huì)出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象造成帶的壽命降低，當(dāng)帶的有效拉力過(guò)大，就會(huì)使帶受的應(yīng)力過(guò)大，同樣會(huì)降低帶的壽命.輸送帶張緊裝置是一種防止以上現(xiàn)象發(fā)生的裝置.輸送帶制造商以及使用者十分關(guān)注輸送帶的使用壽命問(wèn)題[5].從輸送帶工作時(shí)受力以及使用壽命的角度出發(fā)，分析如何設(shè)定輸送帶張緊裝置的張力上下限，能使輸送帶在最長(zhǎng)壽命下工作.

1 液壓張緊裝置的工作原理

液壓張緊裝置通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送帶的張力，當(dāng)實(shí)時(shí)張力小于工作拉力下限，該裝置就會(huì)對(duì)輸送帶進(jìn)行張緊，當(dāng)輸送帶的是實(shí)時(shí)張力達(dá)到設(shè)定的工作拉力上限時(shí)，該裝置就會(huì)停止對(duì)輸送帶進(jìn)行張緊.如果工作拉力下限設(shè)定的太小，就可能會(huì)因?yàn)閺埩^(guò)小，而造成輸送帶的打滑現(xiàn)象，如果設(shè)置的太大，就會(huì)使輸送帶的壽命受到影響.

液壓張緊裝置工作原理圖如圖1所示：

圖1 張緊小車(chē)原理示意圖

2 輸送帶傳動(dòng)的理論分析

輸送帶和帶傳動(dòng)理論相似，這里借用帶傳動(dòng)的相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算.單根輸送帶的有效拉力，也是輸送帶所需要的最小拉力[F0]min[6-7]

式中：Kα為包角修正系數(shù)，這里取1；Pca為計(jì)算功率；P為減速器輸出的功率485 kW；KA為工作情況系數(shù)，取1.3；z為帶的根數(shù)，這里為1；v為輸送帶的速度，3.15 m/s；q輸送帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，19.5kg/m.代入上式得到[F0]min=150 kN.為了計(jì)算方便，這里假設(shè)輸送帶的橫截面積為矩形，而帶的寬度為1 400mm，厚度為14mm，橫截面的面積A=1.96×10-2m2.則輸送帶在最小拉力下的應(yīng)力[σmin]=7.65MPa.

輸送帶所受的應(yīng)力與壽命有如下的關(guān)系[8]：

將式(3)變形后得到如下公式，

式中：[σ]為帶所受的應(yīng)力；C為由帶的材料和結(jié)構(gòu)所決定的常數(shù)；L為輸送帶的長(zhǎng)度，495 m；j為帶上某一點(diǎn)繞行一周后所經(jīng)歷的帶輪數(shù)，這里為2；T為帶的壽命.

現(xiàn)在將[σmin]帶入式(4)，可以得到：

將參數(shù)都帶入式(4)可以得到如下式子成立：

圖2 輸送帶應(yīng)力與壽命關(guān)系

從圖2可以分析出，如果將輸送帶工作在最小拉力下的帶的壽命看為單位1，當(dāng)有效拉力為最小拉力的110%時(shí)，輸送帶的壽命將變?yōu)?.35，而當(dāng)輸送帶的有效拉力為最小拉力的120%時(shí)，輸送帶的壽命將變?yōu)?.13，當(dāng)輸送帶的有效拉力為最小拉力的130%時(shí)，輸送帶的壽命僅為0.05.當(dāng)輸送帶的有效拉力為最小拉力的140%時(shí)，輸送帶的壽命將變?yōu)?.02.雖然輸送帶的有效拉力越接近最小拉應(yīng)力越小，但是也不能無(wú)限的接近最小拉應(yīng)力，最小拉應(yīng)力僅僅是保證帶在空載時(shí)不打滑的前提條件，當(dāng)輸送帶有負(fù)載時(shí)，所需要的有效拉力將大于最小有效拉力，應(yīng)該適當(dāng)增大輸送帶的有效拉力.如果有效拉力過(guò)小將造成輸送帶頻繁打滑，也會(huì)造成輸送帶的壽命降低.故應(yīng)該選擇合理的拉力.

從上述理論分析可知，由于該液壓張緊裝置主要應(yīng)用于煤礦的傳輸，所以要求拉力要比最小拉力大的多.這里選用的有效拉力為輸送帶的最小初拉力的130%時(shí)，此時(shí)輸送帶的壽命為其再最小初拉力時(shí)的壽命的5%，在可以接受的范圍.當(dāng)有效拉力增大到最小初拉力的140%時(shí)，輸送帶的壽命僅為最小拉力是的2%，輸送帶的壽命將降低了50%以上.所以這里將有效拉力的值設(shè)定為最小初拉力的130%.從上面的計(jì)算可以知道，該型號(hào)的液壓張緊裝置的最小初拉力為150kN，該最小初拉力的130%為195kN，而該設(shè)備實(shí)際設(shè)定的張緊力為190kN.從輸送帶的壽命的角度出發(fā)，將輸送帶的有效拉力設(shè)定稍微小于130%可以延長(zhǎng)帶的壽命.

該輸送帶的相關(guān)參數(shù)如下：型號(hào)為ST800，鋼絲繩公稱(chēng)直徑為3.5mm，鋼絲繩間距為10mm，鋼絲繩根數(shù)為133.

