煤礦帶式輸送機(jī)仿真及撕帶事故分析

高佳楠

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 榆林 719000)

帶式輸送機(jī)是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的主要運(yùn)輸工具,在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中,帶式輸送機(jī)承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)的一項(xiàng)或多項(xiàng)作業(yè)[1]。但在煤礦生產(chǎn)的過(guò)程中,輸送帶長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行,會(huì)發(fā)生各種突發(fā)事件,例如煤渣撞擊輸送帶或金屬物卡住輸送帶,都會(huì)引起輸送帶的突然斷裂,而使用韌性較強(qiáng)的輸送帶,也會(huì)因鐵心銹蝕、斷裂或輸送帶的鋼繩芯拉拔而引起的輸送帶斷裂[2]。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中,輸送機(jī)的橫向防護(hù)斷帶問(wèn)題需要得到足夠的關(guān)注,并對(duì)其進(jìn)行有效的防范,以防止其出現(xiàn)斷裂造成不必要的事故,應(yīng)該在輸送帶出現(xiàn)斷裂時(shí)及時(shí)可靠地制動(dòng),從而防止出現(xiàn)更嚴(yán)重的事故[3]。

目前相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)輸送帶的運(yùn)動(dòng)阻力、相對(duì)垂度、初張力等因素進(jìn)行分析,提出了一種基于動(dòng)態(tài)模擬的輸送帶事故分析,首先模擬輸送機(jī)在實(shí)際工作中的動(dòng)態(tài)特性,并利用Simulink軟件構(gòu)建輸送機(jī)仿真動(dòng)態(tài)模型,并與NICompactRIO-9038進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了,該仿真模型的實(shí)用性和有效性,通過(guò)建模分析,并將其運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,驗(yàn)證了實(shí)際應(yīng)用結(jié)果與仿真結(jié)果的一致性,可以將這一策略應(yīng)用到實(shí)際的輸送機(jī)事故分析中[4]。為了研究輸送機(jī)的齒輪減速器與輸送帶斷裂之間的關(guān)系,提出了一種基于粒子群算法的輸送機(jī)撕帶事故分析方法,首先利用粒子群算法,對(duì)輸送機(jī)的齒輪減速器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果證明了基于粒子群算法的優(yōu)化方法明顯好于傳統(tǒng)的PSO算法,相對(duì)比下輸送帶撕帶事故的預(yù)防率可以達(dá)到60.1%,通過(guò)分析結(jié)果,對(duì)于預(yù)防輸送機(jī)撕帶事故的準(zhǔn)確率大大提升[5]。還有國(guó)外學(xué)者根據(jù)膠帶輸送機(jī)在使用中出現(xiàn)的失效情況,對(duì)其進(jìn)行了合理的修正,從而迅速、精確地判斷了其失效的原因及部位。并將該理論應(yīng)用于實(shí)際的煤礦帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中,經(jīng)實(shí)際使用證明,在有效的工作周期內(nèi),可實(shí)時(shí)監(jiān)控輸送機(jī)運(yùn)行的狀態(tài),輸送帶比原使用年限增加了6倍[6]。

基于以上研究背景,以煤礦井下固定式帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象,構(gòu)建煤礦帶式輸送機(jī)基本模型,將膠帶的力學(xué)特性應(yīng)用于帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,提升膠帶傳動(dòng)性能,通過(guò)Simulink軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型創(chuàng)建,保證帶式輸送機(jī)工作的安全性。

1 煤礦帶式輸送機(jī)仿真分析

1.1 確定煤礦帶式輸送機(jī)的運(yùn)行原理

本文以煤礦井下固定式帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象,其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of coal mine belt conveyor

