矿山带式输送机启动过程动力学分析

方 永

（安徽铜冠池州资源有限公司，安徽池州 247157）

0 引言

带式输送机凭借其能够实现相对远距离保持高速运行的自动输送模式，在矿山领域当中得到了广泛的应用，比传统的矿产资源开发中的运行方式更加便利。近几年，矿山领域的发展十分迅速，而带式输送机也逐渐成为矿山作业主流的运输工具[1]。矿山带式输送机的运输带更宽，可以运输体积更大的矿产资源，且运行速度更快，能够实现对矿物远距离的高速运输，提升矿山作业整体工作效率。除此之外，与传统矿山运输工具相比，带式输送机在能源节约、工作效率以及输送量上都有着更强大的优势，因此具备更高的性价比。除矿山领域外，带式输送机在物流行业、各类工业生产领域等也均有更为广泛的运用[2]。若对带式输送机的设计过于保守，则会造成设备的额定工作量相对增加时，设备出现少载或空载的问题，不仅会影响到运行效率，同时还会造成大量能源的浪费[3]。因此，作为矿山作业输送中的重要设备，对带式输送机启动过程动力学进行分析具有十分重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 实验对象

为实现对矿山作业中带式输送机启动过程中动力学特性分析，选择以某矿山企业作为依托，将该矿山企业中使用的带式输送机作为实验研究对象，见图1。

图1 DSJ100-6460 型带式输送机

该带式输送机的型号为DSJ100-6460，输送距离为1～9 km；运行功率为0.37～3 kW；输送能力为10 m3/h；带宽为0.5～3 m；机高为倾斜度5°～30°；承载托辊结构的线质量为5.5 kg/m，回程段托辊的线质量为8.6 kg/m。设备结构稳定、承载量大、输送平稳、维护简单等优势。在实际应用中，通过操作按钮实现对电动机转向和调速的控制[4]。对于矿山作业相对恶劣的环境具备更强的适应性，并且能够在长期高温环境中稳定运行。

1.2 材料与设备

为实现对矿山带式输送机在启动过程中的动力学分析，除实验对象本身DSJ100-6460 型带式输送机以外，还需要用到速度传感器，利用这一设备实现对分析所需数据的获取和转换。选用LIS2DH12TR 型速度传感器，该速度传感器接口为I2C 和SPI 类型，分辨率为12 bit，输出类型为数字，电源电压最大为3.6 VDC，电源电压最小为1.71 VDC，工作电源电流为11 μA，最低工作温度为-40 ℃，最高工作温度为85 ℃，采用LGA-12 格式封装，具备湿度敏感性。

除上述LIS2DH12TR 型速度传感器外，为实现对DSJ100-6460 型带式输送机的力学性能分析，还需要引入DSF125F001型压力传感器。利用该传感器，在实验过程中可实现对开关差的调整，对切换点进行调整[5]。在实验中，将DSF125F001 型压力传感器安装在带式输送机上，获取输送机的力学参数。该传感器具备5 pC/N 的灵敏度，测力范围为100～450 N，线性度小于等于1%，绝缘电阻为1.5×103Ω。

1.3 实验方法

在实验过程中，将DSJ100-6460 型带式输送机的纵向振动和横向振动作为主要的研究内容。在输送机运行的过程中，纵向振动会对张力、加速度等造成影响，横向振动会对张力分布造成影响。为了实现对实验的简化，将运行中的带式输送机看作一个模块式的结构，该结构由承载部分、驱动部分和拉紧部分组成。将输送带的载重部分划分为多个单元，并将载重区域最先启动的单元设置为第一单元，往后按照顺序依次为第二单元、第三单元、第n 单元。在带式输送机运行过程中，对其运行参数进行设定，将运输量设置为1100 t/h，将带速设置为2.5 m/s，将输送距离设置为1000 m，运输矿物时的倾斜角度为-3.8°～8.5°。

针对DSJ100-6460 型带式输送机在运行过程中60 s 和120 s 的两个启动时间下，加速度、速度、位移、动张力等参数进行记录，并根据具体数值的变化情况对其进行动力学分析。在实验过程中，对矿山带式输送机的初始加速度进行计算：

