帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置設(shè)計(jì)研究

冀悟穎

（晉能控股集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037000）

引言

隨著煤炭開(kāi)采業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)井下開(kāi)采的主要運(yùn)輸設(shè)備（帶式輸送機(jī)）的要求也越來(lái)越高，帶式輸送機(jī)不斷朝著高帶速、長(zhǎng)距離、大運(yùn)載量的方向發(fā)展。由于輸送帶自身特性，隨著輸送帶長(zhǎng)度的不斷增加，輸送帶的動(dòng)態(tài)特性也逐漸復(fù)雜。傳統(tǒng)的運(yùn)用靜態(tài)特性對(duì)輸送帶進(jìn)行受力分析設(shè)計(jì)的方法已無(wú)法適應(yīng)設(shè)備的實(shí)際使用要求。而僅僅通過(guò)加大設(shè)備安全系數(shù)、增大滾筒圓周力也只能強(qiáng)化輸送帶強(qiáng)度，不合理的部件參數(shù)會(huì)使得設(shè)備制造成本升高，安全穩(wěn)定性降低。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文提出采用動(dòng)態(tài)特性分析的方法對(duì)帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期提高帶式輸送機(jī)使用壽命，確保設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定性，提升企業(yè)運(yùn)輸效率。

1 輸送帶的動(dòng)態(tài)特性分析

帶式輸送機(jī)的輸送帶主要由覆蓋層以及帶芯組成。覆蓋層包括上下兩個(gè)覆蓋層，上覆蓋層略厚于下覆蓋層，可增強(qiáng)輸送帶運(yùn)輸耐磨性。帶芯為整體骨架，起承載負(fù)荷的作用。當(dāng)輸送帶長(zhǎng)度較短時(shí)，輸送帶的力學(xué)特性雖較為復(fù)雜，但力學(xué)特性影響可忽略不計(jì)。隨著長(zhǎng)度的不斷增長(zhǎng)，力學(xué)特性影響逐漸變大，成為帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)研究不可忽略的關(guān)鍵一環(huán)。經(jīng)分析，帶式輸送機(jī)輸送帶的動(dòng)態(tài)特性主要有以下5 點(diǎn)特性[1-4]：第一，輸送帶在使用過(guò)程中的應(yīng)力σ 與應(yīng)變?chǔ)?變化具有非線性的特點(diǎn)。兩者的變化過(guò)程緩慢，不滿足胡克定律，具有非線性的特點(diǎn)，其變化曲線如圖1-1 所示。第二，變化蠕變性。輸送帶在受到恒定外力E 后伸長(zhǎng)量會(huì)不斷增長(zhǎng)且無(wú)線趨近于某一個(gè)數(shù)值，其變化特性曲線如圖1-2 所示。第三，松弛特性。輸送帶受到恒定應(yīng)變后拉伸應(yīng)力會(huì)先增長(zhǎng)再下降，然后穩(wěn)定趨近于某一數(shù)值，其松弛特性曲線如圖1-3 所示。第四，滯后性。輸送帶加載與卸載實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力與應(yīng)變曲線不重合且表現(xiàn)出滯后性，其特性曲線如圖1-4 所示。第五，頻率特征。輸送帶變形量的多少除與作用力大小F、時(shí)間t 有關(guān)外，還與作用力變化頻率f 有關(guān)，其具體頻率特征如圖1-5 所示。

圖1 輸送帶動(dòng)態(tài)特性圖

2 帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置主要由監(jiān)測(cè)模塊、供電模塊、冷卻模塊、張緊絞車以及控制箱組成，帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置組成框圖如下頁(yè)圖2 所示。其中，監(jiān)測(cè)模塊主要由張力傳感器組成，作用是對(duì)鋼絲繩張力進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至控制模塊；張緊絞車由小車、滑輪、滾筒、聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器以及變頻器組成。制動(dòng)器的主要作用為控制電機(jī)轉(zhuǎn)子在斷電后不會(huì)繼續(xù)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，保證設(shè)備運(yùn)行安全；控制模塊主要為可編程控制器系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行與停止起控制作用。

圖2 帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置組成框圖

當(dāng)帶式輸送機(jī)需要進(jìn)行輸送帶張力調(diào)整時(shí)，控制模塊會(huì)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)出指令，調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)的制動(dòng)器會(huì)打開(kāi)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼絲繩經(jīng)滑輪牽引會(huì)拉動(dòng)小車移動(dòng)，從而對(duì)輸送帶張力進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到輸送帶張力符合要求后，控制模塊會(huì)發(fā)出停止運(yùn)行指令，制動(dòng)器制動(dòng)使小車停止并維持張力狀態(tài)。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 張緊裝置功率設(shè)計(jì)

本文以DSJ160/350/3×500 型帶式輸送機(jī)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。通過(guò)實(shí)際測(cè)量可知，DSJ160/350/3×500型帶式輸送機(jī)啟動(dòng)所需張力為500 kN，最大速度穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所需張力為357 kN，設(shè)備停止運(yùn)行時(shí)所需張力為321 kN。張緊裝置的功率計(jì)算公式為：

