高倾角胶带输送机的动态分析

施银辉

摘 要 文章主要研究高倾角胶带输送机基本结构及系统的静态、动态力学特性，结合现有的胶带式输送机的研究方法，提出高倾角胶带输送机的动力学模型。通过模型的分析把该模型应用到实际的工程中为高倾角带式输送机的起、制动动态过程产生的动载荷等问题的研究提供了理论依据。

关键词 高倾角带式输送机；动态分析；力学特点；动力学模型

中图分类号：TH2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0043-02

在经济高速发展的中国，资源和能源的供应与需求矛盾日益尖锐，成为了制约经济发展的主要瓶颈。然而作为资源和能源的运输工具之一的带式输送机已经广泛应用到了各个能源运输的领域，而不同的资源运输环境对带式输送机要求也各不相同，为了使用各个环境的应用，各个输送机的系统得到了蓬勃的发展。尤其是高倾角输送线路的设计计算理论能够通用化[1]，使得传统的带式输送机具有更大的适用性和更广泛的应用前景。但是传统的输送系统的理论基础都是基于静态刚体理论的，他们仅考虑了平稳的工况下的输送机的运行状况，这对于高倾角带式输送机设计是不可行的，因为高倾角的输送机的下运送带的制动力和上输送带的启动力都很大，若在高倾角的输送机设计中不考虑这两种工况，则该设计不适应高倾角带式输送机的应用环境。

本文高倾角带式输送机的动态分析，主要就是结合高倾角输送机的动力特征，分析他在机起制动和运行工况中的动力模型，为设计者提供合理的理论依据，实现可靠、安全的高倾角输送机的设计，这具有重要的实际应用价值和工程意义。

1 高倾角胶带输送机的发展现状

为了实现在复杂的输送环境中使用高倾角胶带输送方案，国内外很多专家都进行了很深入的研究。其中，日本研制出了压带式的高倾角胶带输送机，该设备增加了压紧输送带，增加了带与传送轴之间磨损，能耗较大，并且设计结果也比较复杂，只能勉强用于短距离的小倾角。美国曾研制出了一款管状带式高倾角输送机，该设计也仅能用于小倾角，当角度大于60°的场合[2]，管状带式输送机中间要架设特殊设计的中间架，并要求增加一定数量的托辊和导轮。该设备对送料的要求较高，装载点比较单一，不利于多种场合的灵活应用。

我国对高倾角胶带输送机研究较早的有20世纪80年代的太远重型机械学院提出的基于粘弹性模型建立的带式输送机的整体模型[3]，对拉紧状态下的启动张力的动态过程进行了计算机仿真分析，同时给出了胶带式输送机的动态参数的测试方法。

辽宁工程技术大学的研究者对胶带式输送机的动态过程进行了系统建模，通过研究设备的力学原理和动态模型，分析了段带过程中的动力学问题。基于此，研究则提出了胶带式输送机的横向震动的理论分析和稳定性条件。并且深入研究了胶带式输送机的间距等参数与速度、托辊直径、张力对输送带横向振动与稳定性的影响，并提出了避免共振的设计方案[4]。

东北大学教授在带式输送机的驱动和拉近装置以及输送机的整个运动过程进行了数学建模，提出了多驱动系统算法，仿真了启动与统计[5]过程，据此设计出了人型带式输送机通用动态分析软件。

与国外相比，高倾角胶带输送装置的设计和研究的差别主要体现在技术性能上，我国的高倾角胶带输送机的研究较晚，目前研究的普通带式输送机已经不能满足高效运输的要求，为此研究高倾角胶带输送机的动态模型，并据此设计出能应用到高倾角输送要求环境设备已成为一个很有意义的课题。

2 高倾角胶带输送机的基本结构和力学特点

高倾角带式输送机主要应用于长距离或高差较大的矿上原料输送，高倾角带式输送机的主要组成部件与这些部件的作用[6]如下。

1）波状挡边输送带。承载输送中的输送物质。在普通胶带输送机的平型带的两侧加上波状挡边，相比于普通的输送机的带体具有更大的横向刚度，当输送机压过滚筒在反面向回传送时，挡边可以自由压缩和伸张，以实用于不同形状的几何应用。

