周廣林,李陽星，聶文明

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022)

外置拉緊裝置的帶式輸送機(jī)動態(tài)特性

周廣林,李陽星，聶文明

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022)

隨著帶式輸送機(jī)向著大型化的方向發(fā)展，動態(tài)特性對其運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性的影響效應(yīng)增大，對帶式輸送機(jī)動態(tài)特性規(guī)律的研究成為保證其安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一?；趶?fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺Amesim，搭建了外置拉緊裝置的帶式輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，研究了啟制動時(shí)間、運(yùn)行速度對帶式輸送機(jī)的動態(tài)特性影響的變化規(guī)律，得到輸送帶達(dá)到破斷張力時(shí)啟制動時(shí)允許的最短時(shí)間、最高運(yùn)行速度。同時(shí)，分析了輸送距離、輸送帶阻尼和輸送帶剛度對帶式輸送機(jī)動態(tài)特性影響的變化規(guī)律。該研究為大型帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和使用提供理論依據(jù)。

帶式輸送機(jī)；動態(tài)特性；拉緊裝置；Amesim

0 引 言

帶式輸送機(jī)作為一種連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，越來越受到使用者的青睞，特別是隨著各種特種帶式輸送機(jī)的出現(xiàn)以及帶式輸送機(jī)的大型化，其適用范圍越來越廣[1,2]。

動態(tài)分析技術(shù)是大型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵之一，是推動帶式輸送機(jī)向著大運(yùn)量、長運(yùn)距、高帶速的大型化方向發(fā)展的核心技術(shù)。動態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用，可提高帶式輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性，預(yù)防事故的發(fā)生，因此，對大型帶式輸送機(jī)進(jìn)行動態(tài)特性分析成為帶式輸送機(jī)研究的熱點(diǎn)之一。

郝雙雙[3]對帶式輸送機(jī)啟制動過程的動態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析，得到帶式輸送機(jī)啟制動階段的動態(tài)特性與啟制動時(shí)間的變化規(guī)律。孫文濤[4]對線摩擦驅(qū)動帶式輸送機(jī)的動態(tài)特性進(jìn)行分析研究，得到啟動運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對線摩擦帶式輸送機(jī)動態(tài)特性的影響規(guī)律。韓瑞飛[5]討論了輸送帶剛度、阻尼系數(shù)、壓輥分布以及帶速對輥?zhàn)訅簬綆捷斔蜋C(jī)動態(tài)特性的影響變化規(guī)律。吳彬[6]研究機(jī)架對帶式輸送機(jī)動態(tài)特性的影響。李曉輝[7]研究了彎曲運(yùn)行段的托輥布置方式以及轉(zhuǎn)彎曲率半徑等參數(shù)對平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)動態(tài)特性影響的變化規(guī)律。

拉緊裝置是帶式輸送機(jī)必不可少的重要組成部分。但是，過去對帶式輸送機(jī)進(jìn)行動態(tài)特性分析時(shí)，不是采用實(shí)體結(jié)構(gòu)的拉緊裝置，而是將拉緊參數(shù)內(nèi)置于計(jì)算模型中(這里稱之為內(nèi)置拉緊裝置)[8-10]，筆者把拉緊裝置作為實(shí)體結(jié)構(gòu)模型的一部分(稱外置拉緊裝置)，構(gòu)建帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)模型，分析其運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對外置拉緊裝置帶式輸送機(jī)動態(tài)特性的影響，為合理設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)提供理論依據(jù)。

1 虛擬樣機(jī)模型

設(shè)帶式輸送機(jī)的鋪設(shè)長度為L，將輸送帶承載分支劃分為M段，頭部驅(qū)動滾筒設(shè)為第一個(gè)單元，按與帶式輸送機(jī)運(yùn)行的相反方向，承載分支輸送帶的單元編號依次為：1，2，…，M，尾部改向滾筒的單元編號為M+l，將輸送帶回程分支劃分為N個(gè)單元，從尾部開始，單元編號依次為：M+2，M+3，…，N+M，將重錘看做一個(gè)單元，編號為N+M+l。根據(jù)輸送帶兩相鄰點(diǎn)的黏彈性模型和對帶式輸送機(jī)單元的劃分，建立外置拉緊裝置帶式輸送機(jī)整機(jī)的離散化有限元模型，如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)離散化模型Fig.1 Discretization model of belt conveyor

