张紧方式对带式输送机启动特性的影响

揭施军1,， 熊晓燕， 武 兵， 牛蔺楷

(1. 桂林理工大学南宁分校机械与控制工程系， 广西崇左 532100； 2. 太原理工大学机械工程学院， 山西太原 030024)

引言

带式输送机是物料输送的重要设备，并逐渐向大运量、长距离和高带速方向发展，其动态特性变得越来越显著。尤其在输送机启动过程中，由于张紧装置来不及响应，使得张紧装置提供的张紧力减小，输送带张力发生较大的波动，影响输送机的稳定运行[1]。众多学者对此展开了研究，毛君等[2]在研究影响张紧行程的因素时，分析了不同张紧方式的优缺点；汪岩峰等[3]对不同张紧装置的结构进行了分析，并对张紧装置的选型和应用提出了合理建议；李冬梅等[4]对不同张紧装置的动力学模型进行了分析，为防止输送带局部应力过小或过大提供了理论依据。本研究通过分析不同张紧方式对输送机启动特性的影响，便于使用者根据不同场合选择合适的张紧方式，对于保证带式输送机的稳定运行，增强带式输送机的安全性和延长使用寿命具有重要意义。

1 张紧装置工作原理

张紧装置是带式输送机的一个重要组成部分，为输送机的正常运行提供稳定的张紧力。张紧装置按作用分为三类：重锤式、固定式和自动液压张紧式，其结构简图如图1所示。

图1 三种张紧方式

其中图1a为重锤式张紧，应用广泛，结构简单。其工作原理是利用重锤的自重来张紧输送带，且重锤往复运动能补偿输送带的弹塑性性伸长；图1b为固定式张紧方式，其钢丝绳的一段固定，另一端与张紧小车相连，且只能在停机状态进行张紧力的调整；图1c为自动液压张紧方式，主要由张紧小车、钢丝绳和控制系统等组成，通过控制液压缸两腔的油压，调节液压缸的伸缩实现对张紧力的自动调节，并能对输送带的弹塑性伸长进行补偿，确保带式输送机的正常运行[3-4]。

2 输送带动力学模型的建立

由于张紧装置一般具有自动张紧功能，可以补偿输送带因张力变化造成的松弛[5]。本研究仅考虑输送机的启动特性，故可选择Kelvin-Voigt模型作为输送带的粘弹性模型来进行动态分析，带式输送机的离散模型[6]如图2所示。

将输送带单元、驱动单元和张紧单元动力学方程进行组合，可得输送机系统动力学方程为，离散模型的动力学方程可化为[7-8]：

{F}={F1，F2,…，Fn}T{X}={x1，x2,…，xn}T

式中，M—— 输送带的离散质量矩阵

C—— 阻尼矩阵

K—— 刚度矩阵

F—— 激励矩阵

X—— 位移矩阵

3 张紧装置模型建立

根据以上建模参数，建立不同张紧方式的物理模型，如图3～图5所示。

图3 重锤式张紧方式

图2 带式输送机的离散模型

表1 带式输送机建模参数

图4 固定式张紧方式

图5 自动液压张紧方式

4 仿真结果分析

根据以上建立的物理模型，代入表1的建模参数，输送机按“S”形正弦方式启动[9]，对不同张紧方式进行了仿真，其仿真结果为：输送带最大张力点-承载段驱动滚筒处的加速度和张力响应曲线、张紧装置提供的张紧力以及张紧小车和重锤的位移曲线，如图6～图9所示。

图6 承载段驱动滚筒处加速度

图7 承载段驱动滚筒处张力

图8 张紧装置张紧力响应曲线图

从以上仿真结果可知，在第一次启动过程中，输送带承载段的张力峰值会发生较大波动，而在第二次加速过程中，输送带承载段张力峰值波动明显降低，可知“S”形启动方式能有效降低输送带最大张力峰值。通过对比四种张紧方式对输送带承载段张力波动的影响，可知当张紧装置保持理想恒力张紧时，输送带张力仍然有较大的波动，而当不同的张紧装置提供的张紧力波动程度不同时，输送带承载段张力波动也不相同，可知，启动方式和张紧力稳定性会影响输送带承载段张力峰值波动。

图9 张紧小车和重锤的加速度响应曲线

图9反映输送机启动瞬间，由于张紧装置来不及响应，使其提供的张紧力急剧减小。其中，重锤张紧方式响应速度最快，液压自动张紧方式中的张紧小车响应速度最慢。当张紧装置响应速度较快时，能保持张紧装置提供的张紧力在一个较小的范围内波动，从图8可知，将导致输送带承载段张力峰值波动增大。固定式张紧方式，由于张紧位置不变，张紧装置不能随着负载的变化进行张紧力的调节，使得张紧装置提供的张紧力在预张紧阶段较大，在输送机启动和稳定运行时，由于输送带发生弹塑性变形，回程段悬垂度增加[10]。从图7可知，使得张紧装置提供的张紧力减小，其较小张紧力波动使得输送带承载段张力峰值产生较大波动。从图8和图9仿真曲线可知，在输送机启动过程中，自动液压张紧系统来不及响应，使得张紧装置提供的张紧力急剧减小，降低了输送带张力峰值，避免了输送带发生断裂事故[11]，但较小的张紧力，易使得输送带发生叠带现象。

5 结论

通过利用AMESim软件建立带式输送机不同张紧方式的物理模型，并分析在输送机启动过程中不同张紧方式对输送带动态特性的影响，得出以下结论：

(1) 重锤张紧方式和固定式张紧方式由于张紧装置响应速度高，会使得输送带承载段张力峰值增大并产生波动，可能使输送带发生断带事故，故这两种张紧方式适合于中小型慢速带式输送机；

(2) 自动液压张紧方式由于响应速度低，使得张紧装置提供的张紧力变化范围增大，降低了输送带承载段最大张力值，故适合于长距离、高带速的带式输送机。