带式输送机张紧力学分析

闫旭

摘 要：带式输送机是煤矿生产中应用比较广泛的一种运输设备，而胶带机的力学分析是胶带机设计开发的基础，通过力学分析可确定胶带机的运行阻力、驱动功率、张紧力、张紧功率等核心参数，本文主要是通过力学分析来研究胶带机各种状态下的张紧力的变化情况。

关键词：胶带；启停；张紧；力学

1 概述

随着可伸缩带式输送机在生产中得到了广泛的应用，其长度及运量也逐步增加，胶带机的运行阻力、启动惯性也大幅提升，因此胶带机张紧装置的选型及控制将面临更大的挑战，因此从带传动理论力学上分析胶带机张紧，才能使其得到更加合理的应用。下文将对胶带输送机启动过程的力学进行分析。

2 输送带的力学特性

在整个带式输送机系统中，输送带扮演着关键角色。首先，从经济的角度看，大约整个系统一半的费用会花费在输送带上。再从功能的角度看，整个输送带既是承载体，又是传动体。在运行过程中，各种不同性质、不同大小的负荷加载到输送带上，其应力状态难以想象的复杂。因此，对输送带力学特性的研究也成为该系统建模不可或缺的一部分。输送带种类繁多，在实际的项目中，输送带主要分为织物芯输送带和钢丝绳芯输送带两大类。不论是何种材质的输送带，他们本质上都是由输送带母体和纵向的承载芯质物粘合而成的复合体。织物芯输送带主要是由带芯材料和橡胶复合而成；而钢丝绳芯输送带主要是由钢丝绳和橡胶组成的。目前，对于长运距、高速度、大运量的带式输送机系统主要还是采用钢丝绳芯输送带，当它受到外部作用力时，不仅具有钢丝绳的弹性，而且还能呈现出橡胶的非线性，这种复杂的力学特性称之为粘弹性。所以，在建立带式输送机系统的数学模型并对其进行动态特性的分析之前，必须对输送带的动力学模型进行研究分析。如果输送带的粘弹性力学模型不能准确的建立，很难保证在其基础上进一步所建的带式输送机系统的模型能很好地反映实际的运行情况，也不能确定是否能对其进行准确、可靠的系统分析。

带式输送机发展的方向是长距离、重负荷、高带速，在此背景下，带式输送机启动过程的动张力问题成为一项值得研究的课题。为了保证带式输送机平稳启动、安全运行，有必要对系统启动过程进行计算分析。

3 胶带机张力计算分析

3.1 基本参数

3.2 圆周驱动力计算

FU=C·FH+FS1+FS2+FSt

式中C：与输送机长度有关的系数

（1）主要阻力FH（重段+空段）

FH=f*L*g[qR0+qRu+（2qB+qG）cosδ]

f：模拟摩檫系数，由《DTⅡ手册》表3-6，取f=0.02

（2）主要特种阻力FS1：包括托辊前倾阻力和导料槽栏板的摩擦阻力。

（3）附加特种阻力FS2：包括输送带清扫器摩擦阻力和犁式卸料器摩擦阻力。

（4）倾斜阻力FSt：是胶带机向上提升时卸载点与上料点的高度差产生的阻力，FSt=qg*g*H：H

3.3 胶带机绕带及各点张力示意图（图1）

3.4 胶带机张紧力计算

（1）最小张力

输送机正常运行，需要合适的张紧力才能为输带和滚筒提供足够的摩擦力，从而使输送带在启动加速以及运行时不会出现打滑现象，张尽力越大为驱动滚筒和带面提供的摩擦力就越大，但是张力太大需要提高输送带的强度、提高整机运行阻力、提高张紧冲击力，因此会造成整机设计浪费及安全隐患，因此如何确定输送带的最小张紧力成为输送机设计的关键。由上图可看出，张力分离点S6是胶带机最小张力点，S6点张力的大小决定了胶带机是否有足够的摩擦力。

