基于simulink的礦用帶式輸送機捕捉器斷帶抓捕過程研究

王 超

（霍州煤電集團辛置煤礦 ，山西 霍州 031412）

0 引 言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，帶式輸送機作為井下重要的煤礦輸送設(shè)備，其設(shè)備綜合性能的好壞直接影響著煤礦的輸送效率。皮帶作為帶式輸送機中重要零件，其使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)較大裂紋、皮帶松弛、皮帶瞬間斷裂等故障現(xiàn)象，致使帶式輸送機只能停止作業(yè)，嚴重影響著帶式輸送機的井下作業(yè)安全。將抓捕器合理應(yīng)用到帶式輸送機中，有效實現(xiàn)皮帶斷裂后的快速抓捕動作，已成為當下煤礦企業(yè)重點關(guān)注的問題。

因此，以帶式輸送機結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，對皮帶斷帶原因及捕捉器性能進行分析研究，根據(jù)捕捉器抓捕過程的性能特點，采用MATLAB/Simulink軟件，建立了捕捉器抓捕過程數(shù)學模型及仿真模型，開展了捕捉器抓捕過程的仿真分析研究，得到了抓捕器對皮帶斷帶后的影響規(guī)律及捕捉器的最佳設(shè)計數(shù)量。這對提高捕捉器的捕捉性能、實現(xiàn)皮帶斷帶后的快速制動具有重要作用。

1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)分析

帶式輸送機種類較多，但其結(jié)構(gòu)基本相同，主要由皮帶、主動滾筒、清掃裝置、機架、尾架、拉緊裝置等組成。其中，拉緊裝置則主要負責將皮帶進行拉緊，保證滾筒與皮帶之間具有較好的摩擦力。而皮帶則是最容易發(fā)生結(jié)構(gòu)裂紋及斷裂的零件之一。皮帶發(fā)生斷裂后，為有效避免相關(guān)事故的發(fā)生，在帶式輸送機中安裝了不同數(shù)量的斷帶捕捉器，通過捕捉器中液壓機構(gòu)施加捕捉力，在較短時間和較短距離內(nèi)，實現(xiàn)對斷帶后皮帶的有效抓捕。捕捉器的結(jié)構(gòu)主要由液壓缸、托輥、支撐臂、上/下閘塊等部件組成，具有捕捉性能優(yōu)越，性能穩(wěn)定可靠等特點，已在諸多帶式輸送機中進行了廣泛應(yīng)用。掌握捕捉器的結(jié)構(gòu)性能，提高皮帶斷帶后的抓捕效果，對保證帶式輸送機的工作效率至關(guān)重要。

2 皮帶斷帶原因分析

帶式輸送機在使用過程中，整體結(jié)構(gòu)經(jīng)常會發(fā)生各類故障問題，其中，皮帶的磨損嚴重、結(jié)構(gòu)裂紋、斷帶等故障現(xiàn)象時有發(fā)生，是帶式輸送機中的主要故障問題。因此，對其發(fā)生斷裂的原因進行了分析。

1）帶式輸送機在運行過程中，經(jīng)常會由各類碎石、煤塊等雜質(zhì)掉入至運行的皮帶中，導致皮帶的拉緊度瞬間增大，在長時間的拉緊狀態(tài)下，皮帶出現(xiàn)了斷裂故障；

2）目前，帶式輸送機中的皮帶主要采用硫化接頭方式進行連接。而在接頭連接時，未對連接所需的溫度、壓力等參數(shù)進行合理的控制，且連接工藝的不正確選擇，導致連接頭在長期運行過程中出現(xiàn)了較大裂紋、斷裂等故障；

3）帶式輸送機中的齒輪減速器是實現(xiàn)皮帶轉(zhuǎn)動的重要部件，其長期運行中，會出現(xiàn)齒輪磨損嚴重及斷裂現(xiàn)象，間接導致了皮帶發(fā)生斷裂現(xiàn)象；

4）帶式輸送機啟動和停車瞬間，皮帶會受到較大的瞬間作用力，加上輸送機偶爾會加載狀態(tài)下啟動，導致皮帶受到的瞬間作用力更大，造成了皮帶了斷裂故障；

5）皮帶運行過程中，其所運輸?shù)拿禾恐亓繒r常會發(fā)生變化，存在煤炭分布不均勻現(xiàn)象，加上皮帶經(jīng)常處于超載模式的工作狀態(tài)，致使皮帶因受力不均勻而出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。

因此，有效降低皮帶的斷裂概率，提高其運行效果成為當下的研究重點。

3 捕捉器性能要求

針對帶式輸送機皮帶斷裂問題，設(shè)計開發(fā)了一種斷帶捕捉器結(jié)構(gòu)。該捕捉器主要起到對皮帶發(fā)生斷裂故障時進行捕捉的作用，以有效避免因皮帶斷裂而引發(fā)相關(guān)安全事故。因此，捕捉器在設(shè)計過程中，需滿足如下性能要求。

