礦用帶式輸送機輸送帶跑偏問題分析及其參數優(yōu)化

楚 瑤

（晉能控股裝備制造集團大同科大煤機有限公司，山西 大同 037000）

引言

煤炭資源作為推動我國經濟社會發(fā)展的能源，近年來的掘進產量需求越來越大，對煤炭設備運行的可靠性提出了更高的要求[1-2]。煤炭生產企業(yè)運行狀況取決于煤炭掘進的產量和效率，現已引起了煤炭企業(yè)的廣泛關注[3]。帶式輸送機作為煤炭掘進工作必不可少的輸送設備，承擔著煤炭由綜采工作面運輸至地面的任務，工作的安全性和可靠性至關重要。帶式輸送機運行過程中極為常見的問題就是跑偏，也是所有帶式輸送機的通病，至今不能提出有效的解決方法。本文以某煤炭企業(yè)帶式輸送機為研究對象，分析輸送帶運轉速度對輸送帶跑偏程度的影響規(guī)律，適當地進行參數優(yōu)化，以降低帶式輸送機的跑偏問題。

1 跑偏原因概述

根據筆者查閱的相關資料及自身工作經驗，歸納了帶式輸送機跑偏的原因如下：一是輸送帶運輸過程中不可避免地出現粘料情況，這樣就會產生輸送帶運轉局部半徑出現變化，導致輸送帶偏離原來的路徑；二是輸送帶屬于彈性體，使用時間延長之后會出現永久變形，導致輸送帶變長松弛，降低運轉過程中的張緊力；三是煤炭輸送時會出現落料不均勻的情況，出現同一位置煤炭重力不均布；四是帶式輸送機托輥出現損壞、卡滯等，使輸送帶運轉時出現振動、跳動等。輸送帶的運行速度作為其工作的重要參數，有必要分析輸送帶出現跑偏問題時與帶速快慢之間的關系，以便更好地指導生產。

2 有限元仿真計算

2.1 三維模型建立

根據煤炭企業(yè)服役的帶式輸送機運行布局及結構參數數值，運行SolidWorks 軟件開展三維模型建立工作，如圖1 所示。為了提高帶式輸送機仿真分析的效率，對其中分析結果影響不大的倒角、圓角等進行簡化處理。

圖1 三維模型

2.2 約束和載荷施加

建立完成的輸送機模型另存為.igs 格式，導入Adams 動態(tài)仿真軟件進行前處理。首先進行約束設置，將滾筒、托輥等與地面之間設置為轉動副形式，此處必須注意轉動副設置轉向時要和滾筒和托輥的軸線相同。張緊裝置中的滾輪設置為移動副，模擬張緊功能的實現。不同相鄰的帶塊由軸套力約束，接觸力施加在帶塊與滾筒托輥接觸面，驅動滾筒設置電機驅動，張緊力設置為100 N，方向指向連桿左側。

2.3 模型驗證

帶式輸送機的有限元模型建立準確性可以通過軟件驗證，能夠提示模型中各約束的合理性，通過分析得出，模型中構件總數近400 個，涉及的約束包括10 個轉動副、1 個移動副、1 個電機，關聯了2 000 多自由度，不存在約束的冗余，建模符合仿真計算要求。

3 仿真計算

3.1 工況分析

仿真過程主要驗證帶式輸送機運轉過程中輸送帶轉速對輸送帶跑偏的影響，此處需要將其他的作業(yè)參數一定，包括張緊力等，設置不同的輸送帶運轉速度，分布為0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s，分析輸送帶在不同的運轉速度條件下的跑偏情況。

3.2 仿真結果

通過帶式輸送機有限元仿真分析前處理及工況參數的設計，啟動Adams 有限元仿真軟件開展不同輸送帶運行速度對跑偏的影響程度，從仿真結果中調取不同輸送帶運行速度對偏斜托輥所受軸向力和跑偏量的影響。

3.2.1 帶速對偏斜托輥軸向力的影響

由帶式輸送機不同輸送帶速下的仿真計算結果中提取帶速對偏斜托輥軸向力的影響情況數據，統計結果如圖2 所示。

圖2 不同帶速對偏斜托輥軸向力的影響結果

由圖2 不同帶速對偏斜托輥軸向力的影響結果可得，帶式輸送機工作時，隨著輸送帶運轉速度的增加，偏斜托輥作業(yè)時的軸向載荷逐漸增加，由圖2 的曲線可以看出，軸向載荷增大體現在了數值振動幅度的提高和波動頻率的加大。由上述的仿真分析結果及數據變化趨勢可以得出，在輸送帶轉速提高時，輸送帶所受的側向激勵變得不穩(wěn)定，輸送帶的側向穩(wěn)定性也逐漸降低。

3.2.2 帶速對跑偏量的影響

跑偏評價通常采用跑偏量定量描述，因此通過仿真計算獲取輸送帶運轉速度對跑偏量的影響規(guī)律，跑偏量的表征提取輸送帶前端，標記140 號的帶塊所受的側向位移進行定量分析，結果如圖3 所示。

由圖3 可以看出，140 號輸送帶帶塊的側向位移量數值在不同的帶速時分別是0.46 mm、0.85 mm、1.21 mm、1.54 mm、1.86 mm、2.22 mm。觀察輸送帶運轉速度為0.5 m/s 和0.6 m/s 狀態(tài)下，取樣的140 號帶塊已經旋轉完成整圈運轉，再一次返回至輸送帶工作表面，因其多轉了1 圈，跑偏量累積數值較大。為了更好地分析帶速對跑偏量的影響，此處取帶塊第一圈的最大跑偏量數值。

圖3 不同帶速對跑偏量的影響結果

為了更好地分析帶速對跑偏量數值的影響，統計分析影響規(guī)律，匯總了帶速與跑偏量的變化趨勢曲線，如圖4 所示。

由圖4 仿真分析統計結果可得，帶式輸送機運行過程中的帶速增加，跑偏量也隨之增加，增加關系近似線性關系。由圖4 曲線還能夠得出，隨著帶式輸送機帶速的不斷增加，輸送帶的跑偏量呈現出的是正比例增加趨勢，側向穩(wěn)定性逐漸降低，故而在使用高帶速時必須嚴格控制帶式輸送機的側向激勵。

圖4 輸送帶最大跑偏量隨帶速的變化規(guī)律

4 參數優(yōu)化及應用效果

依據上述輸送帶運轉速度與跑偏量的變化情況，對企業(yè)服役中的帶式輸送機跑偏問題提出了對應的改進優(yōu)化方向。該帶式輸送機運行速度通常設定值為0.2 m/s，因為帶速越大，跑偏量越大，因此將帶速降低至了0.1 m/s，之后進行運轉試驗，跟蹤記錄試驗結果。試驗時可以看出，帶速降低之后跑偏現象不再明顯，統計數據顯示，參數優(yōu)化之后的帶式輸送機，每周的跑偏停機調整次數由原來的10～13 次降低至了2～5 次，輸送機的工作效率提升了近8%，節(jié)約了1～2名輸送帶運行維護工人，降低了煤炭生產投資，預計為煤炭企業(yè)能夠新增經濟效益近50 萬元/年，取得了很好的優(yōu)化效果。