楚 瑤

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同科大煤機(jī)有限公司，山西 大同 037000）

引言

煤炭資源作為推動我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的能源，近年來的掘進(jìn)產(chǎn)量需求越來越大，對煤炭設(shè)備運(yùn)行的可靠性提出了更高的要求[1-2]。煤炭生產(chǎn)企業(yè)運(yùn)行狀況取決于煤炭掘進(jìn)的產(chǎn)量和效率，現(xiàn)已引起了煤炭企業(yè)的廣泛關(guān)注[3]。帶式輸送機(jī)作為煤炭掘進(jìn)工作必不可少的輸送設(shè)備，承擔(dān)著煤炭由綜采工作面運(yùn)輸至地面的任務(wù)，工作的安全性和可靠性至關(guān)重要。帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中極為常見的問題就是跑偏，也是所有帶式輸送機(jī)的通病，至今不能提出有效的解決方法。本文以某煤炭企業(yè)帶式輸送機(jī)為研究對象，分析輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度對輸送帶跑偏程度的影響規(guī)律，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以降低帶式輸送機(jī)的跑偏問題。

1 跑偏原因概述

根據(jù)筆者查閱的相關(guān)資料及自身工作經(jīng)驗，歸納了帶式輸送機(jī)跑偏的原因如下：一是輸送帶運(yùn)輸過程中不可避免地出現(xiàn)粘料情況，這樣就會產(chǎn)生輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)局部半徑出現(xiàn)變化，導(dǎo)致輸送帶偏離原來的路徑；二是輸送帶屬于彈性體，使用時間延長之后會出現(xiàn)永久變形，導(dǎo)致輸送帶變長松弛，降低運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的張緊力；三是煤炭輸送時會出現(xiàn)落料不均勻的情況，出現(xiàn)同一位置煤炭重力不均布；四是帶式輸送機(jī)托輥出現(xiàn)損壞、卡滯等，使輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)時出現(xiàn)振動、跳動等。輸送帶的運(yùn)行速度作為其工作的重要參數(shù)，有必要分析輸送帶出現(xiàn)跑偏問題時與帶速快慢之間的關(guān)系，以便更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

2 有限元仿真計算

2.1 三維模型建立

根據(jù)煤炭企業(yè)服役的帶式輸送機(jī)運(yùn)行布局及結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值，運(yùn)行SolidWorks 軟件開展三維模型建立工作，如圖1 所示。為了提高帶式輸送機(jī)仿真分析的效率，對其中分析結(jié)果影響不大的倒角、圓角等進(jìn)行簡化處理。

圖1 三維模型

2.2 約束和載荷施加

建立完成的輸送機(jī)模型另存為.igs 格式，導(dǎo)入Adams 動態(tài)仿真軟件進(jìn)行前處理。首先進(jìn)行約束設(shè)置，將滾筒、托輥等與地面之間設(shè)置為轉(zhuǎn)動副形式，此處必須注意轉(zhuǎn)動副設(shè)置轉(zhuǎn)向時要和滾筒和托輥的軸線相同。張緊裝置中的滾輪設(shè)置為移動副，模擬張緊功能的實現(xiàn)。不同相鄰的帶塊由軸套力約束，接觸力施加在帶塊與滾筒托輥接觸面，驅(qū)動滾筒設(shè)置電機(jī)驅(qū)動，張緊力設(shè)置為100 N，方向指向連桿左側(cè)。

2.3 模型驗證

帶式輸送機(jī)的有限元模型建立準(zhǔn)確性可以通過軟件驗證，能夠提示模型中各約束的合理性，通過分析得出，模型中構(gòu)件總數(shù)近400 個，涉及的約束包括10 個轉(zhuǎn)動副、1 個移動副、1 個電機(jī)，關(guān)聯(lián)了2 000 多自由度，不存在約束的冗余，建模符合仿真計算要求。

3 仿真計算

3.1 工況分析

仿真過程主要驗證帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中輸送帶轉(zhuǎn)速對輸送帶跑偏的影響，此處需要將其他的作業(yè)參數(shù)一定，包括張緊力等，設(shè)置不同的輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度，分布為0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s，分析輸送帶在不同的運(yùn)轉(zhuǎn)速度條件下的跑偏情況。