根據(jù)以上對帶式輸送機(jī)離散模型基本單元受力分析，可以得到帶式輸送機(jī)的系統(tǒng)動力學(xué)方程[8]

(1)

式中：m1，m2，…，mN+M+1——第1，2，…，N+M+1個(gè)單元的質(zhì)量，kg；

k1，k2，…，kN+M+1——第1，2，…，N+M+1個(gè)單元的剛度系數(shù)，N/m；

c1，c2，…，cN+M+1——第1，2，…，N+M+1個(gè)單元的阻尼系數(shù)，N/(m·s-1)；

x1，x2，…，xN+M+1——第1，2，…，N+M+1個(gè)單元的位移，m；

F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)N+M+1——第1，2，…，N+M+1個(gè)單元所受到的驅(qū)動力，N；

f1，f2，…，fN+M+1——第1，2，…，N+M+1個(gè)單元所受的阻力，N。

將式(1)改寫成矩陣形式：

(2)

在分析外置拉緊裝置對帶式輸送機(jī)動態(tài)特性的影響變化規(guī)律時(shí)，仿真計(jì)算模型的具體參數(shù)驅(qū)動滾筒質(zhì)量800kg；驅(qū)動滾筒半徑1.2m；改向滾筒質(zhì)量600kg；改向滾筒半徑0.65m；承載段輸送帶及貨載單元質(zhì)量2 780kg；空載段輸送帶單元質(zhì)量1 200kg；輸送帶承載段靜摩擦阻力750N；輸送帶空載段靜摩擦阻力460N；輸送帶承載段動摩擦阻力720N；輸送帶空載段動摩擦阻力430N；輸送帶寬度1.2m；拉緊重錘單元質(zhì)量10 000kg。仿真步長為Δt=0.01s，數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在輸送帶和驅(qū)動滾筒相遇處的模型單元上。

2 運(yùn)行參數(shù)對動態(tài)特性的影響

2.1 啟動時(shí)間

設(shè)啟動時(shí)間t0分別為6、8、10 s三種不同數(shù)值，輸送帶單元剛度系數(shù)1.817 3×107N/m；輸送帶單元阻尼系數(shù)1.643 2×107N/(m·s-1)；輸送距離1 200 m；運(yùn)量2250 t/h；運(yùn)行速度為v0=5 m/s，仿真時(shí)間設(shè)為t=13 s，動張力仿真曲線如圖2所示。

當(dāng)t0=10 s，動張力峰值在t=4.96 s時(shí)，峰值為314.9 kN；當(dāng)t0=8 s，其動張力峰值在t=3.6 s時(shí)，峰值為378 kN，比t0=10 s時(shí)動張力峰值增加20%；當(dāng)t0=6 s，動張力峰值在t=3.05 s時(shí)，峰值為469.8 kN，比t0=10 s時(shí)動張力峰值增加49.2%。由此可以看出，啟動時(shí)間對輸送帶動張力峰值的大小影響較大，且啟動時(shí)間越短，動張力峰值越大。

當(dāng)啟動的時(shí)間為t0=6.65 s，動張力峰值在t=3.21 s時(shí)，峰值為432 kN，達(dá)到了該輸送帶的破斷張力值。由此可知，穩(wěn)定運(yùn)行速度為v0=5 m/s，帶式輸送機(jī)啟動時(shí)間應(yīng)保持在t0=6.65 s以上，才能保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

a t0=10 s

b t0=8 s

c t0=6 s

d t0=6.65 s

2.2 制動時(shí)間

設(shè)制動時(shí)間tz分別為7、8、9 s三種不同數(shù)值，輸送帶單元剛度系數(shù)1.817 3×107N/m；輸送帶單元阻尼系數(shù)1.643 2×107N/(m·s-1)；輸送距離1 200 m；運(yùn)量2 250 t/h；運(yùn)行速度為v0=5 m/s，仿真時(shí)間為t=20 s，不同制動時(shí)間下的動張力仿真曲線如圖3所示。

帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為先進(jìn)行與制動時(shí)間完全相同的啟動時(shí)間，完成啟動過程后，進(jìn)行時(shí)長為t=2 s的穩(wěn)定運(yùn)行，繼而進(jìn)入其制動階段，即制動開始時(shí)的時(shí)間t分別為9、10、11 s。當(dāng)Tz=7 s，動張力峰值在t=12.32 s時(shí)，峰值為-219.3 kN，停止運(yùn)行時(shí)輸送帶中的靜張力值為56 kN；當(dāng)tz=8 s，動張力峰值在t=14.13時(shí)，峰值為-178.5 kN，比tz=7 s時(shí)動張力峰值減小18.6%，停止運(yùn)行時(shí)輸送帶中的靜張力值為65.2 kN；當(dāng)tz=9 s，其動張力峰值在t=15.48 s時(shí)，峰值為-149.2 kN，比tz=7 s時(shí)動張力峰值減小32%，停止運(yùn)行時(shí)輸送帶中的靜張力值為71.6 kN。從圖3中可以看出，制動階段的動張力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動階段的動張力峰值，故在啟動與制動時(shí)間相同時(shí)，在保證啟動階段可以安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，制動階段也可安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著制動時(shí)間的延長，制動階段的動張力峰值減小。

a tz=7 s

b tz=8 s

c tz=9 s

d tz=4.11 s圖3 不同制動時(shí)間下的動張力曲線Fig.3 Dynamic tension curves under different braking time

當(dāng)制動時(shí)間為tz=4.11 s，動張力峰值在t=13.24 s時(shí)，峰值為-432 kN，達(dá)到了該輸送帶的破斷張力值，根據(jù)以上分析，制動時(shí)間應(yīng)保持在tz=4.11 s時(shí)以上，才能保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 輸送帶運(yùn)行速度

設(shè)穩(wěn)定運(yùn)行速度v0分別為6、7、8 m/s時(shí)，，輸送帶單元剛度系數(shù)1.817 3×107N/m；輸送帶單元阻尼系數(shù)1.643 2×107N/(m·s-1)；輸送距離1 200 m；運(yùn)量2 250 t/h；啟動時(shí)間t0=10 s，仿真時(shí)間為t=13 s，仿真動張力曲線如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)v0=6 m/s，輸送帶動張力峰值在t=4.88 s時(shí)，峰值為358.2 kN，穩(wěn)定動張力值為95 kN；當(dāng)v0=7 m/s，輸送帶動張力峰值在t=4.88 s時(shí)，峰值為401.9 kN，比v0=6 m/s時(shí)動張力峰值增加12.2%，穩(wěn)定動張力值為95.1 kN；當(dāng)v0=8 m/s，輸送帶動張力峰值在t=4.88 s時(shí)，峰值為445.6 kN，比v0=6 m/s時(shí)動張力峰值增加24.4%，穩(wěn)定動張力值為95.2 kN。由此可知，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，不同帶速穩(wěn)定動張力值基本一致，峰值則隨著帶速的提高而增大。

a v0=6 m/s

b v0=7 m/s

c v0=8 m/s

d v0=7.68 m/s圖4 不同穩(wěn)定運(yùn)行速度下的動張力曲線Fig.4 Dynamic tension curves under different stable speed

當(dāng)運(yùn)行速度為v0=7.68 m/s，張力峰值在t=4.88 s時(shí),達(dá)到432 kN，是該輸送帶的破斷張力值，由此可知，運(yùn)行速度應(yīng)保持在v0=7.68 m/s以下，才能保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 輸送距離