1）能針對皮帶產(chǎn)生裂紋、斷裂及逆運轉(zhuǎn)時啟動有效的捕捉作用；

2）帶式輸送機正常運行時，捕捉器不產(chǎn)生額外的附加作用力，不對皮帶造成附加的磨損及阻礙作用；

3）皮帶發(fā)生斷裂故障時，捕捉器能對不同裝載狀態(tài)下的輸送機及不同角度的皮帶進行有效捕捉；

4）捕捉器需具有較高的捕捉作用力，其作用范圍較寬，以實現(xiàn)對不同運轉(zhuǎn)程度下的皮帶進行快速捕捉；

5）整體結(jié)構(gòu)簡單，操作及維修方便，具有較高的性能可靠性和穩(wěn)定性，能較好的滿足帶式輸送機惡劣環(huán)境下的使用需求。

4 捕捉器抓捕過程模型建立

4.1 模型建立

所設(shè)計的捕捉器在工作過程中，主要通過液壓缸的驅(qū)動作用，使捕捉器產(chǎn)生一定大小的捕捉力，以實現(xiàn)對皮帶的抓捕動作。因此，在捕捉器抓捕數(shù)學模型建立過程中，當液壓缸中上閘塊對輸送帶進行壓緊作用時，可將其簡化為彈性體，由此得到了抓捕器作業(yè)過程中的力學平衡方程：

式中：x為碟簧移動變量，單位mm；M為蝶簧剛度，單位N/mm；K為蝶簧預壓縮量，單位mm；B為粘性阻尼系數(shù)，單位N·s/m；E為皮帶切向彈性模量，單位N；F為回油腔壓力，單位N。

為實現(xiàn)簡化模型的分析強度，提高仿真精度，對模型中的非線性負載進行了忽略，即對平衡方程進行了模型簡化，簡化后公式為：

因此，采用MATLAB/Simulink軟件，對簡化后的數(shù)學模型進行仿真模型的建立，得到了捕捉器抓捕過程的仿真模型，如圖1所示。

圖1 捕捉器抓捕過程仿真模型

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 皮帶位移、速度變化分析

通過仿真分析，得到了帶式輸送機皮帶斷帶過程中的位移、速度的變化曲線，如圖2所示。由圖可知，在0到0.9s中，皮帶發(fā)生了斷裂，其位移及速度呈逐漸增大趨勢，0.9s之后，皮帶的位移緩慢上升趨勢，而速度則呈逐漸降低趨勢，在2.7s時，皮帶的下滑位移達到最大，而速度則將為零。分析其原因為：在此過程中，抓捕器正在對斷帶后的皮帶進行抓捕作業(yè)，導致皮帶的下滑速度逐漸降為零，在2.7s時，抓捕器實現(xiàn)了對皮帶的完全抓捕。整個抓捕過程總所消耗的時間為1.6s，皮帶下滑12mm后，實現(xiàn)完成抓捕。由此可知，抓捕器能在較短時間范圍內(nèi)對皮帶進行有效的制動抓捕，可較好的實現(xiàn)對皮帶斷帶的作業(yè)保護，具有一定的可行性。

圖2 皮帶斷帶后位移、速度變化曲線

4.2.2 捕捉器數(shù)量的影響分析

雖捕捉器對皮帶斷帶具有較好的抓捕作用，但不同數(shù)量的抓捕器，對皮帶的抓捕制動時間和距離具有不同的抓捕效果。抓捕器數(shù)量越少，雖節(jié)約了成本，但也降低了對皮帶的抓捕制動力，延長了制動時間。因此，結(jié)合該仿真模型，分析了不同抓捕器數(shù)量對皮帶制動時間和距離的影響分析，其仿真結(jié)果如圖3所示。由圖可知，皮帶斷帶后所需的制動時間和制動距離隨捕捉器數(shù)量增多呈先迅速降低，再緩慢減小的變化趨勢，其中，捕捉器數(shù)量為8、9時，皮帶所需的制動時間和制動距離相對最高；若在此配置下，將會對機帶式輸送機的作業(yè)安全構(gòu)成重要威脅。而捕捉器數(shù)量為12、14個范圍內(nèi)時，皮帶所需的制動時間和距離則變化較小。因此，根據(jù)此分析結(jié)果，結(jié)合工程實際，可將帶式輸送機中的捕捉器數(shù)量設(shè)計在12～14個范圍內(nèi)，既能對皮帶實現(xiàn)較好的捕捉制動作用，并滿足帶式輸送機的作業(yè)需求，又可有效節(jié)約設(shè)備的經(jīng)濟成本。

圖3 不同捕捉器數(shù)量對制動時間和制動距離的影響圖

5 結(jié) 論

以帶式輸送機結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，對皮帶斷帶原因及捕捉器性能進行分析研究，根據(jù)捕捉器抓捕過程的性能特點，采用MATLAB/Simulink軟件，建立了捕捉器抓捕過程數(shù)學模型及仿真模型，開展了捕捉器抓捕過程的仿真分析研究，得出如下結(jié)論：

1）抓捕器能在較短時間、較短下滑位移范圍內(nèi)對皮帶進行有效的制動抓捕，較好的實現(xiàn)對皮帶斷帶的作業(yè)保護；

2）皮帶斷帶后所需的制動時間和制動距離隨捕捉器數(shù)量增多呈先迅速降低，再緩慢減小的變化趨勢；

3）將捕捉器數(shù)量設(shè)計在12～14個范圍內(nèi)，既能對皮帶實現(xiàn)較好的捕捉制動作用，又能有效節(jié)約帶式輸送機的經(jīng)濟成本。

4）該研究對提高捕捉器的捕捉性能，實現(xiàn)皮帶斷帶后的快速制動具有重要作用，對刮板輸送機捕捉器的改進設(shè)計具有指導價值。