2）驱动装置。是输送机中的动力部分，由电机、减速器、逆止器、传动滚筒等组成。其中传动滚筒式是动力传递的主要部件，传动滚筒利用摩擦力带动输送机带运动。

3）改向滚筒、压带轮。改变输送带运行的方向。

4）托辊。托辊支撑输送机上承载的物料，保证其能稳定

传输。

5）拉紧装置。在物料传送的过程中拉紧装置保证输送带和传动滚筒间不打滑，限制输送带在各支承间的垂度，使输送机正常运转。

6）跑偏检测装置。检测皮带运转状态的跑偏情况，在跑偏量异常时报警或停机。

7）打滑检测装置。通过检测输送胶带和传动滚筒之间的速度差，执行相应的动作。如：报警、自动张紧输送带或正常停机。

8）双向拉绳开关。用于沿线紧急停机时的制动。

3 高倾角胶带输送机的力学特性

3.1 高倾角胶带输送机的静态特性[7]

取一段输送带，慢慢地给其加上载荷，得到的载荷压力与应变力的关系为输送带的静态特性。已知静力弹性模量为，力与应力之间的关系式可以表示为。同时存在下列关系式。

3.2 高倾角胶带输送机的动态特性

根据上面的分析，高倾角胶带式输送模型是一个复杂的模型，各个方向上的特性差异较大，那么胶带式输送带在载荷压力作用下的动力特性也是复杂的，并不是简单的线性关系。具体的特性如下。

1）非线性特性。由上式分析得出载荷压力与应变力不服从胡可定律，动态弹性模量是关于应力的表达式。

2）滞后性。胶带输送机的试压载荷与应力载荷在时间上是不一致的，应力载荷相对滞后，这就是输送机的滞后性。经验发现长久使用的胶式输送带比新的输送带的该特征要明显，长久使用的输送带该特性会稳定下来。

3）蠕变特性。该特性描述的是载荷的应变力与时间的一个关系，在载荷恒力的作用下，应变力随时间成对数特性，慢慢趋近恒定值。endprint

4）松弛特性。该特性也同样描述的是载荷压力与时间的关系，当输送带拉伸到一定的长度后，该形变保持不变，即输送带的长度不变，此时测得的应力逐渐变小。

5）频率特性。通过实验得出输送带施加的载荷的应力与频率之间呈现一定的关系，频率越高，相应的应力也越大。

4 高倾角胶带输送机动态分析方法

高倾角胶带输送机的启动过程的设计是该输送带设计的重要内容，各个受力过程都是在该过程中达到最大，所以目前对高倾角胶带输送机的启动过程的动态分析已经成为一个至关重要的话题。

标准的设计主要都是把设备的输送带看成一种刚体进行动力学分析，这种设计分析方法只能满足小型的短距离的工程应用。显然对于大型的长距离的工程环境这种设计思想完全不能满足需求，因而对大型的应用场景中必须要采用精确的动态过程的力学分析方法。

高倾角胶带输送机与普通的带式输送机不同，它是一个复杂的机电系统，其启动过程涉及到力学性质，阻力，驱动装置制、动装置的力学特性等大量因素。其中最主要的是启动过程总的平衡过程，启动与制动的连续模型方程，输送机的粘弹性模型。而对粘弹性模型的动态力学分析方法主要有解析法，数值解法和边界。要想对如此的复杂过程进行完整的求解几乎是不可能的，目前主要的研究方法是对高倾角输送机的动态模型都是采用的简化模型来分析模型的固有特性。采用比较理想的模型进行分析求解，在实际工程中都采用输送带的连续离散模型进行差分方程的求解。

5 高倾胶带输送机的动力学模型

本文提出一种高倾胶带输送机的动态力学模型，通过该模型可以分析该系统的各个动态参数。

因为高倾胶带输送机上载荷的随机性，所以该简化的力学模型[9]属于一个非线性的离散的震动系统，在分析过程中可以对动态特性进行如下假设。

6.2 工程应用

通过高倾角胶带输送机的动态分析可以为系统的设计和工程应用中提供正确的参数值。采用高倾角胶带输送机的动态模型分析方法对矿产进行长距离运输系统的分析，可以准确的设计输送系统的安全系数，降低了输送机系统的设备投资，提高了输送机系统的控制回路的控制精度，合理设计大角度和长距离的功率，并且可以对系统的各个零部件强度进行设计，带来了明显的经济效益。

参考文献

[1]王建州，许言威.白坪东翼大巷带式输送机日产万吨提能改造[J].煤矿机械，2014（04）.

