关于矿用带式输送机使用中的动态分析

王 大 维

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048000）

0 引 言

矿用带式输送机作为井下煤矿生产中的重要设备，较好的使用性能直接影响着煤矿的生产效率及井下作业安全。目前，由于井下环境恶劣、设备超负荷作业、运行时间过长等原因，导致矿用带式输送机在使用中出现各类运行故障，给煤矿企业的煤矿开采及经济收入造成了重大影响。掌握带式输送机使用程中的动态变化特性，对提高其设备的运行效率和安全型至关重要。因此，以带式输送机静特性、动特性为理论基础，通过分析其使用中存在问题，采用soliworks 和adams 软件，建立了带式输送机的仿真模型，开展了其起动及制动时的加速度变化动态特性变化分析，由此掌握了其启动及制动过程的加速度变化规律，这对提高矿用带式输送机的作业效率及安全具有重要意义。

1 带式输送机特性分析

1.1 静特性分析

带式输送机在井下工作过程中，当其达到稳定工作状态时，在较长工作时间范围内，其整个系统的波动性几乎可认定为恒定不变，在此状态下，输送带的应力、应变几乎恒定。由此，通过以下公式，可计算得出带式输送机上输送带在静态状态下的应力、应变值。

式中：E 为输送带静态弹性模量，Ppa；ε 为输送带静应变；δ 为输送带静应力，Pa；F 为输送带外力作用力，kN；A 为输送带外界作用力下横截面积，m2。

1.2 动特性分析

1.2.1 松弛特性

输送机上的输送带在受到一个常量应变值情况下，其上的应力值会出现先迅速增加，再缓慢降低，并最终趋向于一个稳定值，这导致了输送带上的应力出现了松弛现象，其变化如图1 所示。反应了输送带在刚运动时所受应力值将相对较大，后趋于稳定变化。由此，反应了输送带运动过程动态变化的过程。

图1 输送带松弛特性变化曲线图

1.2.2 动态特性

由于输送带在工作过程中，将受到来自不同方向、不同大小的外界载荷作用，由于外界拉力大小、频率、作用力方向等变化，导致了输送带的弹性模量发生了变化，其关系图如图2 所示，最终使输送带发生形变，在其长时间运行过程中，将可能导致其发生运行故障，影响输送机的工作安全。

图2 输送带弹性模型与拉力关系图

2 带式输送机使用中存在主要问题

由于输送机在工作过程中，存在输送距离较长，外界载荷作用变化较大、运行速度不断变化等情况，这将导致其长时间运行过程中出现各项故障问题，影响着井下生产效率。使用过程中出现的主要问题：

1）输送带工作一段时间后，其整体磨损严重、松弛度无法调整，在运行时经常出现漏煤、掉煤等现象；

2）输送机整体性能不稳定、可靠，经常出现无法立即启动，或启动一段时间突然停止现象，对煤矿的输送产生了重要影响；

3）输送机在启动时，由于受到外界较大载荷作用，其启动加速度较大，导致输送带上的拉力在较短时间内迅速增大，从而出现较大幅度的振动现象，大大降低了其运行稳定性；

4）由于输送机一些部件设计的不合理性，安全系统及冗余量设计过高，导致了输送机产品整体结构偏大，在产品生产成本投入及现场基础建设等方面将出现较大经济投入。

3 带式输送机动态分析

3.1 动力学模型建立

3.1.1 三维模型建立

带式输送机的结构部件相对较多，主要由v 型下托辊、驱动滚筒支架、中部传动滚筒架、缓冲托辊、槽型托辊、输送带等部件组成。因此，根据其实际结构尺寸，采用solidworks 软件，通过建立输送机上的关键零部件，并通过最终的装配，建立了带式输送机的三维模型；同时，为避免非关键部件对后期分析结果的影响，将输送机上的螺栓、定位销、轴承等非关键部件进行了模型省略，建立经简化的带式输送机三维模型，如图3 所示。

图3 带式输送机三维模型

3.1.2 仿真模型建立

将建立的输送机三维模型导入至adams 仿真软件，对模型中滚筒轴、滚筒、托辊等部件之间进行了条件约束，如在滚筒轴与滚筒之间添加转动副、在输送带与托辊之间添加接触副等。同时，各零件的材料均设置为q345 材料。为模拟输送带的驱动、载荷等参数在不同工作环境及时间下的变化情况，采用了step分段函数，以此来设置输送机不同时间段的不同变化函数。最后，通过对模型进行外界物体载荷、重力载荷等施加，完成了带式输送机仿真模型的建立，如图4所示。

图4 带式输送机仿真模型图

3.2 仿真结果分析

3.2.1 启动时加速度变化分析

通过开展带式输送机动态仿真分析，得到了带式输送机起动时加速度变化曲线图，如图5 所示。由图可知，输送机在启动的瞬间，会产生较大的拉力，致使其加速度出现了急剧的增长；随着设备的运行，其受到驱动力、摩擦阻力、胶带伸长的弹性力等阻力也逐渐增大，当驱动力与阻力之间的合力最大时，输送机的加速度达到最大值，并在一段时间范围内呈稳定不变的变化趋势；随着输送机运行速度的逐渐增大，其驱动力与阻力之间将会达到动态平衡，其合力将呈现逐渐减小趋势，输送机的加速度减小至最小值，此现象与带式输送机加速度的实际变化趋势基本吻合。由此，掌握了带式输送机起动过程的加速度动态变化规律，并得到在输送机起动前期，输送带及其他部件更容易发生运行故障，要求其性能需首先满足此阶段的使用需要。

图5 输送机起动时加速度变化曲线

3.2.2 制动时加速度变化分析

通过仿真分析，得到了带式输送机制动时的加速度变化曲线图，如图6 所示。由图可知，当给输送机突然施加较大的恒定制动力矩时，其制动加速度由零急速增大，并在制动力作用下，呈恒定的变化趋势，在30s 左右时，制动加速度急速下降，表明此时完成了输送机的整个制动过程；之后，由于输送带松边和紧边之间存在一定的互换性，在惯性力的作用下，产生了加速度为正、负往复振动变化的情况，最后随着能量的逐渐减小，制动加速度也逐渐减小至零。此过程与输送机制动过程中实际加速度的变化情况基本吻合。由此，掌握了带式输送机在制动过程的加速度变化趋势，同时，在输送机制动初期，输送带及其他部件将受到较大的外界作用，其部件性能需满足制动初期是使用需求，以此来保证带式输送机的制动安全。

4 结 论

掌握矿用带式输送机使用过程中的动态变化规律，对提高其设备的运行效率和安全性至关重要。因此，以带式输送机静特性、动特性为理论基础，通过分析其使用过程中存在问题，采用soliworks 和adams软件，建立了带式输送机的仿真模型，开展了其起动及制动时的加速度变化动态特性变化分析，结果表明，在输送机起动及制动初期，对其设备的内部部件具有更高的使用性能要求，以此来保证输送机的正常工作，由此掌握了其启动及制动过程的加速度变化规律，这对加强带式输送机使用性能的提升、保障井下作业安全具有重要的指导意义。