張緊方式對帶式輸送機啟動特性的影響

揭施軍1,， 熊曉燕， 武 兵， 牛藺楷

(1. 桂林理工大學南寧分校機械與控制工程系， 廣西崇左 532100； 2. 太原理工大學機械工程學院， 山西太原 030024)

引言

帶式輸送機是物料輸送的重要設(shè)備，并逐漸向大運量、長距離和高帶速方向發(fā)展，其動態(tài)特性變得越來越顯著。尤其在輸送機啟動過程中，由于張緊裝置來不及響應，使得張緊裝置提供的張緊力減小，輸送帶張力發(fā)生較大的波動，影響輸送機的穩(wěn)定運行[1]。眾多學者對此展開了研究，毛君等[2]在研究影響張緊行程的因素時，分析了不同張緊方式的優(yōu)缺點；汪巖峰等[3]對不同張緊裝置的結(jié)構(gòu)進行了分析，并對張緊裝置的選型和應用提出了合理建議；李冬梅等[4]對不同張緊裝置的動力學模型進行了分析，為防止輸送帶局部應力過小或過大提供了理論依據(jù)。本研究通過分析不同張緊方式對輸送機啟動特性的影響，便于使用者根據(jù)不同場合選擇合適的張緊方式，對于保證帶式輸送機的穩(wěn)定運行，增強帶式輸送機的安全性和延長使用壽命具有重要意義。

1 張緊裝置工作原理

張緊裝置是帶式輸送機的一個重要組成部分，為輸送機的正常運行提供穩(wěn)定的張緊力。張緊裝置按作用分為三類：重錘式、固定式和自動液壓張緊式，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 三種張緊方式

其中圖1a為重錘式張緊，應用廣泛，結(jié)構(gòu)簡單。其工作原理是利用重錘的自重來張緊輸送帶，且重錘往復運動能補償輸送帶的彈塑性性伸長；圖1b為固定式張緊方式，其鋼絲繩的一段固定，另一端與張緊小車相連，且只能在停機狀態(tài)進行張緊力的調(diào)整；圖1c為自動液壓張緊方式，主要由張緊小車、鋼絲繩和控制系統(tǒng)等組成，通過控制液壓缸兩腔的油壓，調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮實現(xiàn)對張緊力的自動調(diào)節(jié)，并能對輸送帶的彈塑性伸長進行補償，確保帶式輸送機的正常運行[3-4]。

2 輸送帶動力學模型的建立

由于張緊裝置一般具有自動張緊功能，可以補償輸送帶因張力變化造成的松弛[5]。本研究僅考慮輸送機的啟動特性，故可選擇Kelvin-Voigt模型作為輸送帶的粘彈性模型來進行動態(tài)分析，帶式輸送機的離散模型[6]如圖2所示。

將輸送帶單元、驅(qū)動單元和張緊單元動力學方程進行組合，可得輸送機系統(tǒng)動力學方程為，離散模型的動力學方程可化為[7-8]：

{F}={F1，F(xiàn)2,…，F(xiàn)n}T{X}={x1，x2,…，xn}T

式中，M—— 輸送帶的離散質(zhì)量矩陣

C—— 阻尼矩陣

K—— 剛度矩陣

F—— 激勵矩陣

X—— 位移矩陣

3 張緊裝置模型建立

根據(jù)以上建模參數(shù)，建立不同張緊方式的物理模型，如圖3～圖5所示。

圖3 重錘式張緊方式

圖2 帶式輸送機的離散模型

表1 帶式輸送機建模參數(shù)

圖4 固定式張緊方式

圖5 自動液壓張緊方式

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上建立的物理模型，代入表1的建模參數(shù)，輸送機按“S”形正弦方式啟動[9]，對不同張緊方式進行了仿真，其仿真結(jié)果為：輸送帶最大張力點-承載段驅(qū)動滾筒處的加速度和張力響應曲線、張緊裝置提供的張緊力以及張緊小車和重錘的位移曲線，如圖6～圖9所示。

圖6 承載段驅(qū)動滾筒處加速度

圖7 承載段驅(qū)動滾筒處張力

圖8 張緊裝置張緊力響應曲線圖

從以上仿真結(jié)果可知，在第一次啟動過程中，輸送帶承載段的張力峰值會發(fā)生較大波動，而在第二次加速過程中，輸送帶承載段張力峰值波動明顯降低，可知“S”形啟動方式能有效降低輸送帶最大張力峰值。通過對比四種張緊方式對輸送帶承載段張力波動的影響，可知當張緊裝置保持理想恒力張緊時，輸送帶張力仍然有較大的波動，而當不同的張緊裝置提供的張緊力波動程度不同時，輸送帶承載段張力波動也不相同，可知，啟動方式和張緊力穩(wěn)定性會影響輸送帶承載段張力峰值波動。

圖9 張緊小車和重錘的加速度響應曲線

圖9反映輸送機啟動瞬間，由于張緊裝置來不及響應，使其提供的張緊力急劇減小。其中，重錘張緊方式響應速度最快，液壓自動張緊方式中的張緊小車響應速度最慢。當張緊裝置響應速度較快時，能保持張緊裝置提供的張緊力在一個較小的范圍內(nèi)波動，從圖8可知，將導致輸送帶承載段張力峰值波動增大。固定式張緊方式，由于張緊位置不變，張緊裝置不能隨著負載的變化進行張緊力的調(diào)節(jié)，使得張緊裝置提供的張緊力在預張緊階段較大，在輸送機啟動和穩(wěn)定運行時，由于輸送帶發(fā)生彈塑性變形，回程段懸垂度增加[10]。從圖7可知，使得張緊裝置提供的張緊力減小，其較小張緊力波動使得輸送帶承載段張力峰值產(chǎn)生較大波動。從圖8和圖9仿真曲線可知，在輸送機啟動過程中，自動液壓張緊系統(tǒng)來不及響應，使得張緊裝置提供的張緊力急劇減小，降低了輸送帶張力峰值，避免了輸送帶發(fā)生斷裂事故[11]，但較小的張緊力，易使得輸送帶發(fā)生疊帶現(xiàn)象。

5 結(jié)論

通過利用AMESim軟件建立帶式輸送機不同張緊方式的物理模型，并分析在輸送機啟動過程中不同張緊方式對輸送帶動態(tài)特性的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 重錘張緊方式和固定式張緊方式由于張緊裝置響應速度高，會使得輸送帶承載段張力峰值增大并產(chǎn)生波動，可能使輸送帶發(fā)生斷帶事故，故這兩種張緊方式適合于中小型慢速帶式輸送機；

(2) 自動液壓張緊方式由于響應速度低，使得張緊裝置提供的張緊力變化范圍增大，降低了輸送帶承載段最大張力值，故適合于長距離、高帶速的帶式輸送機。