張宇超

（晉能控股煤業(yè)集團大地選煤工程（大同）有限責(zé)任公司麻家梁選煤廠，山西 大同 037001）

引言

帶式輸送機是煤炭篩選運輸中進行物料輸送的主要設(shè)備，可以實現(xiàn)對煤炭的高效率輸送，且能滿足煤炭篩選工作的長距離開采需求，在煤礦及其他物料輸送的領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在帶式輸送機輸送煤炭的過程中，依靠輸送帶與物料之間的摩擦力實現(xiàn)物料的輸送，輸送帶的承載力越大，受到的內(nèi)應(yīng)力作用越大[1]。輸送帶多采用彈性介質(zhì)制作而成，在長期的使用過程中，受到較大的內(nèi)應(yīng)力容易造成彈性度降低、張力作用變差，在運行過程中容易引起帶式輸送機的安全事故[2]，不利于煤礦的安全運行。針對帶式輸送機運行中不同因素對輸送帶內(nèi)應(yīng)力的作用進行仿真分析，從而在帶式輸送機的設(shè)計使用中選取有利的因素[3]，保證輸送帶的安全，實現(xiàn)對礦井的穩(wěn)定輸送。

1 帶式輸送機輸送帶仿真分析模型的建立

帶式輸送機的主要傳輸結(jié)構(gòu)包括輸送帶、滾筒及托輥，在輸送帶進行煤炭的承載輸送時，滾筒提供輸送帶運行的動力，托輥對輸送帶形成支撐，滾筒及托輥直接與輸送帶接觸，對輸送帶的應(yīng)力作用具有重要的影響[4]。采用RecurDyn 軟件對輸送帶的應(yīng)力作用進行分析，由于輸送帶的彈性作用，通過柔性體MFBD 工具箱對輸送帶的有限元技術(shù)與動力學(xué)分析進行結(jié)合，從而實現(xiàn)對輸送帶應(yīng)力的準確計算[5]。

以某型號的帶式輸送機為例進行建模，選取的分析段輸送帶長度為1 100 mm、寬度為75 mm，輸送帶采用鋼絲繩芯的橡膠輸送帶。采用三維軟件Pro/E 進行帶式輸送機模型的構(gòu)建，帶式輸送機長度為10 m，輸送帶寬度為1 m，使用的滾筒的直徑為500 mm。托輥采用V 形支撐的形式[6]，槽型托輥的直徑為120 mm、長度為320 mm，水平托輥的直徑為120 mm、長度為1 100 mm。對帶式輸送機進行建模，將模型導(dǎo)入到RecurDyn 軟件中，得到帶式輸送機的模型如圖1 所示，在軟件中對模型進行預(yù)處理。

圖1 帶式輸送機模型

在RecurDyn 軟件中對輸送帶進行網(wǎng)格劃分處理，設(shè)定輸送帶采用實體單元模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格的大小為50 mm，通過自動網(wǎng)格的形式進行網(wǎng)格劃分。輸送帶采用鋼絲繩芯橡膠結(jié)構(gòu)[7]，力學(xué)特性較為復(fù)雜，將輸送帶作為各向異性的材料進行處理，設(shè)定具有2 個方向的彈性模量，輸送帶長度方向上的彈性模量為40.3 MPa；由于輸送帶寬度方向上鋼絲繩芯的分布較少，沿輸送帶寬度方向上的彈性模量可以看作橡膠的彈性模量[8]，為7.8 MPa。

帶式輸送機通過滾筒的旋轉(zhuǎn)帶動輸送帶運動，滾筒及托輥以旋轉(zhuǎn)運動為主，設(shè)定托輥以自身的軸心進行旋轉(zhuǎn)，滾筒相對機架做旋轉(zhuǎn)運動，帶式輸送機與地面進行固定約束[9]。在分析過程中，對帶式輸送機添加相應(yīng)的速度-時間函數(shù)進行驅(qū)動，設(shè)定輸送帶的運行速度為2 m/s，通過STEP 函數(shù)進行啟停控制，設(shè)置分析時長為6 s，對運動過程中滾筒及托輥對輸送帶的應(yīng)力作用進行分析。

2 不同因素對輸送帶應(yīng)力安全的仿真分析

2.1 滾筒直徑對輸送帶應(yīng)力安全的影響分析

滾筒是帶式輸送機的重要結(jié)構(gòu)，對輸送帶起到驅(qū)動及改向控制的作用，對輸送機的安全具有重要的影響。滾筒的直徑是影響帶式輸送機運行的重要因素，特別是直徑的不同，滾筒與輸送帶的接觸區(qū)域不同[10]，從而影響輸送帶的應(yīng)力大小，對輸送帶的安全作用產(chǎn)生影響。

