施銀輝

摘 要 文章主要研究高傾角膠帶輸送機(jī)基本結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)特性，結(jié)合現(xiàn)有的膠帶式輸送機(jī)的研究方法，提出高傾角膠帶輸送機(jī)的動力學(xué)模型。通過模型的分析把該模型應(yīng)用到實(shí)際的工程中為高傾角帶式輸送機(jī)的起、制動動態(tài)過程產(chǎn)生的動載荷等問題的研究提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 高傾角帶式輸送機(jī)；動態(tài)分析；力學(xué)特點(diǎn)；動力學(xué)模型

中圖分類號：TH2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0043-02

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的中國，資源和能源的供應(yīng)與需求矛盾日益尖銳，成為了制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸。然而作為資源和能源的運(yùn)輸工具之一的帶式輸送機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了各個能源運(yùn)輸?shù)念I(lǐng)域，而不同的資源運(yùn)輸環(huán)境對帶式輸送機(jī)要求也各不相同，為了使用各個環(huán)境的應(yīng)用，各個輸送機(jī)的系統(tǒng)得到了蓬勃的發(fā)展。尤其是高傾角輸送線路的設(shè)計(jì)計(jì)算理論能夠通用化[1]，使得傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)具有更大的適用性和更廣泛的應(yīng)用前景。但是傳統(tǒng)的輸送系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)都是基于靜態(tài)剛體理論的，他們僅考慮了平穩(wěn)的工況下的輸送機(jī)的運(yùn)行狀況，這對于高傾角帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)是不可行的，因?yàn)楦邇A角的輸送機(jī)的下運(yùn)送帶的制動力和上輸送帶的啟動力都很大，若在高傾角的輸送機(jī)設(shè)計(jì)中不考慮這兩種工況，則該設(shè)計(jì)不適應(yīng)高傾角帶式輸送機(jī)的應(yīng)用環(huán)境。

本文高傾角帶式輸送機(jī)的動態(tài)分析，主要就是結(jié)合高傾角輸送機(jī)的動力特征，分析他在機(jī)起制動和運(yùn)行工況中的動力模型，為設(shè)計(jì)者提供合理的理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)可靠、安全的高傾角輸送機(jī)的設(shè)計(jì)，這具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值和工程意義。

1 高傾角膠帶輸送機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

為了實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的輸送環(huán)境中使用高傾角膠帶輸送方案，國內(nèi)外很多專家都進(jìn)行了很深入的研究。其中，日本研制出了壓帶式的高傾角膠帶輸送機(jī)，該設(shè)備增加了壓緊輸送帶，增加了帶與傳送軸之間磨損，能耗較大，并且設(shè)計(jì)結(jié)果也比較復(fù)雜，只能勉強(qiáng)用于短距離的小傾角。美國曾研制出了一款管狀帶式高傾角輸送機(jī)，該設(shè)計(jì)也僅能用于小傾角，當(dāng)角度大于60°的場合[2]，管狀帶式輸送機(jī)中間要架設(shè)特殊設(shè)計(jì)的中間架，并要求增加一定數(shù)量的托輥和導(dǎo)輪。該設(shè)備對送料的要求較高，裝載點(diǎn)比較單一，不利于多種場合的靈活應(yīng)用。

我國對高傾角膠帶輸送機(jī)研究較早的有20世紀(jì)80年代的太遠(yuǎn)重型機(jī)械學(xué)院提出的基于粘彈性模型建立的帶式輸送機(jī)的整體模型[3]，對拉緊狀態(tài)下的啟動張力的動態(tài)過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真分析，同時給出了膠帶式輸送機(jī)的動態(tài)參數(shù)的測試方法。

遼寧工程技術(shù)大學(xué)的研究者對膠帶式輸送機(jī)的動態(tài)過程進(jìn)行了系統(tǒng)建模，通過研究設(shè)備的力學(xué)原理和動態(tài)模型，分析了段帶過程中的動力學(xué)問題?；诖?，研究則提出了膠帶式輸送機(jī)的橫向震動的理論分析和穩(wěn)定性條件。并且深入研究了膠帶式輸送機(jī)的間距等參數(shù)與速度、托輥直徑、張力對輸送帶橫向振動與穩(wěn)定性的影響，并提出了避免共振的設(shè)計(jì)方案[4]。