帶式輸送機(jī)是一個(gè)由機(jī)械、電氣、液壓和控制等組成的復(fù)合體系,根據(jù)其特定的作用,可以將其劃分成傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)2大系統(tǒng),其中,傳動(dòng)裝置由傳動(dòng)輥連接到傳動(dòng)裝置上,是帶式輸送機(jī)的動(dòng)力之源[7]。驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、液力耦合器、耦合器等組成,是整個(gè)帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部分[8]。小型短程帶式輸送機(jī)通常以線圈型異步電動(dòng)機(jī)為起動(dòng)機(jī),以直接起動(dòng)或軟起動(dòng)為主;在高容量的長(zhǎng)距離傳送帶中,通常使用多個(gè)鼠籠異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī),通過(guò)可控起動(dòng)傳輸或變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和停止[9]。

帶式輸送機(jī)的動(dòng)力裝置由滾筒、托輥和傳送膠帶組成。其中托輥由傳動(dòng)輥和蓋板輥組成,傳動(dòng)輥設(shè)置在帶式輸送機(jī)前端,滾筒通常采用在輸送機(jī)的前端鋪設(shè)的陶瓷材料構(gòu)成[10],以達(dá)到帶式輸送機(jī)的摩擦因數(shù),從而將帶式輸送機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換為摩擦力,從而推動(dòng)膠帶向前移動(dòng)。該項(xiàng)轉(zhuǎn)鼓通常設(shè)置在傳送帶的尾部,無(wú)法傳送能量,僅能使傳送裝置的移動(dòng)方向發(fā)生變化[11]。

1.2 分析膠帶的力學(xué)特性

膠條的黏彈性能在小型帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的作用并不大,也沒(méi)有引起足夠的關(guān)注。但是,在帶式輸送機(jī)的單機(jī)運(yùn)行的情況下,膠帶的動(dòng)態(tài)性能對(duì)膠帶傳動(dòng)性能的作用日益顯著[12],因此,在帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)予以充分重視。膠帶的力學(xué)特性主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

1.2.1 膠帶的應(yīng)力、應(yīng)變的非線性特性

在對(duì)膠帶施加張力時(shí),即使是非常大的載荷,其張力與變形之間的關(guān)系,也可以滿足虎克定律[13],膠帶的非線性特性如圖2所示。

圖2 膠帶的非線性特性Fig.2 Nonlinear characteristics of tape

1.2.2 膠帶的蠕變特性

膠帶的蠕變特性是一種粘合作用在粘合帶上的張力,使其在一定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化[14],直到達(dá)到一定的數(shù)值,膠帶的蠕變特性曲線如圖3所示。

圖3 膠帶的蠕變特性Fig.3 Creep characteristics of tape

在對(duì)膠帶施加一個(gè)張力階躍應(yīng)力時(shí),隨著時(shí)間的增加,膠帶的變形情況并非與應(yīng)力保持一致,而與應(yīng)力相比,呈現(xiàn)出一種遲緩的趨勢(shì)。

1.3 煤礦帶式輸送機(jī)制動(dòng)過(guò)程建模

利用柱塞推進(jìn)上滑塊壓緊輸送膠帶時(shí),可以把輸送帶看作是一種彈性材料,而輸送帶在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生諸如庫(kù)侖摩擦力的非線性載荷[15]。當(dāng)對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)制動(dòng)過(guò)程建模的過(guò)程中,因庫(kù)侖摩擦力與帶式輸送機(jī)制動(dòng)力關(guān)系較小,所以這些非線性負(fù)荷可以被忽略。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)制動(dòng)過(guò)程的建模,利用Simulink軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型創(chuàng)建,通過(guò)使用一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊和拖拽的方式來(lái)構(gòu)建一個(gè)模型框圖[16]。有了這種界面,使用者就能在一張草稿紙上畫(huà)出一個(gè)系統(tǒng)的方塊圖。

采用 Simulink進(jìn)行煤礦帶式輸送機(jī)制動(dòng)過(guò)程建模[17],生成了帶式輸送機(jī)仿真效果,如圖4所示。

圖4 煤礦帶式輸送機(jī)的仿真效果Fig.4 Simulation effect of coal mine belt conveyor

根據(jù)以上過(guò)程,對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了建模,為撕帶事故捕捉器對(duì)制動(dòng)的距離和時(shí)間影響提供了理論支撐。

