閆旭

摘 要：帶式輸送機是煤礦生產(chǎn)中應用比較廣泛的一種運輸設備，而膠帶機的力學分析是膠帶機設計開發(fā)的基礎，通過力學分析可確定膠帶機的運行阻力、驅(qū)動功率、張緊力、張緊功率等核心參數(shù)，本文主要是通過力學分析來研究膠帶機各種狀態(tài)下的張緊力的變化情況。

關鍵詞：膠帶；啟停；張緊；力學

1 概述

隨著可伸縮帶式輸送機在生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，其長度及運量也逐步增加，膠帶機的運行阻力、啟動慣性也大幅提升，因此膠帶機張緊裝置的選型及控制將面臨更大的挑戰(zhàn)，因此從帶傳動理論力學上分析膠帶機張緊，才能使其得到更加合理的應用。下文將對膠帶輸送機啟動過程的力學進行分析。

2 輸送帶的力學特性

在整個帶式輸送機系統(tǒng)中，輸送帶扮演著關鍵角色。首先，從經(jīng)濟的角度看，大約整個系統(tǒng)一半的費用會花費在輸送帶上。再從功能的角度看，整個輸送帶既是承載體，又是傳動體。在運行過程中，各種不同性質(zhì)、不同大小的負荷加載到輸送帶上，其應力狀態(tài)難以想象的復雜。因此，對輸送帶力學特性的研究也成為該系統(tǒng)建模不可或缺的一部分。輸送帶種類繁多，在實際的項目中，輸送帶主要分為織物芯輸送帶和鋼絲繩芯輸送帶兩大類。不論是何種材質(zhì)的輸送帶，他們本質(zhì)上都是由輸送帶母體和縱向的承載芯質(zhì)物粘合而成的復合體?？椢镄据斔蛶е饕怯蓭静牧虾拖鹉z復合而成；而鋼絲繩芯輸送帶主要是由鋼絲繩和橡膠組成的。目前，對于長運距、高速度、大運量的帶式輸送機系統(tǒng)主要還是采用鋼絲繩芯輸送帶，當它受到外部作用力時，不僅具有鋼絲繩的彈性，而且還能呈現(xiàn)出橡膠的非線性，這種復雜的力學特性稱之為粘彈性。所以，在建立帶式輸送機系統(tǒng)的數(shù)學模型并對其進行動態(tài)特性的分析之前，必須對輸送帶的動力學模型進行研究分析。如果輸送帶的粘彈性力學模型不能準確的建立，很難保證在其基礎上進一步所建的帶式輸送機系統(tǒng)的模型能很好地反映實際的運行情況，也不能確定是否能對其進行準確、可靠的系統(tǒng)分析。

帶式輸送機發(fā)展的方向是長距離、重負荷、高帶速，在此背景下，帶式輸送機啟動過程的動張力問題成為一項值得研究的課題。為了保證帶式輸送機平穩(wěn)啟動、安全運行，有必要對系統(tǒng)啟動過程進行計算分析。

3 膠帶機張力計算分析

3.1 基本參數(shù)

3.2 圓周驅(qū)動力計算

FU=C·FH+FS1+FS2+FSt

式中C：與輸送機長度有關的系數(shù)

（1）主要阻力FH（重段+空段）

FH=f*L*g[qR0+qRu+（2qB+qG）cosδ]

f：模擬摩檫系數(shù)，由《DTⅡ手冊》表3-6，取f=0.02

（2）主要特種阻力FS1：包括托輥前傾阻力和導料槽欄板的摩擦阻力。

（3）附加特種阻力FS2：包括輸送帶清掃器摩擦阻力和犁式卸料器摩擦阻力。

（4）傾斜阻力FSt：是膠帶機向上提升時卸載點與上料點的高度差產(chǎn)生的阻力，F(xiàn)St=qg*g*H：H

3.3 膠帶機繞帶及各點張力示意圖（圖1）

3.4 膠帶機張緊力計算

（1）最小張力

輸送機正常運行，需要合適的張緊力才能為輸帶和滾筒提供足夠的摩擦力，從而使輸送帶在啟動加速以及運行時不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，張盡力越大為驅(qū)動滾筒和帶面提供的摩擦力就越大，但是張力太大需要提高輸送帶的強度、提高整機運行阻力、提高張緊沖擊力，因此會造成整機設計浪費及安全隱患，因此如何確定輸送帶的最小張緊力成為輸送機設計的關鍵。由上圖可看出，張力分離點S6是膠帶機最小張力點，S6點張力的大小決定了膠帶機是否有足夠的摩擦力。