東北大學(xué)教授在帶式輸送機(jī)的驅(qū)動和拉近裝置以及輸送機(jī)的整個運(yùn)動過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，提出了多驅(qū)動系統(tǒng)算法，仿真了啟動與統(tǒng)計(jì)[5]過程，據(jù)此設(shè)計(jì)出了人型帶式輸送機(jī)通用動態(tài)分析軟件。

與國外相比，高傾角膠帶輸送裝置的設(shè)計(jì)和研究的差別主要體現(xiàn)在技術(shù)性能上，我國的高傾角膠帶輸送機(jī)的研究較晚，目前研究的普通帶式輸送機(jī)已經(jīng)不能滿足高效運(yùn)輸?shù)囊?，為此研究高傾角膠帶輸送機(jī)的動態(tài)模型，并據(jù)此設(shè)計(jì)出能應(yīng)用到高傾角輸送要求環(huán)境設(shè)備已成為一個很有意義的課題。

2 高傾角膠帶輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和力學(xué)特點(diǎn)

高傾角帶式輸送機(jī)主要應(yīng)用于長距離或高差較大的礦上原料輸送，高傾角帶式輸送機(jī)的主要組成部件與這些部件的作用[6]如下。

1）波狀擋邊輸送帶。承載輸送中的輸送物質(zhì)。在普通膠帶輸送機(jī)的平型帶的兩側(cè)加上波狀擋邊，相比于普通的輸送機(jī)的帶體具有更大的橫向剛度，當(dāng)輸送機(jī)壓過滾筒在反面向回傳送時，擋邊可以自由壓縮和伸張，以實(shí)用于不同形狀的幾何應(yīng)用。

2）驅(qū)動裝置。是輸送機(jī)中的動力部分，由電機(jī)、減速器、逆止器、傳動滾筒等組成。其中傳動滾筒式是動力傳遞的主要部件，傳動滾筒利用摩擦力帶動輸送機(jī)帶運(yùn)動。

3）改向滾筒、壓帶輪。改變輸送帶運(yùn)行的方向。

4）托輥。托輥支撐輸送機(jī)上承載的物料，保證其能穩(wěn)定

傳輸。

5）拉緊裝置。在物料傳送的過程中拉緊裝置保證輸送帶和傳動滾筒間不打滑，限制輸送帶在各支承間的垂度，使輸送機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

6）跑偏檢測裝置。檢測皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的跑偏情況，在跑偏量異常時報警或停機(jī)。

7）打滑檢測裝置。通過檢測輸送膠帶和傳動滾筒之間的速度差，執(zhí)行相應(yīng)的動作。如：報警、自動張緊輸送帶或正常停機(jī)。

8）雙向拉繩開關(guān)。用于沿線緊急停機(jī)時的制動。

3 高傾角膠帶輸送機(jī)的力學(xué)特性

3.1 高傾角膠帶輸送機(jī)的靜態(tài)特性[7]

取一段輸送帶，慢慢地給其加上載荷，得到的載荷壓力與應(yīng)變力的關(guān)系為輸送帶的靜態(tài)特性。已知靜力彈性模量為，力與應(yīng)力之間的關(guān)系式可以表示為。同時存在下列關(guān)系式。

3.2 高傾角膠帶輸送機(jī)的動態(tài)特性

根據(jù)上面的分析，高傾角膠帶式輸送模型是一個復(fù)雜的模型，各個方向上的特性差異較大，那么膠帶式輸送帶在載荷壓力作用下的動力特性也是復(fù)雜的，并不是簡單的線性關(guān)系。具體的特性如下。