取輸送距離L分別為900、1 200、1 500 m三種不同數(shù)值，輸送帶單元剛度系數(shù)1.817 3×107N/m；輸送帶單元阻尼系數(shù)1.643 2×107N/(m·s-1)；運(yùn)量2 250 t/h；運(yùn)行速度為v0=5 m/s，啟動時(shí)間t0=10 s，仿真時(shí)間為t=13 s，仿真動張力曲線如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)L=900 m，輸送帶動張力峰值在t=4.97 s時(shí)，峰值為224.8 kN，穩(wěn)定動張力值為72.7 kN；當(dāng)L=1 200 m，輸送帶動張力峰值在t=4.96 s時(shí)，峰值為314.9 kN，比L=900 m時(shí)動張力峰值增加40.1%，穩(wěn)定動張力值為94.9 kN；當(dāng)L=1 500 m，輸送帶動張力峰值在t=5.33 s時(shí)，峰值為413.8 kN，比L=900 m時(shí)動張力峰值增加84.1%，穩(wěn)定動張力值為137.8 kN。對比數(shù)據(jù)可以看出，隨著輸送距離的增大，動張力峰值有較大幅度增加，穩(wěn)定動張力值也有所增加。

a L=900 m

b L=1 200 m

c L=1 500 m圖5 不同輸送距離下的動張力曲線Fig.5 Dynamic tension curves under different transmission distance

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對動態(tài)特性的影響

3.1 輸送帶阻尼系數(shù)

取輸送帶阻尼系數(shù)c分別為1.64 3 2×106、1.643 2×107、1.643 2×108N/(m·s-1)三種數(shù)值，輸送帶單元剛度系數(shù)1.817 3×107N/m；輸送距離1 200 m；運(yùn)量2 250 t/h；運(yùn)行速度為v0=5 m/s，啟動時(shí)間t0=10 s，仿真時(shí)間為t=40 s，仿真動張力曲線如圖6所示。

由圖6可見，當(dāng)c=1.643 2×106N/m·s-1時(shí)，輸送帶動張力峰值在t=4.95 s時(shí)，峰值為347.2 kN，穩(wěn)定動張力值為94.8 kN；當(dāng)c=1.643 2×107N/ m·s-1時(shí)，輸送帶動張力峰值在t=4.96 s時(shí)，峰值為314.9 kN，比c=1.643 2×106N/m·s-1時(shí)動張力峰值減小9.3%，穩(wěn)定動張力值為94.9 kN；當(dāng)c=1.643 2×108N/m·s-1，輸送帶動張力峰值在t=5.01 s時(shí)，峰值為313 kN，比c=1.643 2×106N/m·s-1)時(shí)動張力峰值減小9.8%，穩(wěn)定動張力值為94.7 kN。

由此可以看出，隨著阻尼系數(shù)的增大，輸送帶動張力峰值減小，而穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的動張力基本趨于一致。對比三種不同阻尼系數(shù)時(shí)的動張力曲線，隨著阻尼系數(shù)的增大，動張力值的波動幅值及頻率呈下降趨勢，并且動張力峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)向后延遲，但延遲的時(shí)間較短。

a c=1.643 2×106 N/m·s-1

b c=1.643 2×107 N/m·s-1

c c=1.643 2×108 N/m·s-1

3.2 輸送帶剛度系數(shù)

取輸送帶剛度系數(shù)k分別為1.817 3×106、1.817 3×107、1.817 3×108N/m三種數(shù)值，輸送帶單元阻尼系數(shù)1.643 2×107N/m·s-1；輸送距離1 200 m；運(yùn)量2 250 t/h；運(yùn)行速度為v0=5 m/s，啟動時(shí)間t0=10 s，仿真時(shí)間為t=13 s，仿真動張力曲線如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)k=1.817 3×106N/m，輸送帶動張力峰值在t=5.62 s時(shí)，峰值為343.7 kN，穩(wěn)定動張力值為95 kN；當(dāng)k=1.817 3×107N/m，輸送帶動張力峰值在t=4.96 s時(shí)，峰值為326.6 kN，比k=1.817 3×106N/m時(shí)動張力峰值減少4.98%，穩(wěn)定動張力值為95 kN；當(dāng)k=1.817 3×108N/m，輸送帶動張力峰值在t=4.96 s時(shí)，峰值為314.9 kN，比k=1.817 3×106N/m時(shí)動張力峰值減少8.38%，穩(wěn)定動張力值為94.9 kN。由此可知，隨著剛度系數(shù)的增大，動張力峰值減小，動張力峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)延后，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的動張力值基本一致。隨著剛度系數(shù)的增大，輸送帶中的動張力值的波動幅值有所增加。