輸送帶不打滑條件公式：

Fmin≥FUmax/eμα-1=kA*FU/eμα-1

以雙滾筒傳動為例，其圍包角通常設計角度為α1=α2=210°摩擦系數(shù)在煤礦條件下通常取值μ=0.30，因此可計算出eμ（α1+α2）=9.01，膠帶機布置簡圖S6點為最小張力點。

故：F6min≥FUmax/eμ（α1+α2）-1=FUmax/9.01-1

FUmax是膠帶機的圓周驅(qū)動力，以綜采順槽膠帶機為例，輸送長度L=3000m，帶寬B=1.4m，運量Q=3000t，帶速4m/s，提升高度H=20M，通過以上參數(shù)及查參數(shù)表可計算出，其圓周驅(qū)動力FUmax可達250KN以上。

F6min≥FUmax/eμα-1=250/9.01-1=31.3KN

（2）膠帶下垂度校核

為了限制輸送帶在兩組托輥之間的下垂度，作用在輸送帶上任意一點的最小張力Fmin，需要下垂度校驗：

承載分支Fmin≥a0（qB+qG）g/8×i注：qB為每米輸送帶質(zhì)量，qG為每米貨物重量，i為下垂系數(shù)通常取值0.01

∴Fmin≥1.5×（27+208）×9.81/0.08=43181N>31.3K

由此可知，最小張力點F6min在滿足不打滑條件的情況下不能滿足承載分支下垂度要求。

回程分支Fmin≥auqBg/0.08

=3×27×9.81/0.08=9932N<31.3KN

綜上可知：F6min在滿足不打滑條件的情況下，承載分支不能滿足下垂度要求，而回程分支能滿足膠帶下垂度要求，故需重新選取F6min=43181（N）

也就是說通過張緊絞車對皮帶機實施的張緊力，傳遞到S6點時的張力應至少在31.3KN以上才可保證滾筒與帶面不發(fā)生打滑現(xiàn)象，同時為了滿足下垂條件其膠帶機的最小張力值提升到43KN（啟動張力需要乘啟動系數(shù)）但煤礦在用順槽膠帶機通常情況下張力值已經(jīng)設置在45KN以上卻依然出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，產(chǎn)生此情況的原因較多，將在下文進行分析。endprint

4 膠帶的張緊力動態(tài)分析

靜態(tài)計算設計中通常將膠帶作為一個剛性結(jié)構(gòu)進行研究，這顯然不是一個正確的方向。因為膠帶的主要材料是橡膠鋼絲繩芯或織物內(nèi)芯構(gòu)成，在其承受外力的時候，呈現(xiàn)為負責的動力特性，即其應變的情形不但與加載的力有關，而且與應力作用的時間、頻率、外界溫度、材料性質(zhì)有關系。因為在不同的工況和溫度條件下，橡膠本身存在著多變性。具體表現(xiàn)為以下幾點：

（1）應力的非線性在運行中，膠帶受到的是緩慢的作用拉力，拉力和變形不完全符合虎克定律，而是出現(xiàn)一種非線性的狀態(tài)，因此在研究中發(fā)現(xiàn)膠帶的彈性模量不是一個固定的數(shù)值，而是一個應力函數(shù)。

（2）運動滯后性當膠帶輸送機運行時，給膠帶外加作用力或減少作用力的時候，膠帶的應力和應力變化曲線是不重合的，從理論上看這是一種粘彈特性的體現(xiàn)，實際上看就是一種對驅(qū)動反應滯后的情況。即輸送機的電機給出調(diào)整信號的時候，膠帶的反應是相對滯后的。

（3）膠帶蠕變膠帶的蠕變性質(zhì)主要是指膠帶在承受作用力相對穩(wěn)定的時候，其變形量由時間決定。實際就是在膠帶運輸載荷不變的情況下，隨著運輸時間的增加，膠帶仍會產(chǎn)生一定量的變形，這種變形緩慢的趨向一個定值。

（4）膠帶的松弛在工作中，膠帶被施加一個常態(tài)的應變力時，皮帶的拉伸應力會隨著時間的增加而逐漸減小，最后趨于一個定值。

（5）膠帶的動態(tài)性質(zhì)皮帶在工作的過程中，在拉力的作用下會產(chǎn)生形變，而這種形變不僅與施加的壓力有關，還會受到作用時間和變化頻率的影響。因此是一種動態(tài)化的改變過程，會在某個時間段相對穩(wěn)定，但隨后將繼續(xù)變化。