1）非線性特性。由上式分析得出載荷壓力與應(yīng)變力不服從胡可定律，動態(tài)彈性模量是關(guān)于應(yīng)力的表達(dá)式。

2）滯后性。膠帶輸送機(jī)的試壓載荷與應(yīng)力載荷在時間上是不一致的，應(yīng)力載荷相對滯后，這就是輸送機(jī)的滯后性。經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)長久使用的膠式輸送帶比新的輸送帶的該特征要明顯，長久使用的輸送帶該特性會穩(wěn)定下來。

3）蠕變特性。該特性描述的是載荷的應(yīng)變力與時間的一個關(guān)系，在載荷恒力的作用下，應(yīng)變力隨時間成對數(shù)特性，慢慢趨近恒定值。endprint

4）松弛特性。該特性也同樣描述的是載荷壓力與時間的關(guān)系，當(dāng)輸送帶拉伸到一定的長度后，該形變保持不變，即輸送帶的長度不變，此時測得的應(yīng)力逐漸變小。

5）頻率特性。通過實(shí)驗(yàn)得出輸送帶施加的載荷的應(yīng)力與頻率之間呈現(xiàn)一定的關(guān)系，頻率越高，相應(yīng)的應(yīng)力也越大。

4 高傾角膠帶輸送機(jī)動態(tài)分析方法

高傾角膠帶輸送機(jī)的啟動過程的設(shè)計(jì)是該輸送帶設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，各個受力過程都是在該過程中達(dá)到最大，所以目前對高傾角膠帶輸送機(jī)的啟動過程的動態(tài)分析已經(jīng)成為一個至關(guān)重要的話題。

標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)主要都是把設(shè)備的輸送帶看成一種剛體進(jìn)行動力學(xué)分析，這種設(shè)計(jì)分析方法只能滿足小型的短距離的工程應(yīng)用。顯然對于大型的長距離的工程環(huán)境這種設(shè)計(jì)思想完全不能滿足需求，因而對大型的應(yīng)用場景中必須要采用精確的動態(tài)過程的力學(xué)分析方法。

高傾角膠帶輸送機(jī)與普通的帶式輸送機(jī)不同，它是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，其啟動過程涉及到力學(xué)性質(zhì)，阻力，驅(qū)動裝置制、動裝置的力學(xué)特性等大量因素。其中最主要的是啟動過程總的平衡過程，啟動與制動的連續(xù)模型方程，輸送機(jī)的粘彈性模型。而對粘彈性模型的動態(tài)力學(xué)分析方法主要有解析法，數(shù)值解法和邊界。要想對如此的復(fù)雜過程進(jìn)行完整的求解幾乎是不可能的，目前主要的研究方法是對高傾角輸送機(jī)的動態(tài)模型都是采用的簡化模型來分析模型的固有特性。采用比較理想的模型進(jìn)行分析求解，在實(shí)際工程中都采用輸送帶的連續(xù)離散模型進(jìn)行差分方程的求解。

5 高傾膠帶輸送機(jī)的動力學(xué)模型

本文提出一種高傾膠帶輸送機(jī)的動態(tài)力學(xué)模型，通過該模型可以分析該系統(tǒng)的各個動態(tài)參數(shù)。

因?yàn)楦邇A膠帶輸送機(jī)上載荷的隨機(jī)性，所以該簡化的力學(xué)模型[9]屬于一個非線性的離散的震動系統(tǒng)，在分析過程中可以對動態(tài)特性進(jìn)行如下假設(shè)。

6.2 工程應(yīng)用

通過高傾角膠帶輸送機(jī)的動態(tài)分析可以為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中提供正確的參數(shù)值。采用高傾角膠帶輸送機(jī)的動態(tài)模型分析方法對礦產(chǎn)進(jìn)行長距離運(yùn)輸系統(tǒng)的分析，可以準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)輸送系統(tǒng)的安全系數(shù)，降低了輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備投資，提高了輸送機(jī)系統(tǒng)的控制回路的控制精度，合理設(shè)計(jì)大角度和長距離的功率，并且可以對系統(tǒng)的各個零部件強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]王建州，許言威.白坪東翼大巷帶式輸送機(jī)日產(chǎn)萬噸提能改造[J].煤礦機(jī)械，2014（04）.