2 仿真結(jié)果分析

為了避免煤礦帶式輸送機(jī)發(fā)生撕帶事故,需要在帶式輸送機(jī)上安裝撕帶事故捕捉器,用于分析帶式輸送機(jī)的撕帶事故。實(shí)驗(yàn)用撕帶事故捕捉器型號(hào)為DDZ型,測(cè)試系統(tǒng)CPU型號(hào)為Inteli7-10870H,內(nèi)存為32G,操作系統(tǒng)為Windows 10,以此,研究撕帶事故捕捉器安裝數(shù)量對(duì)制動(dòng)距離和時(shí)間的影響。

因帶式輸送機(jī)一旦發(fā)生撕帶事故,就會(huì)立即制動(dòng),制動(dòng)的距離和時(shí)間會(huì)對(duì)撕帶事故的嚴(yán)重程度產(chǎn)生影響[18]。根據(jù)煤礦帶式輸送機(jī)的仿真過(guò)程,分別測(cè)試了撕帶事故捕捉器的安裝數(shù)量、帶式輸送機(jī)的制動(dòng)力和閘瓦間隙對(duì)制動(dòng)的距離和時(shí)間影響。

2.1 捕捉器安裝數(shù)量對(duì)制動(dòng)距離和時(shí)間的影響

煤礦帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,安裝撕帶事故捕捉器的數(shù)量越少,越能體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性,但是必須滿足煤礦帶式輸送機(jī)的輸送帶抗拉強(qiáng)度和抓捕力的要求[19]。減少撕帶事故捕捉器的數(shù)量,就會(huì)減小煤礦帶式輸送機(jī)的制動(dòng)力,不僅延長(zhǎng)了輸送機(jī)的制動(dòng)時(shí)間,還會(huì)加大撕帶事故的嚴(yán)重程度[20]。實(shí)驗(yàn)用撕帶事故捕捉器數(shù)量為8～16個(gè),捕捉器的數(shù)量不同,制動(dòng)距離和時(shí)間也有所不同。在煤礦帶式輸送機(jī)的仿真分析中,得到安裝不同數(shù)量的撕帶事故捕捉器對(duì)制動(dòng)距離和時(shí)間的影響情況,結(jié)果如圖5所示。

圖5 撕帶事故捕捉器安裝數(shù)量對(duì)制動(dòng)距離和時(shí)間的影響Fig.5 Influence of installation quantity of tape tearing accident catcher on braking distance and time

從圖5可以看出,隨著撕帶事故捕捉器安裝數(shù)量增多,制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間均隨之下降。當(dāng)撕帶事故捕捉器安裝數(shù)量較少時(shí),煤礦帶式輸送機(jī)的制動(dòng)距離比較長(zhǎng),當(dāng)撕帶事故捕捉器安裝數(shù)量≤9個(gè)時(shí),煤礦帶式輸送帶的制動(dòng)距離超過(guò)了30 m,增加了撕帶事故的嚴(yán)重程度,在撕帶事故處理中也會(huì)更加困難;隨著撕帶事故捕捉器安裝數(shù)量的增加,煤礦帶式輸送機(jī)的制動(dòng)距離越來(lái)越短。因?yàn)楫?dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生斷帶事故時(shí),撕帶事故捕捉器可快速捕捉斷裂膠帶,減少了制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間。根據(jù)煤礦帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及應(yīng)用過(guò)程中的實(shí)際情況,本文選擇撕帶事故捕捉器安裝數(shù)量為13～16個(gè)。

2.2 制動(dòng)力對(duì)制動(dòng)距離和時(shí)間的影響

根據(jù)煤礦帶式輸送機(jī)的強(qiáng)度條件,可以計(jì)算出彈簧壓力對(duì)輸送帶的制動(dòng)力。通過(guò)改變彈簧的規(guī)格和預(yù)壓縮量,調(diào)節(jié)煤礦帶式輸送機(jī)每一個(gè)液壓缸的正壓力,從而分析減小制動(dòng)力和增加制動(dòng)力對(duì)制動(dòng)距離和時(shí)間的影響,結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 減小制動(dòng)力對(duì)制動(dòng)距離和時(shí)間的影響Fig.6 Effect of reducing braking force on braking distance and time

