帶式輸送機(jī)斷帶捕捉器建模與動(dòng)態(tài)仿真

白曉淵

（山西西山煤電股份有限公司太原選煤廠， 山西 太原 030023）

引言

帶式輸送機(jī)是煤炭行業(yè)煤炭生產(chǎn)過程用于煤炭運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵不可缺少的重要設(shè)備，但由于輸送帶的特殊工作特性及材料特性，在其長期、高負(fù)荷的工作狀態(tài)下，會(huì)經(jīng)常發(fā)生輸送帶斷裂事故。斷裂后失去控制的輸送帶及其上重物會(huì)向下滾落對兩旁的行人、電纜、管路及其他設(shè)備等造成二次損壞。為了提高煤礦生產(chǎn)的安全性，帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)措施的研制必須得到相關(guān)方面的組織及機(jī)構(gòu)的高度重視，當(dāng)輸送帶斷裂時(shí)斷帶捕捉器能及時(shí)、可靠地制動(dòng)下滑的輸送帶，避免引發(fā)惡性事故。帶式輸送機(jī)斷帶捕捉器對輸送帶的制動(dòng)特性除了依賴于斷帶捕捉器的自身結(jié)構(gòu)特性外，更大程度上依賴于斷帶捕捉器在輸送機(jī)系統(tǒng)上布置的結(jié)構(gòu)形式，目前多數(shù)學(xué)者對輸送機(jī)斷帶捕捉器抓捕特性的研究主要集中于斷帶捕捉器的本身，很少去對輸送機(jī)系統(tǒng)上捕捉器的布置形式進(jìn)行研究，因此本文以某型斷帶捕捉器為研究對象，通過對其進(jìn)行建模和仿真分析，對不同布置結(jié)構(gòu)下對其抓捕特性的影響進(jìn)行了分析，對優(yōu)化斷帶捕捉器的布置形式，提升輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性具有重要的指導(dǎo)意義。

1 斷帶捕捉器結(jié)構(gòu)及工作原理

帶式輸送機(jī)斷帶捕捉器的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及其安裝位置如圖1所示[1]。斷帶捕捉器的結(jié)構(gòu)以及其工作原理決定了其在帶式輸送機(jī)上的特殊安裝位置，一般來說，斷帶抓捕器擁有上下兩塊對夾式的閘塊，安裝時(shí)主要是將輸送帶處于兩個(gè)閘塊之間，由于輸送帶的特殊工作過程，需要在輸送帶的兩側(cè)同時(shí)各布置一套斷帶抓捕器，以保證抓捕力的平衡。斷帶抓捕器的作用主要是依靠上閘塊的動(dòng)作進(jìn)行夾緊，上閘塊主要通過與固定輸送機(jī)在一起的液壓缸提供動(dòng)力。斷帶抓捕器發(fā)生斷帶抓捕行為時(shí)，上、下閘塊都靠石棉制動(dòng)摩擦片壓住輸送帶，實(shí)現(xiàn)對斷裂的輸送帶的可靠的制動(dòng)。

圖1 帶式輸送機(jī)斷帶捕捉器結(jié)構(gòu)示意圖

2 斷帶抓捕過程動(dòng)力學(xué)模型的建立

利用離散元分析理論，建立帶式輸送機(jī)的簡化數(shù)學(xué)模型，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中：ki表示第i個(gè)離散單元的彈性系數(shù)，ci表示第i個(gè)離散單元的阻尼系數(shù)，mi為第i個(gè)離散單元的質(zhì)量。

圖2 帶式輸送機(jī)的離散元數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，將帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的承載段劃分為k個(gè)離散單元，將輸送帶的空載段劃分為n-k-3個(gè)結(jié)構(gòu)單元。

對第i個(gè)離散單元在制動(dòng)時(shí)的受力情況進(jìn)行分析，其受力如下頁圖3所示[2]。

由圖3分析可知，第i個(gè)單元在制動(dòng)時(shí)的受力方程可表示為[3]：

圖3 第個(gè)離散單元的受力示意圖

由于輸送帶的黏彈性特性，因此利用Vogit模型可分析得：

式中：Si為第i個(gè)離散單元上所受到的拉力；Si+1為第i+1個(gè)離散單元上所受到的拉力；mi為第i個(gè)離散單元的重量；mi+1第i+1個(gè)離散單元的重量；xi為第i個(gè)離散單元的位移；xi+1為第i+1個(gè)離散單元的位移；ki為第i個(gè)離散單元的彈性系數(shù)；ci為第i個(gè)離散單元的阻尼系數(shù)；fi為第i個(gè)離散單元制動(dòng)時(shí)的摩擦力。

因此帶式輸送機(jī)系統(tǒng)輸送帶在斷帶抓捕器制動(dòng)作用下的方程可表為：

式中：{}為輸送帶的位移向量；{˙}為輸送帶的速度向量；{x}為輸送帶的加速度向量；[M]為輸送帶的質(zhì)量矩陣；[K]為輸送帶的剛度矩陣；[C]為輸送帶的阻尼矩陣；{F}為外力向量。

