大型带式输送机满载工况下的动态特性研究

秦文光，赵东升，代卫卫

（山西中煤华晋能源有限责任公司，山西 河津 043300）

0 引言

“十二五”期间，我国年产千万吨级矿井将超过20余座。带式输送机作为现代化大型矿井的主要提升设备，对其性能要求也越来越高。由于大型矿井综采工作面的生产效率不断提高，相应的顺槽可伸缩带式输送机也开始朝着运距长、运量大、自动化程度高的方向发展。为满足现代大型矿井生产的需要，带式输送机应具备响应速度快、伸缩距离大、自动化程度高等特点。在带式输送机的各部件中，输送带负责承载和运输物料，是带式输送机的主要部件之一，输送带的物理性质会直接影响带式输送机的工作性能。目前，煤矿井下所使用的带式输送机长达几公里，对于这种长距离的带式输送机，经常会出现皮带满载停车和启动等工况，在这种过程中输送带的动张力会发生很大的变化。为保证带式输送机紧急工况下的可靠性和安全性，对长距离带式输送机输送带的满载启动过程中的动张力进行研究具有重要的意义。

1 长距离带式输送机的有限元划分

1.1 输送带力学特性的分析

输送带主要由骨架（带芯）和上、下表面覆盖层组成，如图1所示。带芯是输送带的主要部分，输送带工作时，带芯承受输送带的全部负荷，这就要求带芯的材料必须具有一定的刚度和强度。

输送带所表现出来的静态特性可以通过静应力σ和静应变ε 之间的关系来反映：

输送带的动态特性主要体现在：应力－应变之间的非线性关系、蠕变特性、松弛特性和频率特性。其中蠕变柔量和松弛模数是最能体现输送带黏弹性力特性的物理量。对于黏性材料而言，当施加单向阶跃应力载荷时，其应变为：

其中：F（t）为蠕变柔量，反映的是施加单位阶跃应力载荷时材料的蠕变响应。反之，当输入单位阶跃应变载荷时，应力为：

其中：E（t）为松弛模数，反映的是施加单位阶跃应变载荷时材料的松弛响应。

图1 输送带的结构组成

1.2 输送带力学模型的选择和有限元划分

通过对输送带的力学特性分析，进行输送带力学模型有限元划分时，我们将输送带离散为Kelvin 模型。该模型由质量块、刚度弹簧元件以及阻尼元件组成，其中质量块代表单位长度输送带和物料的质量；刚度弹簧元件和阻尼元件反映输送带的黏弹性力学特性，输送带的Kelvin模型如图2所示，其数学关系式可以写成为：

其中：B 为输送带的宽度；Ei为输送带的弹性模量；Li为输送带单元的长度；τ为输送带的流变常数。

1.3 带式输送机动力学模型的搭建

利用有限元分析法搭建带式输送机的离散动力学模型，把输送带划分成多个Kelvin模型单元，如图3所示。

图2 输送带的Kelvin模型

图3 带式输送机离散动力学模型

2 动态特性研究

2.1 主要技术参数

本文所研究的带式输送机的主要技术参数见表1。

表1 带式输送机的主要技术参数

2.2 满载启动输送带的动态特性研究

通过建立的带式输送机离散动力学模型对带式输送机满载启动工况进行动力学仿真研究，得到了满载工况下整条输送带的速度、位移、张力特性曲线。满载启动时，整条输送带的速度曲线如图4所示。在图4中，X 轴表示整条输送带的离散单元数，Y 轴表示启动时间，Z 轴表示输送带速度的大小。由图4可以看出，在满载启动时驱动滚筒处输送带的速度远远大于机尾部输送带的速度，在驱动装置启动65s左右，机头的速度达到1.374m／s时，机尾才开始启动，机尾输送带的加速度远远大于驱动处输送带的。启动过程胶带松边与紧边的最大速度差为1.374 m／s，即张紧装置的最大卷取速度应大于1.374 m／s，最大速度时间为启动后约65s。

满载启动时，整条输送带的位移曲线如图5所示。在图5中，X 轴表示整条输送带的离散单元数，Y 轴表示启动时间，Z 轴表示输送带位移的大小。由图5可知，启动过程输送带的松边与紧边的位移差最大值为8.46m，位移差需要靠张紧装置提供合适的张紧力来张紧，即带式输送机在启动过程中张紧装置的拉紧行程为8.46m。

图4 输送带满载启动时的速度曲线

图5 输送带满载启动时的位移曲线

满载启动时，整条输送带所受的张力曲线如图6所示。在图6中，X 轴表示整条输送带的离散单元数，Y 轴表示输送带张紧力的大小。从图6中可以看出，输送带第151个离散单元的张力最大，为432.91kN，第600个单元张力为68.60kN。张紧装置的最大张力不应大于432.9kN。

图6 输送带满载启动时的张力曲线

3 结语

本文利用有限元建模的方法对某煤矿长壁工作面的大型带式输送机进行了动态模拟，得出其满载启动时的动态特性：满载启动时，输送带松边与紧边的最大速度差为1.374m／s，即张紧装置的最大卷取速度应大于1.374m／s，最大速度时间为启动65s时；输送带的松边与紧边的位移差最大值为8.46m，即在启动过程中张紧装置的拉紧行程为8.46m；输送带第151个离散单元的张力最大，为432.91kN，第600 个单元张力为68.60kN。张紧装置的最大张力不应大于432.9kN。

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