M212带式输送机不同启动状态的仿真分析

吴 鹏

(山西汾西矿业集团灵北煤矿)

由于M212带式输送机设备老旧，采用直接启动方式对其进行启动，与新式输送机设备采用的CST变频启动方式相比，存在动张力与驱动力矩过大等问题，易造成系统工作过程中经常出现断带、跑偏、纵撕等安全事故[1-4]。带式输送系统动态特性的主要影响因素为启动方式、启动时间及启动速度[5-8]。本研究分别对上述因素对M212带式输送机动态特性的影响进行了分析。

1 不同启动方式对应的输送机动态特性

M212带式输送机的启动速度为2.5 m/s，驱动滚筒直径为500 mm，驱动滚筒需施加的角速度为5 rad/s，启动加速时间为5 s。M212带式输送机采用直接启动方式，加速度最大值较大，而且具有突变性，使得带式输送机系统会产生较大的惯性力和冲击载荷，使输送机各部件寿命降低。本研究采用4种启动方式(Harrison方式、Nordell方式、恒加速度方式以及S型方式[9-11])对M212虚拟样机进行启动，在Recur Dyn软件中对不同启动方式对应的输送机的动态特性进行研究。分析图1、图2可知：Nordell方式、Harrison方式的速度曲线非常接近；Harrison方式的加速度变化较缓慢，最大加速度较Nordell方式小；S型方式在启动开始阶段增加了1 s预启动时间，其速度曲线通过STEP函数进行插值拟合而成。

图1 4种启动方式对应的角速度曲线

图2 4种启动方式对应的角加速度曲线

M212带式输送机在4种不同启动方式下的动张力曲线如图3所示。分析图3可知：4种启动方式中Harrison方式对应的动张力峰值最大，达到20 599.15 N，该启动方式会对输送机产生一定的冲击作用，故不宜采用；相对于Harrison方式，Nordell方式动张力峰值较小，仅为19 705.82 N；S型方式的动张力峰值为19 038.89 N，为4种方式中动张力峰值最小的，且动张力峰值出现于2.35 s时间点，相对于其余3种方式动张力峰值变化缓慢，对输送机产生的冲击作用较小，此外，该方式还提供了预启动阶段，使得带式输送机有一个预紧的阶段，具有改善动张力瞬时变化过大的优点[12]。

图3 4种启动方式对应的动张力 曲线

如图4所示，当以5 rad/s的角速度对输送机直接启动时，在0.9 s时动张力峰值达到20 046.05 N，与S型方式相比，动张力瞬时达到峰值对输送机的冲击非常大。上述分析表明：启动方式的选择对于带式输送机的动张力有较大影响，选择合理的启动方式有助于降低动载荷峰值，确保输送机在启动、制动阶段更为平稳。

图4 直接启动方式对应的动张力

2 不同启动时间对应的输送机动态特性

2.1 预启动时间对输送机动张力峰值的影响

采用S型方式，分别设定预启动时间为1，5，10 s 对输送机进行启动。由图5可知：预启动时间为1 s时，动张力峰值出现较早，在2.35 s时便达到19 038.89 N；预启动时间设置为5 s时，输送机的最大动张力(16 289.83 N)出现在4.85 s；将预启动时间设置为10 s时，最大动张力(10 340.54 N)出现在8.2 s。分析表明：在输送机启动方式及启动时间一定的情况下，增加预启动时间对于降低输送机启动阶段的最大动张力具有较明显的作用。

2.2 启动阶段加速时间对输送机动张力峰值的影响

输送机在启动阶段需经过1个加速阶段方可达到预先设定的运行速度。分别采用4种不同的加速时间(3，10，15，20 s)进行仿真研究，分析不同加速时间对输送机动张力峰值的影响，结果见图6。分析该图可知：加速时间为3 s时的动张力峰值为18 801.77 N，加速时间增大至20 s时的动张力峰值下降至7 447.03 N，可见增加加速时间对于降低输送机启动阶段的动张力峰值作用较大。

图5 3种预启动时间对应的动张力曲线

图6 4种启动加速时间对应的动张力曲线

3 不同启动速度对应的输送机动态特性

带速(启动速度)是影响带式输送机输送量和经济效益的重要指标。提高带式输送机输送量的重要途径为提高输送带带速和带宽，一般采用带速来提高输送量较为经济。对于相同的输送量，提高带速可减小带宽，从而降低设备成本。分别采用5，8，10，15 rad/s角速度对带式输送机进行仿真模拟，分析不同启动速度对应的输送机动张力的变化特征。分析图7可知：当启动速度为5 rad/s时，动张力峰值仅为11 719.15 N，当启动速度分别达到8，10，15 rad/s时，相应的动张力峰值分别为15 980.66，17 805.92，20 176.78 N。可见，通过提高带速可增大输送带的动张力峰值，随着带速的增大，动张力波动较大，易形成较大的冲击载荷，影响输送机的平稳运行从而会引发安全事故。尽管提高启动速度对于提升输送量的效果较好，但也带来了一些新的问题，如托辊直径增加、装载点物料冲击增大、灰尘增多、对输送带的磨损严重等。因此，无论是在输送机设计阶段还是在改造阶段，都应根据输送机的使用条件、物料特性及环境条件合理确定启动速度。

4 结 语

对不同启动方式、不同启动时间以及不同启动速度下的M212带式输送机的动态特性进行了仿真分析。研究表明：对该型带式输送机进行优化改造时，可以从改变启动方式、加入适当的启动延时时间方面来降低输送带在启、制动阶段的动张力峰值；虽然提高带速可以减小带宽、增大产量，但对于M212型输送机而言，还需进一步考虑输送带在高带速下的磨损、物料冲击加大等不利因素的影响。

图7 4种启动速度对应的动张力变化曲线