[2]王愛兵，鄭紅滿，朱維勝，等.大傾角上運(yùn)帶式輸送機(jī)起動過程的動態(tài)分析[J].煤礦機(jī)械，2008（03）.

[3]陳玨，戴建立.長距離帶式輸送機(jī)動態(tài)分析的發(fā)展現(xiàn)狀[J].煤礦機(jī)電，2003（01）.

[4]于學(xué)武.大傾角帶式輸送機(jī)在煤礦窄巷道的延長改造[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2006（11）.

[5]王新偉，胡志超.大傾角上運(yùn)帶式輸送機(jī)的研制[J].礦山機(jī)械，2005（06）.

[6]李光布.帶式輸送機(jī)系統(tǒng)固有特性的研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2005（12）.

[7]G. Suweken，W. T. van Horssen. On the Weakly Nonlinear， Transversal Vibrations of a Conveyor Belt with a Low and Time-Varying Velocity[J]. Nonlinear Dynamics . 2003（2）.

[8]李光布，楊汝清.Study on conveyor natural frequency and time intervalfor switching off resistances[J].Journal of Harbin Institute of Technology. 2004（06）.

[9]李玉瑾.帶式輸送機(jī)的動態(tài)特性研究及應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2000（12）.endprint

4）松弛特性。該特性也同樣描述的是載荷壓力與時間的關(guān)系，當(dāng)輸送帶拉伸到一定的長度后，該形變保持不變，即輸送帶的長度不變，此時測得的應(yīng)力逐漸變小。

5）頻率特性。通過實(shí)驗(yàn)得出輸送帶施加的載荷的應(yīng)力與頻率之間呈現(xiàn)一定的關(guān)系，頻率越高，相應(yīng)的應(yīng)力也越大。

4 高傾角膠帶輸送機(jī)動態(tài)分析方法

高傾角膠帶輸送機(jī)的啟動過程的設(shè)計(jì)是該輸送帶設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，各個受力過程都是在該過程中達(dá)到最大，所以目前對高傾角膠帶輸送機(jī)的啟動過程的動態(tài)分析已經(jīng)成為一個至關(guān)重要的話題。

標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)主要都是把設(shè)備的輸送帶看成一種剛體進(jìn)行動力學(xué)分析，這種設(shè)計(jì)分析方法只能滿足小型的短距離的工程應(yīng)用。顯然對于大型的長距離的工程環(huán)境這種設(shè)計(jì)思想完全不能滿足需求，因而對大型的應(yīng)用場景中必須要采用精確的動態(tài)過程的力學(xué)分析方法。

高傾角膠帶輸送機(jī)與普通的帶式輸送機(jī)不同，它是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，其啟動過程涉及到力學(xué)性質(zhì)，阻力，驅(qū)動裝置制、動裝置的力學(xué)特性等大量因素。其中最主要的是啟動過程總的平衡過程，啟動與制動的連續(xù)模型方程，輸送機(jī)的粘彈性模型。而對粘彈性模型的動態(tài)力學(xué)分析方法主要有解析法，數(shù)值解法和邊界。要想對如此的復(fù)雜過程進(jìn)行完整的求解幾乎是不可能的，目前主要的研究方法是對高傾角輸送機(jī)的動態(tài)模型都是采用的簡化模型來分析模型的固有特性。采用比較理想的模型進(jìn)行分析求解，在實(shí)際工程中都采用輸送帶的連續(xù)離散模型進(jìn)行差分方程的求解。

5 高傾膠帶輸送機(jī)的動力學(xué)模型

本文提出一種高傾膠帶輸送機(jī)的動態(tài)力學(xué)模型，通過該模型可以分析該系統(tǒng)的各個動態(tài)參數(shù)。

因?yàn)楦邇A膠帶輸送機(jī)上載荷的隨機(jī)性，所以該簡化的力學(xué)模型[9]屬于一個非線性的離散的震動系統(tǒng)，在分析過程中可以對動態(tài)特性進(jìn)行如下假設(shè)。