输送带不打滑条件公式：

Fmin≥FUmax/eμα-1=kA*FU/eμα-1

以双滚筒传动为例，其围包角通常设计角度为α1=α2=210°摩擦系数在煤矿条件下通常取值μ=0.30，因此可计算出eμ（α1+α2）=9.01，胶带机布置简图S6点为最小张力点。

故：F6min≥FUmax/eμ（α1+α2）-1=FUmax/9.01-1

FUmax是胶带机的圆周驱动力，以综采顺槽胶带机为例，输送长度L=3000m，带宽B=1.4m，运量Q=3000t，带速4m/s，提升高度H=20M，通过以上参数及查参数表可计算出，其圆周驱动力FUmax可达250KN以上。

F6min≥FUmax/eμα-1=250/9.01-1=31.3KN

（2）胶带下垂度校核

为了限制输送带在两组托辊之间的下垂度，作用在输送带上任意一点的最小张力Fmin，需要下垂度校验：

承载分支Fmin≥a0（qB+qG）g/8×i注：qB为每米输送带质量，qG为每米货物重量，i为下垂系数通常取值0.01

∴Fmin≥1.5×（27+208）×9.81/0.08=43181N>31.3K

由此可知，最小张力点F6min在满足不打滑条件的情况下不能满足承载分支下垂度要求。

回程分支Fmin≥auqBg/0.08

=3×27×9.81/0.08=9932N<31.3KN

综上可知：F6min在满足不打滑条件的情况下，承载分支不能满足下垂度要求，而回程分支能满足胶带下垂度要求，故需重新选取F6min=43181（N）

也就是说通过张紧绞车对皮带机实施的张紧力，传递到S6点时的张力应至少在31.3KN以上才可保证滚筒与带面不发生打滑现象，同时为了满足下垂条件其胶带机的最小张力值提升到43KN（启动张力需要乘启动系数）但煤矿在用顺槽胶带机通常情况下张力值已经设置在45KN以上却依然出现打滑现象，产生此情况的原因较多，将在下文进行分析。endprint

4 胶带的张紧力动态分析

静态计算设计中通常将胶带作为一个刚性结构进行研究，这显然不是一个正确的方向。因为胶带的主要材料是橡胶钢丝绳芯或织物内芯构成，在其承受外力的时候，呈现为负责的动力特性，即其应变的情形不但与加载的力有关，而且与应力作用的时间、频率、外界温度、材料性质有关系。因为在不同的工况和温度条件下，橡胶本身存在着多变性。具体表现为以下几点：

（1）应力的非线性在运行中，胶带受到的是缓慢的作用拉力，拉力和变形不完全符合虎克定律，而是出现一种非线性的状态，因此在研究中发现胶带的弹性模量不是一个固定的数值，而是一个应力函数。

（2）运动滞后性当胶带输送机运行时，给胶带外加作用力或减少作用力的时候，胶带的应力和应力变化曲线是不重合的，从理论上看这是一种粘弹特性的体现，实际上看就是一种对驱动反应滞后的情况。即输送机的电机给出调整信号的时候，胶带的反应是相对滞后的。

（3）胶带蠕变胶带的蠕变性质主要是指胶带在承受作用力相对稳定的时候，其变形量由时间决定。实际就是在胶带运输载荷不变的情况下，随着运输时间的增加，胶带仍会产生一定量的变形，这种变形缓慢的趋向一个定值。

（4）胶带的松弛在工作中，胶带被施加一个常态的应变力时，皮带的拉伸应力会随着时间的增加而逐渐减小，最后趋于一个定值。

（5）胶带的动态性质皮带在工作的过程中，在拉力的作用下会产生形变，而这种形变不仅与施加的压力有关，还会受到作用时间和变化频率的影响。因此是一种动态化的改变过程，会在某个时间段相对稳定，但随后将继续变化。