3 制動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)仿真分析

將帶式輸送機(jī)劃分為63個(gè)質(zhì)量單元，其中承載段為30個(gè)質(zhì)量單元，非承載區(qū)域的回程段劃分為30個(gè)質(zhì)量單元，將第37個(gè)質(zhì)量單元定義為尾部改向滾筒，將第51個(gè)質(zhì)量單元定義為張緊滾筒，將第63個(gè)質(zhì)量單元定義為驅(qū)動(dòng)滾筒單元，經(jīng)計(jì)算該輸送機(jī)系統(tǒng)中所需要的捕捉器的數(shù)量為31組，利用MATLAB軟件將輸送帶在受制動(dòng)情況下的動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)入其中，采用的ODE解法進(jìn)行求解[4]，對不同抓捕器布置距離情況下輸送帶制動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。

3.1 等間距布置時(shí)的抓捕動(dòng)態(tài)仿真

將31組捕捉器沿輸送機(jī)機(jī)架均勻布置，因輸送機(jī)下滑時(shí)重力越大，下滑時(shí)所需的制動(dòng)力越大，因此本文對斷帶發(fā)生在輸送機(jī)上側(cè)機(jī)頭位置處時(shí)的情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示，圖中1表示第3個(gè)質(zhì)量單元的速度變化情況，2表示第17個(gè)質(zhì)量單元的速度變化情況，3表示第30個(gè)質(zhì)量單元的速度變化情況，速度大于零表示輸送帶向上運(yùn)動(dòng)，速度小于零表示輸送帶向下運(yùn)動(dòng)。

圖4 等距離布置時(shí)不同質(zhì)量單元的速度變化情況

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)斷帶事故發(fā)生后，輸送帶帶速逐漸降低為零然后開始下滑，當(dāng)斷帶捕捉器開始工作后逐漸實(shí)現(xiàn)對輸送帶的制動(dòng)。其中第3個(gè)質(zhì)量單元在約0.3 s時(shí)速度就降為零，其下滑時(shí)的最大速度約為3.39 m/s，第17個(gè)質(zhì)量單元在約0.4 s時(shí)速度降低為零，其下滑時(shí)的最大速度約為2.83 m/s，第30個(gè)質(zhì)量單元在約0.43 s時(shí)速度降低為零，其下滑時(shí)的最大速度約為3.57 m/s。當(dāng)斷帶捕捉器開始制動(dòng)后3號(hào)質(zhì)量單元經(jīng)過約2.71 s實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，第17個(gè)單元經(jīng)過約2.49 s實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，第30個(gè)質(zhì)量單元經(jīng)過約2.14 s實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。由此可知，距離斷點(diǎn)越近其速度下降的越快，執(zhí)行抓捕時(shí)的制動(dòng)時(shí)間也越長。

3.2 非等間距布置時(shí)的抓捕動(dòng)態(tài)仿真

根據(jù)以上分析結(jié)果，對斷帶捕捉器設(shè)置時(shí)采取上密，下疏的布置方式，前10組設(shè)置為間距為20 m，第11—20組間距設(shè)置為30 m，第21—31組間距設(shè)置為40 m，其抓捕時(shí)的動(dòng)態(tài)特性如圖5所示。

圖5 非等距離布置時(shí)不同質(zhì)量單元的速度變化情況

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)斷帶捕捉器執(zhí)行抓捕后，3號(hào)質(zhì)量單元經(jīng)過約2.2 s實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)，17號(hào)質(zhì)量單元經(jīng)過約2.5 s實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，第30個(gè)質(zhì)量單元經(jīng)過約2.52 s實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)，由于斷帶捕捉器在前部分布置密集，制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力較大，因此3號(hào)質(zhì)量單元制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)加速度最大，最先實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)。

通過對比斷帶捕捉器均勻分布和非均勻分布情況下，輸送帶制動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，在采用非均勻分布情況下，斷帶捕捉裝置制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力矩大、制動(dòng)速度快，輸送帶下滑的距離小，而且根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證其抓捕后輸送帶基本不會(huì)發(fā)生撕裂現(xiàn)象，因此在制動(dòng)時(shí)所受的沖擊最小，抓捕效果也最好。

4 結(jié)語

1）輸送帶斷帶后，距離斷點(diǎn)越近質(zhì)量單元的速度下降的越快，執(zhí)行抓捕時(shí)的制動(dòng)時(shí)間也越長。

2）采用捕捉器非均勻分布情況下，斷帶捕捉裝置制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力矩大、制動(dòng)速度快，輸送帶下滑的距離小，抓捕后輸送帶基本不會(huì)發(fā)生撕裂現(xiàn)象，因此在制動(dòng)時(shí)所受的沖擊最小，抓捕效果也最好。