冀悟穎

（晉能控股集團煤峪口礦，山西 大同 037000）

引言

隨著煤炭開采業(yè)的不斷發(fā)展，對井下開采的主要運輸設備（帶式輸送機）的要求也越來越高，帶式輸送機不斷朝著高帶速、長距離、大運載量的方向發(fā)展。由于輸送帶自身特性，隨著輸送帶長度的不斷增加，輸送帶的動態(tài)特性也逐漸復雜。傳統的運用靜態(tài)特性對輸送帶進行受力分析設計的方法已無法適應設備的實際使用要求。而僅僅通過加大設備安全系數、增大滾筒圓周力也只能強化輸送帶強度，不合理的部件參數會使得設備制造成本升高，安全穩(wěn)定性降低。針對這一現象，本文提出采用動態(tài)特性分析的方法對帶式輸送機自動張緊裝置進行設計研究，以期提高帶式輸送機使用壽命，確保設備運行安全穩(wěn)定性，提升企業(yè)運輸效率。

1 輸送帶的動態(tài)特性分析

帶式輸送機的輸送帶主要由覆蓋層以及帶芯組成。覆蓋層包括上下兩個覆蓋層，上覆蓋層略厚于下覆蓋層，可增強輸送帶運輸耐磨性。帶芯為整體骨架，起承載負荷的作用。當輸送帶長度較短時，輸送帶的力學特性雖較為復雜，但力學特性影響可忽略不計。隨著長度的不斷增長，力學特性影響逐漸變大，成為帶式輸送機設計研究不可忽略的關鍵一環(huán)。經分析，帶式輸送機輸送帶的動態(tài)特性主要有以下5 點特性[1-4]：第一，輸送帶在使用過程中的應力σ 與應變ε 變化具有非線性的特點。兩者的變化過程緩慢，不滿足胡克定律，具有非線性的特點，其變化曲線如圖1-1 所示。第二，變化蠕變性。輸送帶在受到恒定外力E 后伸長量會不斷增長且無線趨近于某一個數值，其變化特性曲線如圖1-2 所示。第三，松弛特性。輸送帶受到恒定應變后拉伸應力會先增長再下降，然后穩(wěn)定趨近于某一數值，其松弛特性曲線如圖1-3 所示。第四，滯后性。輸送帶加載與卸載實驗中應力與應變曲線不重合且表現出滯后性，其特性曲線如圖1-4 所示。第五，頻率特征。輸送帶變形量的多少除與作用力大小F、時間t 有關外，還與作用力變化頻率f 有關，其具體頻率特征如圖1-5 所示。

圖1 輸送帶動態(tài)特性圖

2 帶式輸送機自動張緊裝置設計

2.1 結構設計

帶式輸送機自動張緊裝置主要由監(jiān)測模塊、供電模塊、冷卻模塊、張緊絞車以及控制箱組成，帶式輸送機自動張緊裝置組成框圖如下頁圖2 所示。其中，監(jiān)測模塊主要由張力傳感器組成，作用是對鋼絲繩張力進行測量并轉換為電信號傳輸至控制模塊；張緊絞車由小車、滑輪、滾筒、聯軸器、電動機、制動器以及變頻器組成。制動器的主要作用為控制電機轉子在斷電后不會繼續(xù)慣性轉動，保證設備運行安全；控制模塊主要為可編程控制器系統，對系統運行與停止起控制作用。

圖2 帶式輸送機自動張緊裝置組成框圖

當帶式輸送機需要進行輸送帶張力調整時，控制模塊會對調速系統發(fā)出指令，調速系統內的制動器會打開，同時電動機會運轉帶動滾筒轉動，鋼絲繩經滑輪牽引會拉動小車移動，從而對輸送帶張力進行調整。當監(jiān)測模塊監(jiān)測到輸送帶張力符合要求后，控制模塊會發(fā)出停止運行指令，制動器制動使小車停止并維持張力狀態(tài)。

2.2 參數設計

2.2.1 張緊裝置功率設計

本文以DSJ160/350/3×500 型帶式輸送機為例進行設計研究。通過實際測量可知，DSJ160/350/3×500型帶式輸送機啟動所需張力為500 kN，最大速度穩(wěn)定運行時所需張力為357 kN，設備停止運行時所需張力為321 kN。張緊裝置的功率計算公式為：

