王莉萱

（同煤集團(tuán)同家梁礦， 山西 大同 037025）

1 帶式輸送機(jī)防打滑技術(shù)的現(xiàn)狀研究

目前國內(nèi)對帶式輸送機(jī)打滑研究是建立在撓性摩擦歐拉式上，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際工況設(shè)計(jì)出防滑結(jié)構(gòu)或部件，如采用調(diào)心托輥組、抗跑偏裝置等結(jié)構(gòu)[1-2]；設(shè)備組裝時(shí)增加輸送帶和滾筒垂直等垂直度的調(diào)節(jié)，在運(yùn)營過程中強(qiáng)化設(shè)備管理，尤其是過載發(fā)生后必須調(diào)節(jié)張緊裝置[3-4]。

帶式輸送機(jī)的核心部件是驅(qū)動(dòng)滾筒，其表面摩擦系數(shù)直接影響了打滑效果。技術(shù)人員在滾筒表面采用包膠形式，并在表面設(shè)置人字形或菱形網(wǎng)狀溝槽，如圖1 所示，溝槽可以增大摩擦系數(shù)，并可以容納水等雜物，防止運(yùn)行中摩擦系數(shù)降低。近幾年，技術(shù)人員研究采用陶瓷襯套滾筒來提高摩擦系數(shù)和耐磨性，使其可以適應(yīng)多種復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境。

圖1 人字形溝槽滾筒

2 帶式輸送機(jī)打滑機(jī)理和力學(xué)分析

企業(yè)常用的輸送帶結(jié)構(gòu)為橡膠加帶芯的復(fù)合結(jié)構(gòu)，運(yùn)行過程中受力比較復(fù)雜，輸送帶變形量與受到力的大小、時(shí)間、載荷變化頻率、工作環(huán)境溫度相關(guān)，應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性變化，輸送帶在被拉伸過程中彈性模量是動(dòng)態(tài)變化值。輸送帶恒定受力時(shí)存在一段內(nèi)會被伸長的蠕變行為；輸送帶運(yùn)行載荷頻率也會使輸送帶產(chǎn)生變形量不均勻的現(xiàn)象，且載荷變化時(shí)，輸送帶的變化滯后于力值的變化；輸送帶在長時(shí)間運(yùn)行中產(chǎn)生的應(yīng)力具有指數(shù)衰減的特性。因此需要建立相對復(fù)雜的模型對輸送帶進(jìn)行描述，描述輸送帶材料黏彈性力學(xué)特性材料模型有三種：Voigt 模型、Maxwell 模型、三元件模型，其中Maxwell 模型較為準(zhǔn)確。

彈性模型應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系：

黏性模型應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系：

總應(yīng)變量：

總應(yīng)力：

Maxwell 模型對總應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系：

式中：σ 為應(yīng)力；ε 為應(yīng)變；E 為彈性模量；η 為理論黏性系數(shù)。

Maxwell 數(shù)學(xué)模型綜合考慮彈性變化和黏性變化階段，對輸送帶應(yīng)變和黏彈性體應(yīng)力松弛描述相對準(zhǔn)確，模型如圖2 所示。

傳統(tǒng)的計(jì)算方程撓性體歐拉方程打滑式，簡化輸送帶為撓性體，在工作過程縱向纖維軸線方向之間無相互作用力，然而根據(jù)工程實(shí)際測量可以得出輸送帶為黏彈性體，繞滾筒運(yùn)動(dòng)變形時(shí)，橫縱方向變化會互相影響，并使輸送帶產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。以輸送帶兩個(gè)方向拉應(yīng)力和彎曲剪力建立打滑模型計(jì)算打滑行為。由于輸送帶軸向受力分析受到載重分布的影響，滾筒和輸送帶的接觸壓力不均勻，但該因素影響程度較低，故此默認(rèn)為軸向應(yīng)力均勻分布。

圖2 Maxwell 模型

分析輸送帶和滾筒接觸區(qū)周向受力，取中心角dα對應(yīng)的段圓周微元弧長度dl進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 輸送帶微圓弧受力分析

3 仿真模型的參數(shù)設(shè)置

對帶式輸送機(jī)進(jìn)行仿真，利用仿真軟件和計(jì)算機(jī)采用虛擬模型進(jìn)行計(jì)算，選用RecurDyn 軟件建立帶式輸送機(jī)仿真模型，直觀分析輸送機(jī)打滑過程。設(shè)置仿真初始參數(shù)：輸送帶初始張緊力S0=5 094 N，驅(qū)動(dòng)滾筒半徑R=1 000 mm，輸送帶厚度h 初始為14.1 mm，初始圍包角α 取值180°，輸送帶和驅(qū)動(dòng)滾筒之間摩擦系數(shù)μ 初始設(shè)定為0.3，運(yùn)算中摩擦系數(shù)設(shè)置為與切線速度有關(guān)的函數(shù)，輸送帶和托輥間摩擦系數(shù)設(shè)定0.35，帶式輸送初始速度為0。由于初始張緊力、摩擦系數(shù)、圍包角是影響打滑的關(guān)鍵因素，因此將其他因素固定，只改變其中的一個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，初始張緊力在4 000～7 000 N 范圍變化時(shí)對帶式輸送機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真，圍包角在180°～360°范圍內(nèi)變化。圖4 為初始張緊力為4 000 N 計(jì)算結(jié)果。

通過RecurDyn 軟件計(jì)算可以看出，輸送機(jī)防滑能力與初始張緊力、圍包角、摩擦系數(shù)參數(shù)成正比，也和企業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)驗(yàn)相吻合。

4 帶式輸送機(jī)防打滑措施的效果驗(yàn)證

某煤礦主斜井采用一臺上運(yùn)帶式輸送機(jī)，運(yùn)量為260 t/h，提升高212.2 m，運(yùn)營過程中打滑事故問題較為嚴(yán)重，尤其是在輸送機(jī)啟停過程中，打滑問題尤為突出。帶式輸送機(jī)工作制度16 h/d，輸送機(jī)傾角4°～25°，滾筒圍包角200°。

利用RecurDyn 軟件對輸送機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，得出打滑原因?yàn)椋涸O(shè)計(jì)選型時(shí)忽視了特種阻力存在，選用電機(jī)功率小，造成滾筒圓周驅(qū)動(dòng)力不足；設(shè)計(jì)計(jì)算未將防滑安全因素納入計(jì)算，設(shè)計(jì)規(guī)定的初始張緊力不足；輸送機(jī)滿載時(shí)啟停頻繁，缺少相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)取值和控制機(jī)構(gòu)。

圖4 初始張緊力為4 000 N 時(shí)帶式輸送機(jī)打滑仿真圖

分析某煤礦輸送機(jī)打滑原因后，對輸送機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性防滑措施改進(jìn)，增加20%的初始張緊力，在滾筒和輸送帶界面涂抹松香末，保持其摩擦力的穩(wěn)定，適當(dāng)選用較薄輸送帶，增加帶的柔度，并增加啟停過程的控制系統(tǒng)，保證加速度的恒定，減少載荷沖擊。

5 結(jié)論

針對帶式輸送機(jī)普遍存在的打滑問題，建立數(shù)值模型分析多種因素對打滑的影響，獲得控制打滑的最佳手段，通過理論和生產(chǎn)驗(yàn)證計(jì)算的一致性。該方法對控制輸送帶打滑問題具有很好的指導(dǎo)意義。