通过以上几点分析，可以判断出胶带机在启动-运行-停止三种状态下皮带的动态特性会有明显的不同，动态分析如下：

图2 胶带机受力简图

启动时，张紧装置先进行预张紧，使胶带机最小张力点张力达到额定值后启动胶带机，由（图2）可知当胶带机启动时，在驱动力FU的作用下胶带机上带面向下带面传输，如前文分析知，输送带将发生弹性形变，带面处于拉伸状态，在启动的前一段时间内，机头带面向储带仓传输，而机尾带面此时并没有发生位移，因此输送带拉长的部分都传向储带仓，直到机尾带面的速度与机头同步时整个带面趋于稳定，不再继续伸长。在这一阶段由于储带仓积蓄带面，所以张紧力F此时会有较大幅度的下降，需要张紧装置在此时提供持续的张紧力，才能保证皮带在启动阶段不出现打滑，为避免张力下降过快及减少张紧电机启动次数，通常胶带机启动时最小张紧力要乘以启动系数A，取值在（1.2-1.5）之间。

运行时，输送带的动态特性已经趋于稳定，只要通过张紧装置为胶带机提供额定张紧力即可满足不打滑条件。

停机时，胶带机运行状态由运行到停止，驱动滚筒施加在带面上的圆周驱动力FU突然降至0，并处于自由状态，因此带面由紧绷到松弛，驱动滚筒驱入点和奔离点张力平衡，由此可知S6点张力为：

以3000m顺槽胶带机为例：

此张力值是额定值的3.3倍

因此，停机时胶带机张紧装置应该及时释放张力，以降低停机时对低张力区的冲击，使用单位在选择张紧控制系统时应该注意减速器、制动器等设备的选型，张紧力的释放方式，以及系统突然断电后是否可以持续释放停机张力，若不能释放停机张力很容易造成钢丝绳拉断、制动器磨损、减速器损坏、游动小车飞车、卷筒短轴等现象。

5 结束语

综上所述，在胶带机得到广泛应用的今天，对其力学特性及其功能的掌握变得愈发重要，了解力学特性能够更好的掌握其工作的性能，使其在生产中得到更好的应用，提高运输效率的同时保障安全生产。

参考文献

[1]杨汉彬.带式输送机启动过程动力学行为研究[J].煤矿机电，2013（2）：166-168.

[2]孟广雄.胶带输送机胶带跑偏的原因与力学分析[J].露天采矿技术，2012（4）：243-247.

[3]曹福凯.大型胶带输送机启动过程动态特性仿真分析[J].科技与企业，2013（9）：110-115.

[4]张尊敬.带式输送机设计手册[M].北京：冶金工业出版社，2003.endprint

4 胶带的张紧力动态分析

静态计算设计中通常将胶带作为一个刚性结构进行研究，这显然不是一个正确的方向。因为胶带的主要材料是橡胶钢丝绳芯或织物内芯构成，在其承受外力的时候，呈现为负责的动力特性，即其应变的情形不但与加载的力有关，而且与应力作用的时间、频率、外界温度、材料性质有关系。因为在不同的工况和温度条件下，橡胶本身存在着多变性。具体表现为以下几点：

（1）应力的非线性在运行中，胶带受到的是缓慢的作用拉力，拉力和变形不完全符合虎克定律，而是出现一种非线性的状态，因此在研究中发现胶带的弹性模量不是一个固定的数值，而是一个应力函数。

（2）运动滞后性当胶带输送机运行时，给胶带外加作用力或减少作用力的时候，胶带的应力和应力变化曲线是不重合的，从理论上看这是一种粘弹特性的体现，实际上看就是一种对驱动反应滞后的情况。即输送机的电机给出调整信号的时候，胶带的反应是相对滞后的。