通過以上幾點分析，可以判斷出膠帶機在啟動-運行-停止三種狀態(tài)下皮帶的動態(tài)特性會有明顯的不同，動態(tài)分析如下：

圖2 膠帶機受力簡圖

啟動時，張緊裝置先進行預張緊，使膠帶機最小張力點張力達到額定值后啟動膠帶機，由（圖2）可知當膠帶機啟動時，在驅(qū)動力FU的作用下膠帶機上帶面向下帶面?zhèn)鬏敚缜拔姆治鲋?，輸送帶將發(fā)生彈性形變，帶面處于拉伸狀態(tài)，在啟動的前一段時間內(nèi)，機頭帶面向儲帶倉傳輸，而機尾帶面此時并沒有發(fā)生位移，因此輸送帶拉長的部分都傳向儲帶倉，直到機尾帶面的速度與機頭同步時整個帶面趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)伸長。在這一階段由于儲帶倉積蓄帶面，所以張緊力F此時會有較大幅度的下降，需要張緊裝置在此時提供持續(xù)的張緊力，才能保證皮帶在啟動階段不出現(xiàn)打滑，為避免張力下降過快及減少張緊電機啟動次數(shù)，通常膠帶機啟動時最小張緊力要乘以啟動系數(shù)A，取值在（1.2-1.5）之間。

運行時，輸送帶的動態(tài)特性已經(jīng)趨于穩(wěn)定，只要通過張緊裝置為膠帶機提供額定張緊力即可滿足不打滑條件。

停機時，膠帶機運行狀態(tài)由運行到停止，驅(qū)動滾筒施加在帶面上的圓周驅(qū)動力FU突然降至0，并處于自由狀態(tài)，因此帶面由緊繃到松弛，驅(qū)動滾筒驅(qū)入點和奔離點張力平衡，由此可知S6點張力為：

以3000m順槽膠帶機為例：

此張力值是額定值的3.3倍

因此，停機時膠帶機張緊裝置應該及時釋放張力，以降低停機時對低張力區(qū)的沖擊，使用單位在選擇張緊控制系統(tǒng)時應該注意減速器、制動器等設備的選型，張緊力的釋放方式，以及系統(tǒng)突然斷電后是否可以持續(xù)釋放停機張力，若不能釋放停機張力很容易造成鋼絲繩拉斷、制動器磨損、減速器損壞、游動小車飛車、卷筒短軸等現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

綜上所述，在膠帶機得到廣泛應用的今天，對其力學特性及其功能的掌握變得愈發(fā)重要，了解力學特性能夠更好的掌握其工作的性能，使其在生產(chǎn)中得到更好的應用，提高運輸效率的同時保障安全生產(chǎn)。

參考文獻

[1]楊漢彬.帶式輸送機啟動過程動力學行為研究[J].煤礦機電，2013（2）：166-168.

[2]孟廣雄.膠帶輸送機膠帶跑偏的原因與力學分析[J].露天采礦技術(shù)，2012（4）：243-247.

[3]曹福凱.大型膠帶輸送機啟動過程動態(tài)特性仿真分析[J].科技與企業(yè)，2013（9）：110-115.

[4]張尊敬.帶式輸送機設計手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.endprint

4 膠帶的張緊力動態(tài)分析

靜態(tài)計算設計中通常將膠帶作為一個剛性結(jié)構(gòu)進行研究，這顯然不是一個正確的方向。因為膠帶的主要材料是橡膠鋼絲繩芯或織物內(nèi)芯構(gòu)成，在其承受外力的時候，呈現(xiàn)為負責的動力特性，即其應變的情形不但與加載的力有關，而且與應力作用的時間、頻率、外界溫度、材料性質(zhì)有關系。因為在不同的工況和溫度條件下，橡膠本身存在著多變性。具體表現(xiàn)為以下幾點：

（1）應力的非線性在運行中，膠帶受到的是緩慢的作用拉力，拉力和變形不完全符合虎克定律，而是出現(xiàn)一種非線性的狀態(tài)，因此在研究中發(fā)現(xiàn)膠帶的彈性模量不是一個固定的數(shù)值，而是一個應力函數(shù)。

（2）運動滯后性當膠帶輸送機運行時，給膠帶外加作用力或減少作用力的時候，膠帶的應力和應力變化曲線是不重合的，從理論上看這是一種粘彈特性的體現(xiàn)，實際上看就是一種對驅(qū)動反應滯后的情況。即輸送機的電機給出調(diào)整信號的時候，膠帶的反應是相對滯后的。

（3）膠帶蠕變膠帶的蠕變性質(zhì)主要是指膠帶在承受作用力相對穩(wěn)定的時候，其變形量由時間決定。實際就是在膠帶運輸載荷不變的情況下，隨著運輸時間的增加，膠帶仍會產(chǎn)生一定量的變形，這種變形緩慢的趨向一個定值。