其中，a 为加速度；M 为质量矩阵；Ku为刚度矩阵；Cu为阻尼矩阵。再根据上述公式计算得出等效刚度矩阵：

其中，Kdx为等效刚度矩阵；a0为时间步长为t0时的积分常数；a1为时间步长为t1时的积分常数。其中a0表达式为：

其中，θ为Wilson-θ 函数；Δt 为时间步长。a1的表达式为：

由式（1）～式（4）辅助完成对矿山带式输送机的动力学分析。

2 实验结果分析

按照上述实验方法，首先记录DSJ100-6460 型带式输送机在60 s 启动时的加速度数值变化情况，并根据数据绘制加速度变化曲线（图2）。

图2 60 s 启动时加速度曲线

从图2 可以看出，带式输送机60 s 启动时间条件下，加速度在达到峰值后迅速下降，随后在30～40 s 范围内又一次出现了较为剧烈的波动变化。再对120 s 启动时的加速度数值变化情况进行记录，并根据数据绘制加速度变化曲线（图3）。

图3 120 s 启动时加速度曲线

从图3 可以看出，带式输送机120 s 启动时其加速度在达到峰值后与图2 变化基本一致，但随后基本趋于平稳，并且并没有出现类似图2 的大幅度波动现象。其次，针对两个启动时间，对带式输送机的动张力变化情况进行记录（表1）。

表1 输送机启动时动张力变化记录

从表1 可以看出，60 s 启动时带式输送带的动张力最大为1305.45 kN；120 s 启动时动张力最大为475.26 kN。两种启动时间条件下，随着时间的增加，带式输送机的动张力均呈现出明显降低的变化趋势。

3 实验结果讨论

基于得出的实验结果对矿山带式输送机在启动时的动力学特性进行分析，针对带式输送机在60 s 和120 s 的两个启动时间下，矿山带式输送机的加速度变化情况进行分析，对比图2 和图3 得出的实验结果可以看出，在启动时间为60 s 时，矿山带式输送机的启动加速度值除开始时间和30 s 左右较高以外，其余数值均在0.04 m/s2上下波动。同时，在实验过程中发现，峰值出现的位置位于矿山带式输送机的头部驱动位置。在开始启动的瞬间，加速度达到了0.075 8 m/s2，在启动时间达到30 s 时，加速度又一次出现了较大幅度的波动，此时加速度数值为0.062 5 m/s2。在启动时间为120 s 时，矿山带式输送机的启动加速度值除开始时间较高以外，其余始终控制在0.03 m/s2，保持相对平稳的波动状态。同时，在开始启动的瞬间，加速度达到了0.795 88 m/s2，随后加速度的波动明显减缓，并符合实际运行传输要求，同时更加有利于矿山带式输送机的使用寿命，对其各个零部件的冲击更小。

其次，针对两种启动时间条件下，矿山带式输送机的动张力变化情况进行分析，结合实验过程中的实际情况，对表1 记录的数据进行探究。在运行过程中，沿着输送机长方向的动张力逐渐减小。因此，结合得出的实验结果可以看出，采用120 s 启动时间条件的带式输送机在运行的过程中传送带所承受的动张力更小，对于保证带式输送机的运行稳定性以及确保输送机整体使用寿命而言，都具有更积极的作用。因此，矿山带式输送机在120 s 启动时间条件下与在60 s 启动时间条件下相比，动力学性能更优。

综合上述得出的实验结果，在使用矿山带式输送机时，应当在条件允许的情况下，尽可能采用最短启动时间为120 s 的条件，以在确保带式输送机平稳运行的同时，降低输送带承受的冲击力。

4 结束语

以矿山作业中常使用的带式输送机作为研究对象，针对其在启动中的动力学进行分析，在研究中，主要对带式输送机在60 s 启动条件和120 s 启动条件下的加速度和动张力进行探究。通过实验的方式得出结果，并根据结果中的数据确定采用120 s 启动方式能够达到保障带式输送机运行更安全和更稳定，并确保带式输送机的输送带不会承受过大的冲击力。由于实际矿山作业环境十分复杂，因此，在实际应用带式输送机时，还需要考虑更多影响因素的存在，对其启动时间以及相关启动条件进行调整，确保矿山作业整体的质量进一步提升。