（3）胶带蠕变胶带的蠕变性质主要是指胶带在承受作用力相对稳定的时候，其变形量由时间决定。实际就是在胶带运输载荷不变的情况下，随着运输时间的增加，胶带仍会产生一定量的变形，这种变形缓慢的趋向一个定值。

（4）胶带的松弛在工作中，胶带被施加一个常态的应变力时，皮带的拉伸应力会随着时间的增加而逐渐减小，最后趋于一个定值。

（5）胶带的动态性质皮带在工作的过程中，在拉力的作用下会产生形变，而这种形变不仅与施加的压力有关，还会受到作用时间和变化频率的影响。因此是一种动态化的改变过程，会在某个时间段相对稳定，但随后将继续变化。

通过以上几点分析，可以判断出胶带机在启动-运行-停止三种状态下皮带的动态特性会有明显的不同，动态分析如下：

图2 胶带机受力简图

启动时，张紧装置先进行预张紧，使胶带机最小张力点张力达到额定值后启动胶带机，由（图2）可知当胶带机启动时，在驱动力FU的作用下胶带机上带面向下带面传输，如前文分析知，输送带将发生弹性形变，带面处于拉伸状态，在启动的前一段时间内，机头带面向储带仓传输，而机尾带面此时并没有发生位移，因此输送带拉长的部分都传向储带仓，直到机尾带面的速度与机头同步时整个带面趋于稳定，不再继续伸长。在这一阶段由于储带仓积蓄带面，所以张紧力F此时会有较大幅度的下降，需要张紧装置在此时提供持续的张紧力，才能保证皮带在启动阶段不出现打滑，为避免张力下降过快及减少张紧电机启动次数，通常胶带机启动时最小张紧力要乘以启动系数A，取值在（1.2-1.5）之间。

运行时，输送带的动态特性已经趋于稳定，只要通过张紧装置为胶带机提供额定张紧力即可满足不打滑条件。

停机时，胶带机运行状态由运行到停止，驱动滚筒施加在带面上的圆周驱动力FU突然降至0，并处于自由状态，因此带面由紧绷到松弛，驱动滚筒驱入点和奔离点张力平衡，由此可知S6点张力为：

以3000m顺槽胶带机为例：

此张力值是额定值的3.3倍

因此，停机时胶带机张紧装置应该及时释放张力，以降低停机时对低张力区的冲击，使用单位在选择张紧控制系统时应该注意减速器、制动器等设备的选型，张紧力的释放方式，以及系统突然断电后是否可以持续释放停机张力，若不能释放停机张力很容易造成钢丝绳拉断、制动器磨损、减速器损坏、游动小车飞车、卷筒短轴等现象。

5 结束语

综上所述，在胶带机得到广泛应用的今天，对其力学特性及其功能的掌握变得愈发重要，了解力学特性能够更好的掌握其工作的性能，使其在生产中得到更好的应用，提高运输效率的同时保障安全生产。

参考文献

[1]杨汉彬.带式输送机启动过程动力学行为研究[J].煤矿机电，2013（2）：166-168.

[2]孟广雄.胶带输送机胶带跑偏的原因与力学分析[J].露天采矿技术，2012（4）：243-247.

[3]曹福凯.大型胶带输送机启动过程动态特性仿真分析[J].科技与企业，2013（9）：110-115.

[4]张尊敬.带式输送机设计手册[M].北京：冶金工业出版社，2003.endprint

4 胶带的张紧力动态分析

静态计算设计中通常将胶带作为一个刚性结构进行研究，这显然不是一个正确的方向。因为胶带的主要材料是橡胶钢丝绳芯或织物内芯构成，在其承受外力的时候，呈现为负责的动力特性，即其应变的情形不但与加载的力有关，而且与应力作用的时间、频率、外界温度、材料性质有关系。因为在不同的工况和温度条件下，橡胶本身存在着多变性。具体表现为以下几点：

