揭施軍1,， 熊曉燕， 武 兵， 牛藺楷

(1. 桂林理工大學(xué)南寧分校機(jī)械與控制工程系， 廣西崇左 532100； 2. 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山西太原 030024)

引言

帶式輸送機(jī)是物料輸送的重要設(shè)備，并逐漸向大運(yùn)量、長(zhǎng)距離和高帶速方向發(fā)展，其動(dòng)態(tài)特性變得越來越顯著。尤其在輸送機(jī)啟動(dòng)過程中，由于張緊裝置來不及響應(yīng)，使得張緊裝置提供的張緊力減小，輸送帶張力發(fā)生較大的波動(dòng)，影響輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。眾多學(xué)者對(duì)此展開了研究，毛君等[2]在研究影響張緊行程的因素時(shí)，分析了不同張緊方式的優(yōu)缺點(diǎn)；汪巖峰等[3]對(duì)不同張緊裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對(duì)張緊裝置的選型和應(yīng)用提出了合理建議；李冬梅等[4]對(duì)不同張緊裝置的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了分析，為防止輸送帶局部應(yīng)力過小或過大提供了理論依據(jù)。本研究通過分析不同張緊方式對(duì)輸送機(jī)啟動(dòng)特性的影響，便于使用者根據(jù)不同場(chǎng)合選擇合適的張緊方式，對(duì)于保證帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，增強(qiáng)帶式輸送機(jī)的安全性和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。

1 張緊裝置工作原理

張緊裝置是帶式輸送機(jī)的一個(gè)重要組成部分，為輸送機(jī)的正常運(yùn)行提供穩(wěn)定的張緊力。張緊裝置按作用分為三類：重錘式、固定式和自動(dòng)液壓張緊式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 三種張緊方式

其中圖1a為重錘式張緊，應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其工作原理是利用重錘的自重來張緊輸送帶，且重錘往復(fù)運(yùn)動(dòng)能補(bǔ)償輸送帶的彈塑性性伸長(zhǎng)；圖1b為固定式張緊方式，其鋼絲繩的一段固定，另一端與張緊小車相連，且只能在停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行張緊力的調(diào)整；圖1c為自動(dòng)液壓張緊方式，主要由張緊小車、鋼絲繩和控制系統(tǒng)等組成，通過控制液壓缸兩腔的油壓，調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)對(duì)張緊力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，并能對(duì)輸送帶的彈塑性伸長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，確保帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行[3-4]。

2 輸送帶動(dòng)力學(xué)模型的建立

由于張緊裝置一般具有自動(dòng)張緊功能，可以補(bǔ)償輸送帶因張力變化造成的松弛[5]。本研究?jī)H考慮輸送機(jī)的啟動(dòng)特性，故可選擇Kelvin-Voigt模型作為輸送帶的粘彈性模型來進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，帶式輸送機(jī)的離散模型[6]如圖2所示。

將輸送帶單元、驅(qū)動(dòng)單元和張緊單元?jiǎng)恿W(xué)方程進(jìn)行組合，可得輸送機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為，離散模型的動(dòng)力學(xué)方程可化為[7-8]：

{F}={F1，F(xiàn)2,…，F(xiàn)n}T{X}={x1，x2,…，xn}T

式中，M—— 輸送帶的離散質(zhì)量矩陣

C—— 阻尼矩陣

K—— 剛度矩陣

F—— 激勵(lì)矩陣

X—— 位移矩陣

3 張緊裝置模型建立

根據(jù)以上建模參數(shù)，建立不同張緊方式的物理模型，如圖3～圖5所示。

圖3 重錘式張緊方式

圖2 帶式輸送機(jī)的離散模型

表1 帶式輸送機(jī)建模參數(shù)

圖4 固定式張緊方式

圖5 自動(dòng)液壓張緊方式

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上建立的物理模型，代入表1的建模參數(shù)，輸送機(jī)按“S”形正弦方式啟動(dòng)[9]，對(duì)不同張緊方式進(jìn)行了仿真，其仿真結(jié)果為：輸送帶最大張力點(diǎn)-承載段驅(qū)動(dòng)滾筒處的加速度和張力響應(yīng)曲線、張緊裝置提供的張緊力以及張緊小車和重錘的位移曲線，如圖6～圖9所示。

圖6 承載段驅(qū)動(dòng)滾筒處加速度

圖7 承載段驅(qū)動(dòng)滾筒處張力

圖8 張緊裝置張緊力響應(yīng)曲線圖

從以上仿真結(jié)果可知，在第一次啟動(dòng)過程中，輸送帶承載段的張力峰值會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，而在第二次加速過程中，輸送帶承載段張力峰值波動(dòng)明顯降低，可知“S”形啟動(dòng)方式能有效降低輸送帶最大張力峰值。通過對(duì)比四種張緊方式對(duì)輸送帶承載段張力波動(dòng)的影響，可知當(dāng)張緊裝置保持理想恒力張緊時(shí)，輸送帶張力仍然有較大的波動(dòng)，而當(dāng)不同的張緊裝置提供的張緊力波動(dòng)程度不同時(shí)，輸送帶承載段張力波動(dòng)也不相同，可知，啟動(dòng)方式和張緊力穩(wěn)定性會(huì)影響輸送帶承載段張力峰值波動(dòng)。

圖9 張緊小車和重錘的加速度響應(yīng)曲線

圖9反映輸送機(jī)啟動(dòng)瞬間，由于張緊裝置來不及響應(yīng)，使其提供的張緊力急劇減小。其中，重錘張緊方式響應(yīng)速度最快，液壓自動(dòng)張緊方式中的張緊小車響應(yīng)速度最慢。當(dāng)張緊裝置響應(yīng)速度較快時(shí)，能保持張緊裝置提供的張緊力在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，從圖8可知，將導(dǎo)致輸送帶承載段張力峰值波動(dòng)增大。固定式張緊方式，由于張緊位置不變，張緊裝置不能隨著負(fù)載的變化進(jìn)行張緊力的調(diào)節(jié)，使得張緊裝置提供的張緊力在預(yù)張緊階段較大，在輸送機(jī)啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由于輸送帶發(fā)生彈塑性變形，回程段懸垂度增加[10]。從圖7可知，使得張緊裝置提供的張緊力減小，其較小張緊力波動(dòng)使得輸送帶承載段張力峰值產(chǎn)生較大波動(dòng)。從圖8和圖9仿真曲線可知，在輸送機(jī)啟動(dòng)過程中，自動(dòng)液壓張緊系統(tǒng)來不及響應(yīng)，使得張緊裝置提供的張緊力急劇減小，降低了輸送帶張力峰值，避免了輸送帶發(fā)生斷裂事故[11]，但較小的張緊力，易使得輸送帶發(fā)生疊帶現(xiàn)象。

5 結(jié)論

通過利用AMESim軟件建立帶式輸送機(jī)不同張緊方式的物理模型，并分析在輸送機(jī)啟動(dòng)過程中不同張緊方式對(duì)輸送帶動(dòng)態(tài)特性的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 重錘張緊方式和固定式張緊方式由于張緊裝置響應(yīng)速度高，會(huì)使得輸送帶承載段張力峰值增大并產(chǎn)生波動(dòng)，可能使輸送帶發(fā)生斷帶事故，故這兩種張緊方式適合于中小型慢速帶式輸送機(jī)；

(2) 自動(dòng)液壓張緊方式由于響應(yīng)速度低，使得張緊裝置提供的張緊力變化范圍增大，降低了輸送帶承載段最大張力值，故適合于長(zhǎng)距離、高帶速的帶式輸送機(jī)。