（4）膠帶的松弛在工作中，膠帶被施加一個常態(tài)的應變力時，皮帶的拉伸應力會隨著時間的增加而逐漸減小，最后趨于一個定值。

（5）膠帶的動態(tài)性質(zhì)皮帶在工作的過程中，在拉力的作用下會產(chǎn)生形變，而這種形變不僅與施加的壓力有關，還會受到作用時間和變化頻率的影響。因此是一種動態(tài)化的改變過程，會在某個時間段相對穩(wěn)定，但隨后將繼續(xù)變化。

通過以上幾點分析，可以判斷出膠帶機在啟動-運行-停止三種狀態(tài)下皮帶的動態(tài)特性會有明顯的不同，動態(tài)分析如下：

圖2 膠帶機受力簡圖

啟動時，張緊裝置先進行預張緊，使膠帶機最小張力點張力達到額定值后啟動膠帶機，由（圖2）可知當膠帶機啟動時，在驅(qū)動力FU的作用下膠帶機上帶面向下帶面?zhèn)鬏?，如前文分析知，輸送帶將發(fā)生彈性形變，帶面處于拉伸狀態(tài)，在啟動的前一段時間內(nèi)，機頭帶面向儲帶倉傳輸，而機尾帶面此時并沒有發(fā)生位移，因此輸送帶拉長的部分都傳向儲帶倉，直到機尾帶面的速度與機頭同步時整個帶面趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)伸長。在這一階段由于儲帶倉積蓄帶面，所以張緊力F此時會有較大幅度的下降，需要張緊裝置在此時提供持續(xù)的張緊力，才能保證皮帶在啟動階段不出現(xiàn)打滑，為避免張力下降過快及減少張緊電機啟動次數(shù)，通常膠帶機啟動時最小張緊力要乘以啟動系數(shù)A，取值在（1.2-1.5）之間。

運行時，輸送帶的動態(tài)特性已經(jīng)趨于穩(wěn)定，只要通過張緊裝置為膠帶機提供額定張緊力即可滿足不打滑條件。

停機時，膠帶機運行狀態(tài)由運行到停止，驅(qū)動滾筒施加在帶面上的圓周驅(qū)動力FU突然降至0，并處于自由狀態(tài)，因此帶面由緊繃到松弛，驅(qū)動滾筒驅(qū)入點和奔離點張力平衡，由此可知S6點張力為：

以3000m順槽膠帶機為例：

此張力值是額定值的3.3倍

因此，停機時膠帶機張緊裝置應該及時釋放張力，以降低停機時對低張力區(qū)的沖擊，使用單位在選擇張緊控制系統(tǒng)時應該注意減速器、制動器等設備的選型，張緊力的釋放方式，以及系統(tǒng)突然斷電后是否可以持續(xù)釋放停機張力，若不能釋放停機張力很容易造成鋼絲繩拉斷、制動器磨損、減速器損壞、游動小車飛車、卷筒短軸等現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

綜上所述，在膠帶機得到廣泛應用的今天，對其力學特性及其功能的掌握變得愈發(fā)重要，了解力學特性能夠更好的掌握其工作的性能，使其在生產(chǎn)中得到更好的應用，提高運輸效率的同時保障安全生產(chǎn)。

參考文獻

[1]楊漢彬.帶式輸送機啟動過程動力學行為研究[J].煤礦機電，2013（2）：166-168.

[2]孟廣雄.膠帶輸送機膠帶跑偏的原因與力學分析[J].露天采礦技術(shù)，2012（4）：243-247.

[3]曹福凱.大型膠帶輸送機啟動過程動態(tài)特性仿真分析[J].科技與企業(yè)，2013（9）：110-115.

[4]張尊敬.帶式輸送機設計手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.endprint

4 膠帶的張緊力動態(tài)分析

靜態(tài)計算設計中通常將膠帶作為一個剛性結(jié)構(gòu)進行研究，這顯然不是一個正確的方向。因為膠帶的主要材料是橡膠鋼絲繩芯或織物內(nèi)芯構(gòu)成，在其承受外力的時候，呈現(xiàn)為負責的動力特性，即其應變的情形不但與加載的力有關，而且與應力作用的時間、頻率、外界溫度、材料性質(zhì)有關系。因為在不同的工況和溫度條件下，橡膠本身存在著多變性。具體表現(xiàn)為以下幾點：

（1）應力的非線性在運行中，膠帶受到的是緩慢的作用拉力，拉力和變形不完全符合虎克定律，而是出現(xiàn)一種非線性的狀態(tài)，因此在研究中發(fā)現(xiàn)膠帶的彈性模量不是一個固定的數(shù)值，而是一個應力函數(shù)。

