冀悟颖

（晋能控股集团煤峪口矿，山西 大同 037000）

引言

随着煤炭开采业的不断发展，对井下开采的主要运输设备（带式输送机）的要求也越来越高，带式输送机不断朝着高带速、长距离、大运载量的方向发展。由于输送带自身特性，随着输送带长度的不断增加，输送带的动态特性也逐渐复杂。传统的运用静态特性对输送带进行受力分析设计的方法已无法适应设备的实际使用要求。而仅仅通过加大设备安全系数、增大滚筒圆周力也只能强化输送带强度，不合理的部件参数会使得设备制造成本升高，安全稳定性降低。针对这一现象，本文提出采用动态特性分析的方法对带式输送机自动张紧装置进行设计研究，以期提高带式输送机使用寿命，确保设备运行安全稳定性，提升企业运输效率。

1 输送带的动态特性分析

带式输送机的输送带主要由覆盖层以及带芯组成。覆盖层包括上下两个覆盖层，上覆盖层略厚于下覆盖层，可增强输送带运输耐磨性。带芯为整体骨架，起承载负荷的作用。当输送带长度较短时，输送带的力学特性虽较为复杂，但力学特性影响可忽略不计。随着长度的不断增长，力学特性影响逐渐变大，成为带式输送机设计研究不可忽略的关键一环。经分析，带式输送机输送带的动态特性主要有以下5 点特性[1-4]：第一，输送带在使用过程中的应力σ 与应变ε 变化具有非线性的特点。两者的变化过程缓慢，不满足胡克定律，具有非线性的特点，其变化曲线如图1-1 所示。第二，变化蠕变性。输送带在受到恒定外力E 后伸长量会不断增长且无线趋近于某一个数值，其变化特性曲线如图1-2 所示。第三，松弛特性。输送带受到恒定应变后拉伸应力会先增长再下降，然后稳定趋近于某一数值，其松弛特性曲线如图1-3 所示。第四，滞后性。输送带加载与卸载实验中应力与应变曲线不重合且表现出滞后性，其特性曲线如图1-4 所示。第五，频率特征。输送带变形量的多少除与作用力大小F、时间t 有关外，还与作用力变化频率f 有关，其具体频率特征如图1-5 所示。

图1 输送带动态特性图

2 带式输送机自动张紧装置设计

2.1 结构设计

带式输送机自动张紧装置主要由监测模块、供电模块、冷却模块、张紧绞车以及控制箱组成，带式输送机自动张紧装置组成框图如下页图2 所示。其中，监测模块主要由张力传感器组成，作用是对钢丝绳张力进行测量并转换为电信号传输至控制模块；张紧绞车由小车、滑轮、滚筒、联轴器、电动机、制动器以及变频器组成。制动器的主要作用为控制电机转子在断电后不会继续惯性转动，保证设备运行安全；控制模块主要为可编程控制器系统，对系统运行与停止起控制作用。

图2 带式输送机自动张紧装置组成框图

当带式输送机需要进行输送带张力调整时，控制模块会对调速系统发出指令，调速系统内的制动器会打开，同时电动机会运转带动滚筒转动，钢丝绳经滑轮牵引会拉动小车移动，从而对输送带张力进行调整。当监测模块监测到输送带张力符合要求后，控制模块会发出停止运行指令，制动器制动使小车停止并维持张力状态。

2.2 参数设计

2.2.1 张紧装置功率设计

本文以DSJ160/350/3×500 型带式输送机为例进行设计研究。通过实际测量可知，DSJ160/350/3×500型带式输送机启动所需张力为500 kN，最大速度稳定运行时所需张力为357 kN，设备停止运行时所需张力为321 kN。张紧装置的功率计算公式为：