根據(jù)圖6和圖7結(jié)果可知,當(dāng)制動(dòng)力逐漸減小時(shí),煤礦帶式輸送機(jī)的制動(dòng)距離和時(shí)間都在增加。由于慣性作用的存在,減小制動(dòng)力時(shí),輸送帶的摩擦力隨之減小,從而增加了制動(dòng)距離;當(dāng)制動(dòng)力逐漸增大時(shí),煤礦帶式輸送機(jī)的制動(dòng)距離和時(shí)間逐漸減小,而且減小趨勢(shì)非常明顯。原因是增大制動(dòng)力時(shí),輸送帶的摩擦力就會(huì)變大,可以使得輸送帶立即制動(dòng)。因此,在仿真過(guò)程中,應(yīng)該逐漸增大制動(dòng)力,避免過(guò)長(zhǎng)的制動(dòng)時(shí)間發(fā)生撕帶事故。

2.3 閘瓦間隙對(duì)制動(dòng)距離和時(shí)間的影響

由于煤礦輸送機(jī)缺乏運(yùn)行的穩(wěn)定性,對(duì)閘瓦間隙的要求并不嚴(yán)格,當(dāng)設(shè)置不同數(shù)量的撕帶事故捕捉器時(shí),閘瓦間隙對(duì)制動(dòng)距離和時(shí)間的影響見(jiàn)表1。

表1 閘瓦間隙對(duì)制動(dòng)距離和時(shí)間的影響Tab.1 Influence of brake shoe clearance on braking distance and time

由表1可知,隨著閘瓦間隙逐漸減小,煤礦帶式輸送機(jī)的制動(dòng)距離和時(shí)間也隨之減小,增加了撕帶事故捕捉器之后,煤礦帶式輸送機(jī)的制動(dòng)距離和時(shí)間減小更加明顯,因此閘瓦間隙的最佳值為8～10 mm。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)閘瓦間隙會(huì)嚴(yán)重影響煤礦輸送機(jī)的制動(dòng)距離和時(shí)間,因此在設(shè)計(jì)煤礦帶式輸送機(jī)時(shí),應(yīng)該減小閘瓦間隙,獲取最佳制動(dòng)效果,避免煤礦帶式輸送機(jī)發(fā)生撕帶故障。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)仿真及撕帶事故進(jìn)行了分析研究,通過(guò)測(cè)試撕帶事故捕捉器的安裝數(shù)量、帶式輸送機(jī)的制動(dòng)力和閘瓦間隙對(duì)制動(dòng)的距離和時(shí)間影響,為煤礦帶式輸送機(jī)的運(yùn)行提供了可靠的條件。

(1)在滿足煤礦帶式輸送機(jī)的輸送帶抗拉強(qiáng)度和抓捕力的前提下,安裝13～16個(gè)撕帶事故捕捉器可減小煤礦帶式輸送機(jī)的制動(dòng)距離,降低撕帶事故嚴(yán)重程度。

(2)根據(jù)煤礦帶式輸送機(jī)的強(qiáng)度條件,計(jì)算出彈簧壓力對(duì)輸送帶的制動(dòng)力。增大制動(dòng)力可減少煤礦帶式輸送機(jī)的制動(dòng)距離和時(shí)間,提升輸送帶的摩擦力,減少撕帶事故的產(chǎn)生。

(3)閘瓦間隙的最佳值在8～10 mm,適當(dāng)減小閘瓦間隙,可提升制動(dòng)效果。

研究雖然可以確保煤礦帶式輸送機(jī)的可靠運(yùn)行,但是還存在很多問(wèn)題,在今后的研究中,可以考慮到輸送機(jī)各個(gè)交流電機(jī)的功率分配是否均衡,避免過(guò)大功率影響輸送機(jī)的運(yùn)行。