方 永

（安徽銅冠池州資源有限公司，安徽池州 247157）

0 引言

帶式輸送機(jī)憑借其能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)遠(yuǎn)距離保持高速運(yùn)行的自動(dòng)輸送模式，在礦山領(lǐng)域當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用，比傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)中的運(yùn)行方式更加便利。近幾年，礦山領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，而帶式輸送機(jī)也逐漸成為礦山作業(yè)主流的運(yùn)輸工具[1]。礦山帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸帶更寬，可以運(yùn)輸體積更大的礦產(chǎn)資源，且運(yùn)行速度更快，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦物遠(yuǎn)距離的高速運(yùn)輸，提升礦山作業(yè)整體工作效率。除此之外，與傳統(tǒng)礦山運(yùn)輸工具相比，帶式輸送機(jī)在能源節(jié)約、工作效率以及輸送量上都有著更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，因此具備更高的性價(jià)比。除礦山領(lǐng)域外，帶式輸送機(jī)在物流行業(yè)、各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域等也均有更為廣泛的運(yùn)用[2]。若對(duì)帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)于保守，則會(huì)造成設(shè)備的額定工作量相對(duì)增加時(shí)，設(shè)備出現(xiàn)少載或空載的問(wèn)題，不僅會(huì)影響到運(yùn)行效率，同時(shí)還會(huì)造成大量能源的浪費(fèi)[3]。因此，作為礦山作業(yè)輸送中的重要設(shè)備，對(duì)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山作業(yè)中帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)特性分析，選擇以某礦山企業(yè)作為依托，將該礦山企業(yè)中使用的帶式輸送機(jī)作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，見(jiàn)圖1。

圖1 DSJ100-6460 型帶式輸送機(jī)

該帶式輸送機(jī)的型號(hào)為DSJ100-6460，輸送距離為1～9 km；運(yùn)行功率為0.37～3 kW；輸送能力為10 m3/h；帶寬為0.5～3 m；機(jī)高為傾斜度5°～30°；承載托輥結(jié)構(gòu)的線質(zhì)量為5.5 kg/m，回程段托輥的線質(zhì)量為8.6 kg/m。設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載量大、輸送平穩(wěn)、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)操作按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和調(diào)速的控制[4]。對(duì)于礦山作業(yè)相對(duì)惡劣的環(huán)境具備更強(qiáng)的適應(yīng)性，并且能夠在長(zhǎng)期高溫環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 材料與設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)分析，除實(shí)驗(yàn)對(duì)象本身DSJ100-6460 型帶式輸送機(jī)以外，還需要用到速度傳感器，利用這一設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)分析所需數(shù)據(jù)的獲取和轉(zhuǎn)換。選用LIS2DH12TR 型速度傳感器，該速度傳感器接口為I2C 和SPI 類(lèi)型，分辨率為12 bit，輸出類(lèi)型為數(shù)字，電源電壓最大為3.6 VDC，電源電壓最小為1.71 VDC，工作電源電流為11 μA，最低工作溫度為-40 ℃，最高工作溫度為85 ℃，采用LGA-12 格式封裝，具備濕度敏感性。

除上述LIS2DH12TR 型速度傳感器外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)DSJ100-6460 型帶式輸送機(jī)的力學(xué)性能分析，還需要引入DSF125F001型壓力傳感器。利用該傳感器，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)差的調(diào)整，對(duì)切換點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整[5]。在實(shí)驗(yàn)中，將DSF125F001 型壓力傳感器安裝在帶式輸送機(jī)上，獲取輸送機(jī)的力學(xué)參數(shù)。該傳感器具備5 pC/N 的靈敏度，測(cè)力范圍為100～450 N，線性度小于等于1%，絕緣電阻為1.5×103Ω。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將DSJ100-6460 型帶式輸送機(jī)的縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)作為主要的研究?jī)?nèi)容。在輸送機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，縱向振動(dòng)會(huì)對(duì)張力、加速度等造成影響，橫向振動(dòng)會(huì)對(duì)張力分布造成影響。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)化，將運(yùn)行中的帶式輸送機(jī)看作一個(gè)模塊式的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由承載部分、驅(qū)動(dòng)部分和拉緊部分組成。將輸送帶的載重部分劃分為多個(gè)單元，并將載重區(qū)域最先啟動(dòng)的單元設(shè)置為第一單元，往后按照順序依次為第二單元、第三單元、第n 單元。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，將運(yùn)輸量設(shè)置為1100 t/h，將帶速設(shè)置為2.5 m/s，將輸送距離設(shè)置為1000 m，運(yùn)輸?shù)V物時(shí)的傾斜角度為-3.8°～8.5°。

針對(duì)DSJ100-6460 型帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中60 s 和120 s 的兩個(gè)啟動(dòng)時(shí)間下，加速度、速度、位移、動(dòng)張力等參數(shù)進(jìn)行記錄，并根據(jù)具體數(shù)值的變化情況對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)礦山帶式輸送機(jī)的初始加速度進(jìn)行計(jì)算：

其中，a 為加速度；M 為質(zhì)量矩陣；Ku為剛度矩陣；Cu為阻尼矩陣。再根據(jù)上述公式計(jì)算得出等效剛度矩陣：

其中，Kdx為等效剛度矩陣；a0為時(shí)間步長(zhǎng)為t0時(shí)的積分常數(shù)；a1為時(shí)間步長(zhǎng)為t1時(shí)的積分常數(shù)。其中a0表達(dá)式為：