式中：P 为张紧装置功率，kW；F 为所需张力的最大值，取500 kN；v 为设备运行速度，取0.08 m/s。

将相关数据代入式（1）得：张紧装置所需功率P=40 kW。

2.2.2 钢丝绳参数设计

依据设备的实际应用场景，钢丝绳的使用等级应为T2 级，载荷状态应为L2，那么工作级别应为M2。使用大倍率滑轮组可减小设备扭矩输出，降低钢丝绳拉力，实际的滑轮组倍率为6 倍，则钢丝绳破断力计算公式为：

式中：n 为安全系数，取6；F1为钢丝绳最大拉力，取83.3 kN。

将相关数据代入式（2）得：钢丝绳破断拉力F=500 kN，选6×19 型钢丝绳即可。

2.2.3 滚筒参数设计

张紧装置的滚筒结构如图3 所示。卷筒厚度应与钢丝绳直径d 相同，为26 mm。

图3 张紧装置滚筒结构示意图

张紧装置容绳量的计算公式为：

式中：L 为容绳量，m；L1为装置的张紧形成，取30 m。

将相关数据代入式（3）得：张紧装置的容绳量L=180 m。

卷筒长度的计算公式为：

式中：L 为卷筒长度，m；Z 为每层的圈数，取17；P 为绳索间距，取1.1d=0.028 6 m。

将相关数据代入式（4）得：卷筒长度L≈0.54 m。

3 带式输送机自动张紧装置仿真分析

使用AMESim 软件与Matlab 软件对带式输送机自动张紧装置进行仿真分析，Matlab 软件主要对电动机以及调速系统进行模型的建立与分析，其他部分由AMESim 软件建立。带式输送机自动张紧装置在0 s时启动，带式输送机在40 s 后启动，张力值初始设置为启动张力；设备运行200 s 后将张力设置为最大速度张力；该状态运行210 s 后机尾移动，移动20 s 后停止；机尾停止120 s 后张力值设置为停机张力，运行100 s 后设备停止运行，10 s 后仿真结束。

带式输送机启动过程的张力变化曲线如图4 所示。由图4 可知，在预张紧阶段，滚筒相遇张力约为78 kN，机尾张力约为66 kN，奔离点张力约为83 kN；在40～99 s 之间，滚筒紧边张力不断增大，机尾张力平稳不变；99 s 后，机尾张力开始上升，在116 s 时上涨为最大值129 kN；滚筒紧边张力在126 s 时达到一个峰值，约为410 kN，在180 s 时达到最大值为431 kN；滚筒松边张力较为平稳，数值几乎不变。

图4 带式输送机启动过程张力变化曲线

带式输送机最大速度张力变化曲线如下页图5所示。由图5 可知，带式输送机最大速度运行下输送带张力大小整体下降，变化幅度较小。滚筒相遇张力、机尾张力以及奔离点张力最终数值约为398 kN、52 kN、100 kN。

图5 带式输送机最大速度张力变化曲线

带式输送机停机阶段张力变化曲线如图6 所示。由图6 可知，在停机阶段，输送带的张力较最大速度张力均有所下降，紧边张力、松边张力以及机尾张力数值分别为223 kN、47 kN、78 kN。设备停止后，松边张力稍有上涨，紧边张力稍有下降。相遇张力以及奔离点张力最终数值为224 kN、58 kN。

图6 带式输送机停机阶段张力变化曲线

4 结论

带式输送机是煤矿井下生产的重要运输设备，随着带式输送机运输距离、负载量以及运行速度不断提升，采用输送带静态分析的方法进行设计已无法满足实际的使用要求。针对这一现象，本文采用动态分析方法进行带式输送机自动张紧装置设计，经分析研究本文得出了以下结论：

1）输送带的动态特性主要包括应力与应变非线性、蠕变性、松弛性、滞后性以及频率性。

2）对设计好的带式输送机自动张紧装置进行联合仿真分析，带式输送机在启动、最大速度以及停机三个阶段张力变化符合张力要求，调节速度快，响应灵敏，符合相关设计要求。