該輸送帶為鋼絲繩芯輸送帶，輸送帶的膠帶部分的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼絲繩芯的彈性模量.故輸送帶的拉力主要由鋼絲繩芯承受，這里僅對(duì)鋼絲繩芯進(jìn)行有限元分析.當(dāng)輸送帶的張力為液壓張緊裝置的張力上限時(shí)，輸送帶的拉力為190kN.則每根鋼絲繩所受的拉力F1為

這里取安全系數(shù)K=2，鋼絲繩的泊松比為0.3，彈性模量為206GPa，鋼絲繩的屈服強(qiáng)度為600MPa，這里對(duì)單根鋼絲繩建模并劃分網(wǎng)格如圖3(a)所示，并進(jìn)行有限元分析如圖3(b)所示.從

(a)網(wǎng)格模型

(b)受力云圖

中可以看出鋼絲繩的最大應(yīng)力為388 MPa，小于鋼絲繩的屈服強(qiáng)度.故在該拉力下，輸送帶的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求.

已知該型號(hào)的輸送帶的輸送能力為平均1 800 t/h，由于物料對(duì)輸送帶的動(dòng)態(tài)作用力很難準(zhǔn)確計(jì)算[9]，故這里作用效果僅僅是一個(gè)平均值，也就是500 kg/s，如果被輸送物體的流量突然增加，就會(huì)導(dǎo)致所需要的摩擦力變大也就是輸送帶的張力變大.如果此時(shí)的預(yù)緊力小于所需要的預(yù)緊力就會(huì)造成輸送帶的打滑，從而降低輸送帶的壽命.這里取過(guò)載系數(shù)為5，也就是允許輸送帶的瞬時(shí)輸送流量為2 500 kg/s.由于帶傳動(dòng)的滑動(dòng)系數(shù)很小，通常控制在0.01～0.02范圍內(nèi)[10]，這里可以近似認(rèn)為滑動(dòng)系數(shù)為恒定值.根據(jù)物理學(xué)運(yùn)動(dòng)定律就有：

式中：v為輸送帶的輸送速度，這里為3.15 m/s;a為被輸送物體落在輸送帶上時(shí)的加速度；s為被輸送物體達(dá)到輸送帶速度前相對(duì)輸送帶的位移；f為輸送帶與被輸送物體之間的動(dòng)摩擦力；m為單位時(shí)間落在輸送帶上的被輸送物體的質(zhì)量;μ為輸送帶與被輸送物體之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，這里取0.5；g為重力加速度，這里取10m/s2.

通過(guò)以上計(jì)算可以得出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，輸送帶與被輸送物體之間的滑動(dòng)摩擦力最大可以達(dá)到12.5kN，而輸送帶的最小張緊力為150N，故該型號(hào)的輸送帶的最小張緊力應(yīng)設(shè)定為162.5kN.

綜上所述輸送帶的張緊力下限應(yīng)當(dāng)設(shè)定為162.5kN，也就是說(shuō)當(dāng)輸送帶的張緊力小于162.5kN時(shí)，就應(yīng)該啟動(dòng)液壓張緊裝置對(duì)輸送帶進(jìn)行張緊，否則輸送帶就容易造成打滑從而影響輸送帶壽命.輸送帶的張力上限應(yīng)當(dāng)設(shè)定為190kN，也就是說(shuō)當(dāng)輸送帶的張緊力大于190kN時(shí)，液壓張緊裝置就應(yīng)當(dāng)立即停止張緊，否則會(huì)因?yàn)閺埦o力過(guò)大造成輸送帶的使用壽命嚴(yán)重縮短.根據(jù)使用的場(chǎng)合也可以將輸送的張緊力下限適當(dāng)提高，但是不可以提高過(guò)大，因?yàn)閺埦o力的下限如果設(shè)置的過(guò)高，雖然可以一定程度上降低輸送帶打滑的機(jī)會(huì)，但是由于系統(tǒng)存在泄露.當(dāng)張緊裝置停止張緊時(shí)系統(tǒng)的壓力會(huì)逐漸降低，如果張緊壓力下限設(shè)置的很高，就會(huì)造成張緊裝置中的液壓泵頻繁啟停，從而降低液壓系統(tǒng)中的液壓泵的壽命.

3 結(jié)論

結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目，通過(guò)理論推導(dǎo)，驗(yàn)證了該液壓張緊裝置的預(yù)緊力的設(shè)置的合理性，并通過(guò)專(zhuān)業(yè)的繪圖軟件繪制出輸送帶的有效拉力與輸送帶壽命的關(guān)系曲線(xiàn)，通過(guò)分析圖像法，分析出了該液壓張緊裝置張緊力的上限，通過(guò)經(jīng)典力學(xué)理論計(jì)算出液壓張緊裝置張力的下限.對(duì)皮帶張緊裝置的使用以及輸送帶的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義.

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Life Analysis of Conveyer-Belt on a Hydraulic Tensioning Device

FAN Kuiyuan1,TAN Xiaodong2,SONG Piwei2,LI Yang2

(1.CNR Qiqihar Railway Rolling Stock Co.,Ltd,Qiqihar 161000,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Theoretical analysis is conducted on a conveyor belt conveyor tensioning device,and the relationship of effective strain and the life of the conveyor belt is obtained.Through the relationship curve,the influence of the effective tension on the conveyor belt life is discussed,and the reasonable maximum effective strain is presented.By the knowledge of classical mechanics,the minimum effective tension is calculated,and the rational range of the effective tension is obtained.

hydraulic tensioning;conveyer-belt;valid pulling stress;conveyer-belt life

1673-9590(2015)03-0048-04

2014-03-21

范魁元(1973-)，男，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事機(jī)電系統(tǒng)及自動(dòng)化技術(shù)的研究E-mail:ye9ling@163.com.

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