3.2 仿真結(jié)果

通過帶式輸送機(jī)有限元仿真分析前處理及工況參數(shù)的設(shè)計，啟動Adams 有限元仿真軟件開展不同輸送帶運(yùn)行速度對跑偏的影響程度，從仿真結(jié)果中調(diào)取不同輸送帶運(yùn)行速度對偏斜托輥所受軸向力和跑偏量的影響。

3.2.1 帶速對偏斜托輥軸向力的影響

由帶式輸送機(jī)不同輸送帶速下的仿真計算結(jié)果中提取帶速對偏斜托輥軸向力的影響情況數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同帶速對偏斜托輥軸向力的影響結(jié)果

由圖2 不同帶速對偏斜托輥軸向力的影響結(jié)果可得，帶式輸送機(jī)工作時，隨著輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度的增加，偏斜托輥?zhàn)鳂I(yè)時的軸向載荷逐漸增加，由圖2 的曲線可以看出，軸向載荷增大體現(xiàn)在了數(shù)值振動幅度的提高和波動頻率的加大。由上述的仿真分析結(jié)果及數(shù)據(jù)變化趨勢可以得出，在輸送帶轉(zhuǎn)速提高時，輸送帶所受的側(cè)向激勵變得不穩(wěn)定，輸送帶的側(cè)向穩(wěn)定性也逐漸降低。

3.2.2 帶速對跑偏量的影響

跑偏評價通常采用跑偏量定量描述，因此通過仿真計算獲取輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度對跑偏量的影響規(guī)律，跑偏量的表征提取輸送帶前端，標(biāo)記140 號的帶塊所受的側(cè)向位移進(jìn)行定量分析，結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可以看出，140 號輸送帶帶塊的側(cè)向位移量數(shù)值在不同的帶速時分別是0.46 mm、0.85 mm、1.21 mm、1.54 mm、1.86 mm、2.22 mm。觀察輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度為0.5 m/s 和0.6 m/s 狀態(tài)下，取樣的140 號帶塊已經(jīng)旋轉(zhuǎn)完成整圈運(yùn)轉(zhuǎn)，再一次返回至輸送帶工作表面，因其多轉(zhuǎn)了1 圈，跑偏量累積數(shù)值較大。為了更好地分析帶速對跑偏量的影響，此處取帶塊第一圈的最大跑偏量數(shù)值。

圖3 不同帶速對跑偏量的影響結(jié)果

為了更好地分析帶速對跑偏量數(shù)值的影響，統(tǒng)計分析影響規(guī)律，匯總了帶速與跑偏量的變化趨勢曲線，如圖4 所示。

由圖4 仿真分析統(tǒng)計結(jié)果可得，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的帶速增加，跑偏量也隨之增加，增加關(guān)系近似線性關(guān)系。由圖4 曲線還能夠得出，隨著帶式輸送機(jī)帶速的不斷增加，輸送帶的跑偏量呈現(xiàn)出的是正比例增加趨勢，側(cè)向穩(wěn)定性逐漸降低，故而在使用高帶速時必須嚴(yán)格控制帶式輸送機(jī)的側(cè)向激勵。

圖4 輸送帶最大跑偏量隨帶速的變化規(guī)律

4 參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用效果

依據(jù)上述輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度與跑偏量的變化情況，對企業(yè)服役中的帶式輸送機(jī)跑偏問題提出了對應(yīng)的改進(jìn)優(yōu)化方向。該帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度通常設(shè)定值為0.2 m/s，因為帶速越大，跑偏量越大，因此將帶速降低至了0.1 m/s，之后進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗，跟蹤記錄試驗結(jié)果。試驗時可以看出，帶速降低之后跑偏現(xiàn)象不再明顯，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，參數(shù)優(yōu)化之后的帶式輸送機(jī)，每周的跑偏停機(jī)調(diào)整次數(shù)由原來的10～13 次降低至了2～5 次，輸送機(jī)的工作效率提升了近8%，節(jié)約了1～2名輸送帶運(yùn)行維護(hù)工人，降低了煤炭生產(chǎn)投資，預(yù)計為煤炭企業(yè)能夠新增經(jīng)濟(jì)效益近50 萬元/年，取得了很好的優(yōu)化效果。