在模型中分別設(shè)定三種不同直徑的滾筒進行仿真分析，滾筒的直徑分別為400 mm、500 mm 及600 mm，在驅(qū)動函數(shù)的控制下對輸送帶的應(yīng)力進行仿真計算。經(jīng)過計算，得到輸送帶的應(yīng)力在輸送帶寬度上的分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出，在輸送帶的寬度方向上，輸送帶的應(yīng)力呈拋物線形態(tài)分布，三種直徑滾筒的輸送帶應(yīng)力分布形態(tài)一致，中間位置的應(yīng)力值最大，兩側(cè)邊的應(yīng)力值逐漸減小；在三種不同的滾筒直徑中，隨著滾筒直徑的增加，則輸送帶的應(yīng)力逐漸減小，400 mm 滾筒直徑的輸送帶應(yīng)力最大，且在整個輸送帶寬度方向上均大于其他直徑的滾筒。由此可知，輸送帶的應(yīng)力隨著滾筒直徑的增加而減小，在進行滾筒的設(shè)計使用時，應(yīng)選取較大的滾筒直徑，減小輸送帶的應(yīng)力作用，保證輸送帶的安全使用。

圖2 滾筒直徑對輸送帶應(yīng)力的影響曲線

2.2 過渡段抬高對輸送帶應(yīng)力安全的影響分析

在運行的過程中輸送帶過渡段通過托輥時，依靠托輥的支撐改變?yōu)閂 形狀態(tài)，此時輸送帶的邊緣受到拉力作用，產(chǎn)生了附加的應(yīng)力作用。由于輸送帶的彈性模量較大，在過渡段會產(chǎn)生較大的應(yīng)力作用[11]，影響輸送帶的使用安全及壽命。在帶式輸送機的結(jié)構(gòu)中，由于滾筒為直筒結(jié)構(gòu)，輸送帶在由滾筒向托輥V形支撐過渡的過程中，滾筒與托輥之間存在著一定的高度差，通過抬高滾筒的高度可以減小輸送帶的變形及應(yīng)力作用[12]，如圖3 所示。

圖3 過渡段抬高示意圖

滾筒抬高的距離h 改變了輸送帶的變形及應(yīng)力作用，對其大小變化進行分析。設(shè)定滾筒的抬高高度分別為30 mm 及60 mm，在初始高度時對輸送帶的應(yīng)力作用進行分析，經(jīng)過計算得到輸送帶的應(yīng)力變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，輸送帶的應(yīng)力在寬度方向上的分布形態(tài)一致，整體呈W 形態(tài)的分布，在寬度邊緣方向上的應(yīng)力值較大，且初始沒有抬高時的應(yīng)力值最大，抬高60 mm 時的應(yīng)力值最??；在輸送帶逐漸靠近中間位置處時，輸送帶的應(yīng)力值大幅減小，分布逐漸平緩，且此時初始滾筒高度時的應(yīng)力值最小，滾筒抬高60 mm 時的應(yīng)力值最大。從整體上看，滾筒抬高60 mm 時輸送帶的應(yīng)力分布較為平緩，在寬度方向上的差值最小，這說明對滾筒進行抬高可以改善輸送帶的應(yīng)力狀態(tài)，提高輸送帶的使用安全。

圖4 抬高高度對輸送帶應(yīng)力的影響曲線

3 結(jié)語

帶式輸送機是進行煤炭篩選物料輸送的主要設(shè)備，輸送帶在工作過程中的承載較大，輸送帶的應(yīng)力較大，對輸送帶的使用安全具有較高的要求。在輸送帶運行的過程中，滾筒直徑及輸送帶過渡處抬高的大小對輸送帶的應(yīng)力具有重要的影響。針對滾筒直徑及過渡處的影響作用，建立帶式輸送機的模型，采用仿真模擬的形式對輸送帶的應(yīng)力進行模擬仿真。結(jié)果表明，輸送帶的應(yīng)力隨著滾筒直徑的增加而減小，滾筒抬高可以改善輸送帶的應(yīng)力狀態(tài)，在進行帶式輸送機的設(shè)計使用時，應(yīng)選取較大的滾筒直徑，對滾筒進行抬高處理，從而減小輸送帶的應(yīng)力，保證輸送帶使用的安全性。