[2]王爱兵，郑红满，朱维胜，等.大倾角上运带式输送机起动过程的动态分析[J].煤矿机械，2008（03）.

[3]陈珏，戴建立.长距离带式输送机动态分析的发展现状[J].煤矿机电，2003（01）.

[4]于学武.大倾角带式输送机在煤矿窄巷道的延长改造[J].起重运输机械，2006（11）.

[5]王新伟，胡志超.大倾角上运带式输送机的研制[J].矿山机械，2005（06）.

[6]李光布.带式输送机系统固有特性的研究[J].起重运输机械，2005（12）.

[7]G. Suweken，W. T. van Horssen. On the Weakly Nonlinear， Transversal Vibrations of a Conveyor Belt with a Low and Time-Varying Velocity[J]. Nonlinear Dynamics . 2003（2）.

[8]李光布，杨汝清.Study on conveyor natural frequency and time intervalfor switching off resistances[J].Journal of Harbin Institute of Technology. 2004（06）.

[9]李玉瑾.带式输送机的动态特性研究及应用[J].起重运输机械，2000（12）.endprint

4）松弛特性。该特性也同样描述的是载荷压力与时间的关系，当输送带拉伸到一定的长度后，该形变保持不变，即输送带的长度不变，此时测得的应力逐渐变小。

5）频率特性。通过实验得出输送带施加的载荷的应力与频率之间呈现一定的关系，频率越高，相应的应力也越大。

4 高倾角胶带输送机动态分析方法

高倾角胶带输送机的启动过程的设计是该输送带设计的重要内容，各个受力过程都是在该过程中达到最大，所以目前对高倾角胶带输送机的启动过程的动态分析已经成为一个至关重要的话题。

标准的设计主要都是把设备的输送带看成一种刚体进行动力学分析，这种设计分析方法只能满足小型的短距离的工程应用。显然对于大型的长距离的工程环境这种设计思想完全不能满足需求，因而对大型的应用场景中必须要采用精确的动态过程的力学分析方法。

高倾角胶带输送机与普通的带式输送机不同，它是一个复杂的机电系统，其启动过程涉及到力学性质，阻力，驱动装置制、动装置的力学特性等大量因素。其中最主要的是启动过程总的平衡过程，启动与制动的连续模型方程，输送机的粘弹性模型。而对粘弹性模型的动态力学分析方法主要有解析法，数值解法和边界。要想对如此的复杂过程进行完整的求解几乎是不可能的，目前主要的研究方法是对高倾角输送机的动态模型都是采用的简化模型来分析模型的固有特性。采用比较理想的模型进行分析求解，在实际工程中都采用输送带的连续离散模型进行差分方程的求解。

5 高倾胶带输送机的动力学模型

本文提出一种高倾胶带输送机的动态力学模型，通过该模型可以分析该系统的各个动态参数。

因为高倾胶带输送机上载荷的随机性，所以该简化的力学模型[9]属于一个非线性的离散的震动系统，在分析过程中可以对动态特性进行如下假设。

6.2 工程应用

通过高倾角胶带输送机的动态分析可以为系统的设计和工程应用中提供正确的参数值。采用高倾角胶带输送机的动态模型分析方法对矿产进行长距离运输系统的分析，可以准确的设计输送系统的安全系数，降低了输送机系统的设备投资，提高了输送机系统的控制回路的控制精度，合理设计大角度和长距离的功率，并且可以对系统的各个零部件强度进行设计，带来了明显的经济效益。

参考文献

[1]王建州，许言威.白坪东翼大巷带式输送机日产万吨提能改造[J].煤矿机械，2014（04）.

[2]王爱兵，郑红满，朱维胜，等.大倾角上运带式输送机起动过程的动态分析[J].煤矿机械，2008（03）.

[3]陈珏，戴建立.长距离带式输送机动态分析的发展现状[J].煤矿机电，2003（01）.

[4]于学武.大倾角带式输送机在煤矿窄巷道的延长改造[J].起重运输机械，2006（11）.