式中：P 為張緊裝置功率，kW；F 為所需張力的最大值，取500 kN；v 為設(shè)備運(yùn)行速度，取0.08 m/s。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）得：張緊裝置所需功率P=40 kW。

2.2.2 鋼絲繩參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，鋼絲繩的使用等級(jí)應(yīng)為T2 級(jí)，載荷狀態(tài)應(yīng)為L(zhǎng)2，那么工作級(jí)別應(yīng)為M2。使用大倍率滑輪組可減小設(shè)備扭矩輸出，降低鋼絲繩拉力，實(shí)際的滑輪組倍率為6 倍，則鋼絲繩破斷力計(jì)算公式為：

式中：n 為安全系數(shù)，取6；F1為鋼絲繩最大拉力，取83.3 kN。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）得：鋼絲繩破斷拉力F=500 kN，選6×19 型鋼絲繩即可。

2.2.3 滾筒參數(shù)設(shè)計(jì)

張緊裝置的滾筒結(jié)構(gòu)如圖3 所示。卷筒厚度應(yīng)與鋼絲繩直徑d 相同，為26 mm。

圖3 張緊裝置滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

張緊裝置容繩量的計(jì)算公式為：

式中：L 為容繩量，m；L1為裝置的張緊形成，取30 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）得：張緊裝置的容繩量L=180 m。

卷筒長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

式中：L 為卷筒長(zhǎng)度，m；Z 為每層的圈數(shù)，取17；P 為繩索間距，取1.1d=0.028 6 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4）得：卷筒長(zhǎng)度L≈0.54 m。

3 帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置仿真分析

使用AMESim 軟件與Matlab 軟件對(duì)帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置進(jìn)行仿真分析，Matlab 軟件主要對(duì)電動(dòng)機(jī)以及調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行模型的建立與分析，其他部分由AMESim 軟件建立。帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置在0 s時(shí)啟動(dòng)，帶式輸送機(jī)在40 s 后啟動(dòng)，張力值初始設(shè)置為啟動(dòng)張力；設(shè)備運(yùn)行200 s 后將張力設(shè)置為最大速度張力；該狀態(tài)運(yùn)行210 s 后機(jī)尾移動(dòng)，移動(dòng)20 s 后停止；機(jī)尾停止120 s 后張力值設(shè)置為停機(jī)張力，運(yùn)行100 s 后設(shè)備停止運(yùn)行，10 s 后仿真結(jié)束。

帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的張力變化曲線如圖4 所示。由圖4 可知，在預(yù)張緊階段，滾筒相遇張力約為78 kN，機(jī)尾張力約為66 kN，奔離點(diǎn)張力約為83 kN；在40～99 s 之間，滾筒緊邊張力不斷增大，機(jī)尾張力平穩(wěn)不變；99 s 后，機(jī)尾張力開(kāi)始上升，在116 s 時(shí)上漲為最大值129 kN；滾筒緊邊張力在126 s 時(shí)達(dá)到一個(gè)峰值，約為410 kN，在180 s 時(shí)達(dá)到最大值為431 kN；滾筒松邊張力較為平穩(wěn)，數(shù)值幾乎不變。

圖4 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程張力變化曲線

帶式輸送機(jī)最大速度張力變化曲線如下頁(yè)圖5所示。由圖5 可知，帶式輸送機(jī)最大速度運(yùn)行下輸送帶張力大小整體下降，變化幅度較小。滾筒相遇張力、機(jī)尾張力以及奔離點(diǎn)張力最終數(shù)值約為398 kN、52 kN、100 kN。

圖5 帶式輸送機(jī)最大速度張力變化曲線

帶式輸送機(jī)停機(jī)階段張力變化曲線如圖6 所示。由圖6 可知，在停機(jī)階段，輸送帶的張力較最大速度張力均有所下降，緊邊張力、松邊張力以及機(jī)尾張力數(shù)值分別為223 kN、47 kN、78 kN。設(shè)備停止后，松邊張力稍有上漲，緊邊張力稍有下降。相遇張力以及奔離點(diǎn)張力最終數(shù)值為224 kN、58 kN。

圖6 帶式輸送機(jī)停機(jī)階段張力變化曲線

4 結(jié)論

帶式輸送機(jī)是煤礦井下生產(chǎn)的重要運(yùn)輸設(shè)備，隨著帶式輸送機(jī)運(yùn)輸距離、負(fù)載量以及運(yùn)行速度不斷提升，采用輸送帶靜態(tài)分析的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)已無(wú)法滿足實(shí)際的使用要求。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文采用動(dòng)態(tài)分析方法進(jìn)行帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置設(shè)計(jì)，經(jīng)分析研究本文得出了以下結(jié)論：

1）輸送帶的動(dòng)態(tài)特性主要包括應(yīng)力與應(yīng)變非線性、蠕變性、松弛性、滯后性以及頻率性。

2）對(duì)設(shè)計(jì)好的帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)、最大速度以及停機(jī)三個(gè)階段張力變化符合張力要求，調(diào)節(jié)速度快，響應(yīng)靈敏，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。