式中：P 為張緊裝置功率，kW；F 為所需張力的最大值，取500 kN；v 為設備運行速度，取0.08 m/s。

將相關數據代入式（1）得：張緊裝置所需功率P=40 kW。

2.2.2 鋼絲繩參數設計

依據設備的實際應用場景，鋼絲繩的使用等級應為T2 級，載荷狀態(tài)應為L2，那么工作級別應為M2。使用大倍率滑輪組可減小設備扭矩輸出，降低鋼絲繩拉力，實際的滑輪組倍率為6 倍，則鋼絲繩破斷力計算公式為：

式中：n 為安全系數，取6；F1為鋼絲繩最大拉力，取83.3 kN。

將相關數據代入式（2）得：鋼絲繩破斷拉力F=500 kN，選6×19 型鋼絲繩即可。

2.2.3 滾筒參數設計

張緊裝置的滾筒結構如圖3 所示。卷筒厚度應與鋼絲繩直徑d 相同，為26 mm。

圖3 張緊裝置滾筒結構示意圖

張緊裝置容繩量的計算公式為：

式中：L 為容繩量，m；L1為裝置的張緊形成，取30 m。

將相關數據代入式（3）得：張緊裝置的容繩量L=180 m。

卷筒長度的計算公式為：

式中：L 為卷筒長度，m；Z 為每層的圈數，取17；P 為繩索間距，取1.1d=0.028 6 m。

將相關數據代入式（4）得：卷筒長度L≈0.54 m。

3 帶式輸送機自動張緊裝置仿真分析

使用AMESim 軟件與Matlab 軟件對帶式輸送機自動張緊裝置進行仿真分析，Matlab 軟件主要對電動機以及調速系統進行模型的建立與分析，其他部分由AMESim 軟件建立。帶式輸送機自動張緊裝置在0 s時啟動，帶式輸送機在40 s 后啟動，張力值初始設置為啟動張力；設備運行200 s 后將張力設置為最大速度張力；該狀態(tài)運行210 s 后機尾移動，移動20 s 后停止；機尾停止120 s 后張力值設置為停機張力，運行100 s 后設備停止運行，10 s 后仿真結束。

帶式輸送機啟動過程的張力變化曲線如圖4 所示。由圖4 可知，在預張緊階段，滾筒相遇張力約為78 kN，機尾張力約為66 kN，奔離點張力約為83 kN；在40～99 s 之間，滾筒緊邊張力不斷增大，機尾張力平穩(wěn)不變；99 s 后，機尾張力開始上升，在116 s 時上漲為最大值129 kN；滾筒緊邊張力在126 s 時達到一個峰值，約為410 kN，在180 s 時達到最大值為431 kN；滾筒松邊張力較為平穩(wěn)，數值幾乎不變。

圖4 帶式輸送機啟動過程張力變化曲線

帶式輸送機最大速度張力變化曲線如下頁圖5所示。由圖5 可知，帶式輸送機最大速度運行下輸送帶張力大小整體下降，變化幅度較小。滾筒相遇張力、機尾張力以及奔離點張力最終數值約為398 kN、52 kN、100 kN。

圖5 帶式輸送機最大速度張力變化曲線

帶式輸送機停機階段張力變化曲線如圖6 所示。由圖6 可知，在停機階段，輸送帶的張力較最大速度張力均有所下降，緊邊張力、松邊張力以及機尾張力數值分別為223 kN、47 kN、78 kN。設備停止后，松邊張力稍有上漲，緊邊張力稍有下降。相遇張力以及奔離點張力最終數值為224 kN、58 kN。

圖6 帶式輸送機停機階段張力變化曲線

4 結論

帶式輸送機是煤礦井下生產的重要運輸設備，隨著帶式輸送機運輸距離、負載量以及運行速度不斷提升，采用輸送帶靜態(tài)分析的方法進行設計已無法滿足實際的使用要求。針對這一現象，本文采用動態(tài)分析方法進行帶式輸送機自動張緊裝置設計，經分析研究本文得出了以下結論：

1）輸送帶的動態(tài)特性主要包括應力與應變非線性、蠕變性、松弛性、滯后性以及頻率性。

2）對設計好的帶式輸送機自動張緊裝置進行聯合仿真分析，帶式輸送機在啟動、最大速度以及停機三個階段張力變化符合張力要求，調節(jié)速度快，響應靈敏，符合相關設計要求。