（2）運動滯后性當膠帶輸送機運行時，給膠帶外加作用力或減少作用力的時候，膠帶的應力和應力變化曲線是不重合的，從理論上看這是一種粘彈特性的體現(xiàn)，實際上看就是一種對驅(qū)動反應滯后的情況。即輸送機的電機給出調(diào)整信號的時候，膠帶的反應是相對滯后的。

（3）膠帶蠕變膠帶的蠕變性質(zhì)主要是指膠帶在承受作用力相對穩(wěn)定的時候，其變形量由時間決定。實際就是在膠帶運輸載荷不變的情況下，隨著運輸時間的增加，膠帶仍會產(chǎn)生一定量的變形，這種變形緩慢的趨向一個定值。

（4）膠帶的松弛在工作中，膠帶被施加一個常態(tài)的應變力時，皮帶的拉伸應力會隨著時間的增加而逐漸減小，最后趨于一個定值。

（5）膠帶的動態(tài)性質(zhì)皮帶在工作的過程中，在拉力的作用下會產(chǎn)生形變，而這種形變不僅與施加的壓力有關，還會受到作用時間和變化頻率的影響。因此是一種動態(tài)化的改變過程，會在某個時間段相對穩(wěn)定，但隨后將繼續(xù)變化。

通過以上幾點分析，可以判斷出膠帶機在啟動-運行-停止三種狀態(tài)下皮帶的動態(tài)特性會有明顯的不同，動態(tài)分析如下：

圖2 膠帶機受力簡圖

啟動時，張緊裝置先進行預張緊，使膠帶機最小張力點張力達到額定值后啟動膠帶機，由（圖2）可知當膠帶機啟動時，在驅(qū)動力FU的作用下膠帶機上帶面向下帶面?zhèn)鬏敚缜拔姆治鲋?，輸送帶將發(fā)生彈性形變，帶面處于拉伸狀態(tài)，在啟動的前一段時間內(nèi)，機頭帶面向儲帶倉傳輸，而機尾帶面此時并沒有發(fā)生位移，因此輸送帶拉長的部分都傳向儲帶倉，直到機尾帶面的速度與機頭同步時整個帶面趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)伸長。在這一階段由于儲帶倉積蓄帶面，所以張緊力F此時會有較大幅度的下降，需要張緊裝置在此時提供持續(xù)的張緊力，才能保證皮帶在啟動階段不出現(xiàn)打滑，為避免張力下降過快及減少張緊電機啟動次數(shù)，通常膠帶機啟動時最小張緊力要乘以啟動系數(shù)A，取值在（1.2-1.5）之間。

運行時，輸送帶的動態(tài)特性已經(jīng)趨于穩(wěn)定，只要通過張緊裝置為膠帶機提供額定張緊力即可滿足不打滑條件。

停機時，膠帶機運行狀態(tài)由運行到停止，驅(qū)動滾筒施加在帶面上的圓周驅(qū)動力FU突然降至0，并處于自由狀態(tài)，因此帶面由緊繃到松弛，驅(qū)動滾筒驅(qū)入點和奔離點張力平衡，由此可知S6點張力為：

以3000m順槽膠帶機為例：

此張力值是額定值的3.3倍

因此，停機時膠帶機張緊裝置應該及時釋放張力，以降低停機時對低張力區(qū)的沖擊，使用單位在選擇張緊控制系統(tǒng)時應該注意減速器、制動器等設備的選型，張緊力的釋放方式，以及系統(tǒng)突然斷電后是否可以持續(xù)釋放停機張力，若不能釋放停機張力很容易造成鋼絲繩拉斷、制動器磨損、減速器損壞、游動小車飛車、卷筒短軸等現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

綜上所述，在膠帶機得到廣泛應用的今天，對其力學特性及其功能的掌握變得愈發(fā)重要，了解力學特性能夠更好的掌握其工作的性能，使其在生產(chǎn)中得到更好的應用，提高運輸效率的同時保障安全生產(chǎn)。

參考文獻

[1]楊漢彬.帶式輸送機啟動過程動力學行為研究[J].煤礦機電，2013（2）：166-168.

[2]孟廣雄.膠帶輸送機膠帶跑偏的原因與力學分析[J].露天采礦技術(shù)，2012（4）：243-247.

[3]曹福凱.大型膠帶輸送機啟動過程動態(tài)特性仿真分析[J].科技與企業(yè)，2013（9）：110-115.

[4]張尊敬.帶式輸送機設計手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.endprint