6.2 工程應(yīng)用

通過高傾角膠帶輸送機(jī)的動態(tài)分析可以為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中提供正確的參數(shù)值。采用高傾角膠帶輸送機(jī)的動態(tài)模型分析方法對礦產(chǎn)進(jìn)行長距離運(yùn)輸系統(tǒng)的分析，可以準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)輸送系統(tǒng)的安全系數(shù)，降低了輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備投資，提高了輸送機(jī)系統(tǒng)的控制回路的控制精度，合理設(shè)計(jì)大角度和長距離的功率，并且可以對系統(tǒng)的各個零部件強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

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[9]李玉瑾.帶式輸送機(jī)的動態(tài)特性研究及應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2000（12）.endprint

4）松弛特性。該特性也同樣描述的是載荷壓力與時間的關(guān)系，當(dāng)輸送帶拉伸到一定的長度后，該形變保持不變，即輸送帶的長度不變，此時測得的應(yīng)力逐漸變小。

5）頻率特性。通過實(shí)驗(yàn)得出輸送帶施加的載荷的應(yīng)力與頻率之間呈現(xiàn)一定的關(guān)系，頻率越高，相應(yīng)的應(yīng)力也越大。

4 高傾角膠帶輸送機(jī)動態(tài)分析方法

高傾角膠帶輸送機(jī)的啟動過程的設(shè)計(jì)是該輸送帶設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，各個受力過程都是在該過程中達(dá)到最大，所以目前對高傾角膠帶輸送機(jī)的啟動過程的動態(tài)分析已經(jīng)成為一個至關(guān)重要的話題。

標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)主要都是把設(shè)備的輸送帶看成一種剛體進(jìn)行動力學(xué)分析，這種設(shè)計(jì)分析方法只能滿足小型的短距離的工程應(yīng)用。顯然對于大型的長距離的工程環(huán)境這種設(shè)計(jì)思想完全不能滿足需求，因而對大型的應(yīng)用場景中必須要采用精確的動態(tài)過程的力學(xué)分析方法。

高傾角膠帶輸送機(jī)與普通的帶式輸送機(jī)不同，它是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，其啟動過程涉及到力學(xué)性質(zhì)，阻力，驅(qū)動裝置制、動裝置的力學(xué)特性等大量因素。其中最主要的是啟動過程總的平衡過程，啟動與制動的連續(xù)模型方程，輸送機(jī)的粘彈性模型。而對粘彈性模型的動態(tài)力學(xué)分析方法主要有解析法，數(shù)值解法和邊界。要想對如此的復(fù)雜過程進(jìn)行完整的求解幾乎是不可能的，目前主要的研究方法是對高傾角輸送機(jī)的動態(tài)模型都是采用的簡化模型來分析模型的固有特性。采用比較理想的模型進(jìn)行分析求解，在實(shí)際工程中都采用輸送帶的連續(xù)離散模型進(jìn)行差分方程的求解。

5 高傾膠帶輸送機(jī)的動力學(xué)模型

本文提出一種高傾膠帶輸送機(jī)的動態(tài)力學(xué)模型，通過該模型可以分析該系統(tǒng)的各個動態(tài)參數(shù)。

因?yàn)楦邇A膠帶輸送機(jī)上載荷的隨機(jī)性，所以該簡化的力學(xué)模型[9]屬于一個非線性的離散的震動系統(tǒng)，在分析過程中可以對動態(tài)特性進(jìn)行如下假設(shè)。

6.2 工程應(yīng)用

通過高傾角膠帶輸送機(jī)的動態(tài)分析可以為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中提供正確的參數(shù)值。采用高傾角膠帶輸送機(jī)的動態(tài)模型分析方法對礦產(chǎn)進(jìn)行長距離運(yùn)輸系統(tǒng)的分析，可以準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)輸送系統(tǒng)的安全系數(shù)，降低了輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備投資，提高了輸送機(jī)系統(tǒng)的控制回路的控制精度，合理設(shè)計(jì)大角度和長距離的功率，并且可以對系統(tǒng)的各個零部件強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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