其中，θ為Wilson-θ 函數(shù)；Δt 為時(shí)間步長(zhǎng)。a1的表達(dá)式為：

由式（1）～式（4）輔助完成對(duì)礦山帶式輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述實(shí)驗(yàn)方法，首先記錄DSJ100-6460 型帶式輸送機(jī)在60 s 啟動(dòng)時(shí)的加速度數(shù)值變化情況，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制加速度變化曲線（圖2）。

圖2 60 s 啟動(dòng)時(shí)加速度曲線

從圖2 可以看出，帶式輸送機(jī)60 s 啟動(dòng)時(shí)間條件下，加速度在達(dá)到峰值后迅速下降，隨后在30～40 s 范圍內(nèi)又一次出現(xiàn)了較為劇烈的波動(dòng)變化。再對(duì)120 s 啟動(dòng)時(shí)的加速度數(shù)值變化情況進(jìn)行記錄，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制加速度變化曲線（圖3）。

圖3 120 s 啟動(dòng)時(shí)加速度曲線

從圖3 可以看出，帶式輸送機(jī)120 s 啟動(dòng)時(shí)其加速度在達(dá)到峰值后與圖2 變化基本一致，但隨后基本趨于平穩(wěn)，并且并沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似圖2 的大幅度波動(dòng)現(xiàn)象。其次，針對(duì)兩個(gè)啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)帶式輸送機(jī)的動(dòng)張力變化情況進(jìn)行記錄（表1）。

表1 輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)動(dòng)張力變化記錄

從表1 可以看出，60 s 啟動(dòng)時(shí)帶式輸送帶的動(dòng)張力最大為1305.45 kN；120 s 啟動(dòng)時(shí)動(dòng)張力最大為475.26 kN。兩種啟動(dòng)時(shí)間條件下，隨著時(shí)間的增加，帶式輸送機(jī)的動(dòng)張力均呈現(xiàn)出明顯降低的變化趨勢(shì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

基于得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)礦山帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，針對(duì)帶式輸送機(jī)在60 s 和120 s 的兩個(gè)啟動(dòng)時(shí)間下，礦山帶式輸送機(jī)的加速度變化情況進(jìn)行分析，對(duì)比圖2 和圖3 得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在啟動(dòng)時(shí)間為60 s 時(shí)，礦山帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)加速度值除開(kāi)始時(shí)間和30 s 左右較高以外，其余數(shù)值均在0.04 m/s2上下波動(dòng)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，峰值出現(xiàn)的位置位于礦山帶式輸送機(jī)的頭部驅(qū)動(dòng)位置。在開(kāi)始啟動(dòng)的瞬間，加速度達(dá)到了0.075 8 m/s2，在啟動(dòng)時(shí)間達(dá)到30 s 時(shí)，加速度又一次出現(xiàn)了較大幅度的波動(dòng)，此時(shí)加速度數(shù)值為0.062 5 m/s2。在啟動(dòng)時(shí)間為120 s 時(shí)，礦山帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)加速度值除開(kāi)始時(shí)間較高以外，其余始終控制在0.03 m/s2，保持相對(duì)平穩(wěn)的波動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，在開(kāi)始啟動(dòng)的瞬間，加速度達(dá)到了0.795 88 m/s2，隨后加速度的波動(dòng)明顯減緩，并符合實(shí)際運(yùn)行傳輸要求，同時(shí)更加有利于礦山帶式輸送機(jī)的使用壽命，對(duì)其各個(gè)零部件的沖擊更小。

其次，針對(duì)兩種啟動(dòng)時(shí)間條件下，礦山帶式輸送機(jī)的動(dòng)張力變化情況進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際情況，對(duì)表1 記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行探究。在運(yùn)行過(guò)程中，沿著輸送機(jī)長(zhǎng)方向的動(dòng)張力逐漸減小。因此，結(jié)合得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用120 s 啟動(dòng)時(shí)間條件的帶式輸送機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中傳送帶所承受的動(dòng)張力更小，對(duì)于保證帶式輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性以及確保輸送機(jī)整體使用壽命而言，都具有更積極的作用。因此，礦山帶式輸送機(jī)在120 s 啟動(dòng)時(shí)間條件下與在60 s 啟動(dòng)時(shí)間條件下相比，動(dòng)力學(xué)性能更優(yōu)。

綜合上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在使用礦山帶式輸送機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在條件允許的情況下，盡可能采用最短啟動(dòng)時(shí)間為120 s 的條件，以在確保帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，降低輸送帶承受的沖擊力。

4 結(jié)束語(yǔ)

以礦山作業(yè)中常使用的帶式輸送機(jī)作為研究對(duì)象，針對(duì)其在啟動(dòng)中的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，在研究中，主要對(duì)帶式輸送機(jī)在60 s 啟動(dòng)條件和120 s 啟動(dòng)條件下的加速度和動(dòng)張力進(jìn)行探究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式得出結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果中的數(shù)據(jù)確定采用120 s 啟動(dòng)方式能夠達(dá)到保障帶式輸送機(jī)運(yùn)行更安全和更穩(wěn)定，并確保帶式輸送機(jī)的輸送帶不會(huì)承受過(guò)大的沖擊力。由于實(shí)際礦山作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，因此，在實(shí)際應(yīng)用帶式輸送機(jī)時(shí)，還需要考慮更多影響因素的存在，對(duì)其啟動(dòng)時(shí)間以及相關(guān)啟動(dòng)條件進(jìn)行調(diào)整，確保礦山作業(yè)整體的質(zhì)量進(jìn)一步提升。