[5]王新伟，胡志超.大倾角上运带式输送机的研制[J].矿山机械，2005（06）.

[6]李光布.带式输送机系统固有特性的研究[J].起重运输机械，2005（12）.

[7]G. Suweken，W. T. van Horssen. On the Weakly Nonlinear， Transversal Vibrations of a Conveyor Belt with a Low and Time-Varying Velocity[J]. Nonlinear Dynamics . 2003（2）.

[8]李光布，杨汝清.Study on conveyor natural frequency and time intervalfor switching off resistances[J].Journal of Harbin Institute of Technology. 2004（06）.

[9]李玉瑾.带式输送机的动态特性研究及应用[J].起重运输机械，2000（12）.endprint

4）松弛特性。该特性也同样描述的是载荷压力与时间的关系，当输送带拉伸到一定的长度后，该形变保持不变，即输送带的长度不变，此时测得的应力逐渐变小。

5）频率特性。通过实验得出输送带施加的载荷的应力与频率之间呈现一定的关系，频率越高，相应的应力也越大。

4 高倾角胶带输送机动态分析方法

高倾角胶带输送机的启动过程的设计是该输送带设计的重要内容，各个受力过程都是在该过程中达到最大，所以目前对高倾角胶带输送机的启动过程的动态分析已经成为一个至关重要的话题。

标准的设计主要都是把设备的输送带看成一种刚体进行动力学分析，这种设计分析方法只能满足小型的短距离的工程应用。显然对于大型的长距离的工程环境这种设计思想完全不能满足需求，因而对大型的应用场景中必须要采用精确的动态过程的力学分析方法。

高倾角胶带输送机与普通的带式输送机不同，它是一个复杂的机电系统，其启动过程涉及到力学性质，阻力，驱动装置制、动装置的力学特性等大量因素。其中最主要的是启动过程总的平衡过程，启动与制动的连续模型方程，输送机的粘弹性模型。而对粘弹性模型的动态力学分析方法主要有解析法，数值解法和边界。要想对如此的复杂过程进行完整的求解几乎是不可能的，目前主要的研究方法是对高倾角输送机的动态模型都是采用的简化模型来分析模型的固有特性。采用比较理想的模型进行分析求解，在实际工程中都采用输送带的连续离散模型进行差分方程的求解。

5 高倾胶带输送机的动力学模型

本文提出一种高倾胶带输送机的动态力学模型，通过该模型可以分析该系统的各个动态参数。

因为高倾胶带输送机上载荷的随机性，所以该简化的力学模型[9]属于一个非线性的离散的震动系统，在分析过程中可以对动态特性进行如下假设。

6.2 工程应用

通过高倾角胶带输送机的动态分析可以为系统的设计和工程应用中提供正确的参数值。采用高倾角胶带输送机的动态模型分析方法对矿产进行长距离运输系统的分析，可以准确的设计输送系统的安全系数，降低了输送机系统的设备投资，提高了输送机系统的控制回路的控制精度，合理设计大角度和长距离的功率，并且可以对系统的各个零部件强度进行设计，带来了明显的经济效益。

参考文献

[1]王建州，许言威.白坪东翼大巷带式输送机日产万吨提能改造[J].煤矿机械，2014（04）.

[2]王爱兵，郑红满，朱维胜，等.大倾角上运带式输送机起动过程的动态分析[J].煤矿机械，2008（03）.

[3]陈珏，戴建立.长距离带式输送机动态分析的发展现状[J].煤矿机电，2003（01）.

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[5]王新伟，胡志超.大倾角上运带式输送机的研制[J].矿山机械，2005（06）.

[6]李光布.带式输送机系统固有特性的研究[J].起重运输机械，2005（12）.

[7]G. Suweken，W. T. van Horssen. On the Weakly Nonlinear， Transversal Vibrations of a Conveyor Belt with a Low and Time-Varying Velocity[J]. Nonlinear Dynamics . 2003（2）.

[8]李光布，杨汝清.Study on conveyor natural frequency and time intervalfor switching off resistances[J].Journal of Harbin Institute of Technology. 2004（06）.

[9]李玉瑾.带式输送机的动态特性研究及应用[J].起重运输机械，2000（12）.endprint