（1）应力的非线性在运行中，胶带受到的是缓慢的作用拉力，拉力和变形不完全符合虎克定律，而是出现一种非线性的状态，因此在研究中发现胶带的弹性模量不是一个固定的数值，而是一个应力函数。

（2）运动滞后性当胶带输送机运行时，给胶带外加作用力或减少作用力的时候，胶带的应力和应力变化曲线是不重合的，从理论上看这是一种粘弹特性的体现，实际上看就是一种对驱动反应滞后的情况。即输送机的电机给出调整信号的时候，胶带的反应是相对滞后的。

（3）胶带蠕变胶带的蠕变性质主要是指胶带在承受作用力相对稳定的时候，其变形量由时间决定。实际就是在胶带运输载荷不变的情况下，随着运输时间的增加，胶带仍会产生一定量的变形，这种变形缓慢的趋向一个定值。

（4）胶带的松弛在工作中，胶带被施加一个常态的应变力时，皮带的拉伸应力会随着时间的增加而逐渐减小，最后趋于一个定值。

（5）胶带的动态性质皮带在工作的过程中，在拉力的作用下会产生形变，而这种形变不仅与施加的压力有关，还会受到作用时间和变化频率的影响。因此是一种动态化的改变过程，会在某个时间段相对稳定，但随后将继续变化。

通过以上几点分析，可以判断出胶带机在启动-运行-停止三种状态下皮带的动态特性会有明显的不同，动态分析如下：

图2 胶带机受力简图

启动时，张紧装置先进行预张紧，使胶带机最小张力点张力达到额定值后启动胶带机，由（图2）可知当胶带机启动时，在驱动力FU的作用下胶带机上带面向下带面传输，如前文分析知，输送带将发生弹性形变，带面处于拉伸状态，在启动的前一段时间内，机头带面向储带仓传输，而机尾带面此时并没有发生位移，因此输送带拉长的部分都传向储带仓，直到机尾带面的速度与机头同步时整个带面趋于稳定，不再继续伸长。在这一阶段由于储带仓积蓄带面，所以张紧力F此时会有较大幅度的下降，需要张紧装置在此时提供持续的张紧力，才能保证皮带在启动阶段不出现打滑，为避免张力下降过快及减少张紧电机启动次数，通常胶带机启动时最小张紧力要乘以启动系数A，取值在（1.2-1.5）之间。

运行时，输送带的动态特性已经趋于稳定，只要通过张紧装置为胶带机提供额定张紧力即可满足不打滑条件。

停机时，胶带机运行状态由运行到停止，驱动滚筒施加在带面上的圆周驱动力FU突然降至0，并处于自由状态，因此带面由紧绷到松弛，驱动滚筒驱入点和奔离点张力平衡，由此可知S6点张力为：

以3000m顺槽胶带机为例：

此张力值是额定值的3.3倍

因此，停机时胶带机张紧装置应该及时释放张力，以降低停机时对低张力区的冲击，使用单位在选择张紧控制系统时应该注意减速器、制动器等设备的选型，张紧力的释放方式，以及系统突然断电后是否可以持续释放停机张力，若不能释放停机张力很容易造成钢丝绳拉断、制动器磨损、减速器损坏、游动小车飞车、卷筒短轴等现象。

5 结束语

综上所述，在胶带机得到广泛应用的今天，对其力学特性及其功能的掌握变得愈发重要，了解力学特性能够更好的掌握其工作的性能，使其在生产中得到更好的应用，提高运输效率的同时保障安全生产。

参考文献

[1]杨汉彬.带式输送机启动过程动力学行为研究[J].煤矿机电，2013（2）：166-168.

[2]孟广雄.胶带输送机胶带跑偏的原因与力学分析[J].露天采矿技术，2012（4）：243-247.

[3]曹福凯.大型胶带输送机启动过程动态特性仿真分析[J].科技与企业，2013（9）：110-115.

[4]张尊敬.带式输送机设计手册[M].北京：冶金工业出版社，2003.endprint