a k=1.817 3×106 N/m

b k=1.817 3×107 N/m

c k=1.817 3×108 N/m

4 結(jié) 論

(1)隨著啟動時(shí)間的延長，輸送帶的動張力峰值隨之減小。在帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行速度v0=5 m/s時(shí)，其啟動時(shí)間應(yīng)保持在t0=6.65 s以上，以保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)隨著制動時(shí)間的延長，制動階段的動張力峰值隨之減小。在帶式輸送機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行速度為v0=5 m/s時(shí)，其制動時(shí)間應(yīng)保持在t=4.11 s以上，以保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，不同帶速條件下的穩(wěn)定動張力值基本趨于一致，而在啟動階段內(nèi)的動張力峰值則隨著帶速的提高而增大。帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行速度應(yīng)保持在v0=7.68 m/s以下，以保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)隨著輸送距離的增大，動張力峰值有較大幅度的增加，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的動張力值也隨之有所增加。

(5)隨著阻尼系數(shù)的增大，輸送帶中的動張力峰值隨之減小，而穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的動張力基本趨于一致，動張力值的波動頻率呈下降趨勢，動張力峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)向后延遲。

(6)隨著輸送帶剛度系數(shù)的增大，動張力峰值減小，動張力峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)延后，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的動張力值基本一致。

致謝：

該論文獲得黑龍江科技大學(xué)研究生創(chuàng)新科研基金項(xiàng)目“拉緊裝置的帶式輸送機(jī)動態(tài)特性研究(YJSCX2015-007HKD)”的支持。

[1] 張振文，宋偉剛.帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京： 冶金工業(yè)出版社，2015.

[2] 宋偉剛.特種帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3] 郝雙雙.動態(tài)特性對帶式輸送機(jī)運(yùn)行安全性的影響研究[D].哈爾濱： 黑龍江科技學(xué)院，2008.

[4] 孫文濤.線摩擦驅(qū)動帶式輸送機(jī)動態(tài)分析[D].哈爾濱： 黑龍江科技學(xué)院，2012.

[5] 韓瑞飛.輥?zhàn)訅簬綆捷斔蜋C(jī)的動態(tài)特性[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，24(1)： 85-93.

[6] 吳 彬.考慮機(jī)架影響的帶式輸送機(jī)動態(tài)特性分析[D].哈爾濱： 黑龍江科技大學(xué)，2015.

[7] 李曉輝.平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)動態(tài)特性分析[D].哈爾濱： 黑龍江科技大學(xué)，2015.

[8] 聶文明.包含拉緊裝置的帶式輸送機(jī)動態(tài)特性研究[D].哈爾濱： 黑龍江科技大學(xué)，2016.

[9] 李陽星，李曉輝.基于ADAMS平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)的動態(tài)特性[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，25(5)： 482-488.

[10] 張東升，毛 君，劉占勝.刮板輸送機(jī)啟動及制動動力學(xué)特性仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(2)： 513-521.

(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Research on dynamic characteristics behind belt conveyor of external tension device

ZhouGuanglin,LiYangxing,NieWenming

(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

The trend towards the development of the large-scale belt conveyor leads to an increased effect of the dynamic characteristics on its running stability and security,thus necessitating the research into the law underlying the dynamic characteristics of belt conveyor——the key to ensuring the safe and reliable operation.The study building on Amesim,one of a complex system modeling simulation platforms works towards the development of the virtual prototyping model of the external tension device and the investigation into the changing law behind the effect of starting and breaking time and running speed on the dynamic characteristic of belt conveyor.The research provides the shortest time and highest speed allowed for the conveyor belt as it reaches the breaking tension during the start-stop time and identifies the changing rule behind the effect of damping and transmission distance on the dynamic characteristics of belt conveyor.The work may serve as the theory basis for design and use of large belt conveyors.

belt conveyor; dynamic characteristics; tension device; Amesim

2017-02-10

周廣林(1961-)，男，吉林省懷德人，教授，博士，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)特性分析技術(shù)、設(shè)備監(jiān)測與可靠性技術(shù),E-mail：guanglinzhou@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.008

TD528.1

2095-7262(2017)02-0133-06

A