矿山长距离胶带机动力特性测试及运行分析

常玉坤，唐文亮，尹华伟

（1.中电建安徽长九新材料股份有限公司，安徽 池州，247100；2.湖南大学，湖南 长沙，410004）

0 引言

随着矿山长距离胶带机不断发展[1]，尤其是在大产量、高速度、大功率等方向[2]，非稳定运行工况下的动力特性对长距离胶带机的安全、稳定、正常运转的影响日益突出[3,4]。例如，长距离胶带机启动和制动过渡过程中，胶带机中的张力变化的复杂性会严重影响胶带机的寿命[5]。

本文结合长九神山石灰石矿长距离胶带机实际[6,7]，经过现场实地考察和设计资料分析，进行结构体系自振特性测试及运行动力响应测试，研究了长距离胶带机运行故障原因并提出相应研究措施，为长距离胶带机的设计和良好运行提供切实的依据和参考。

1 项目概况

长九神山石灰石矿长距离胶带机主要承担将矿山加工后的矿石骨料运送至牛头山港区专用码头的任务，设计输送能力为13000t/h，速度为5.6m/s，水平长度为12986m，总功率为15680kW。胶带机配置有各类托辊45380个，其中上托辊34688个，下托辊10692个，托辊轴承设计为滚珠轴承，上托辊轴承设计型号为4G308，下托辊轴承设计型号为4G307。

长距离胶带机沿线地形地貌类型较为复杂，沿线穿越杨公岭、牛头山、南泉岭和姥山等山体，布置4条隧道和2段水面段。支架结构安全等级为二级，设计使用年限为30年，桁架跨度（高度）为36 m跨度（3 m和5 m高桁架），下穿G50高速为42 m跨度（3 m高桁架），框架结构抗震等级为三级。

该长距离胶带机自2018年底投入使用，运行过程中出现噪声较大、振动幅度较大、运输能力达不到设计标准和托辊故障多问题，见图1。通过查阅分析设计资料，发现以下情况：（1）胶带机的基础及排架工程设计满足相应规范；（2）胶带机支架有大量平行四边形结构，支架理论上为可变体系；（3）上托辊支腿采用两个普通螺栓固定在连系梁（槽钢）翼缘上，安装点未采用加劲肋加固处理；（4）转弯段的外侧（高）支腿刚度明显小于托辊横梁刚度。

图1 损坏托辊照片

2 长距离胶带机自振特性测试

通过环境脉动试验测定体系作为一个整体结构在动力荷载作用下的结构自振特性[8]，以评价结构体系的动力响应特性。

（1）脉动试验测试点布置。测试时，在主桁架相对应位置的横梁上布置测试点，共布置5个测试点，在各测试点安装竖向加速度拾振器，测试点位置及编号具体见图2。测试时以#3测试点为参照点，分4次完成测试，依次测试#3测试点和#1测试点、#3测试点（C1）和#2测试点、#3测试点（C2）和#4测试点、#3测试点（C3）和#5测试点。

图2 动力特性测试测试点布置及编号示意图

（2）脉动试验测试结果。对环境随机激励下的测试信号进行互谱（自谱）分析，得到各测试点实测信号的频谱特性曲线见图3，结构前二阶自振特性见表1。

图3 实测信号频谱特性曲线

表1 结构自振特性测试结果

（3）物流廊道整体水平自振特性测试。在跨中竖向自振特性#3测试点对应位置安装水平加速度拾振器，#1测试点对应横向水平振动测试，#2测试点对应纵向水平振动测试。#1测试点和#2测试点同时完成测试并对测试结果进行自谱分析，测试信号及频谱特性曲线见图4。由结构体系频谱特性曲线分析结果可知横向与纵向水平自振频率均为4.6 Hz。

图4 水平振动测试信号及频谱特性

上述可知体系一阶自振频率约为4.6Hz，大于3 Hz，结构体系整体刚度可满足正常使用要求。一阶阻尼比2.041%和二阶阻尼比1.429%和规范取值2.0%接近，亦无异常。

3 长距离胶带机运行响应测试

3.1 测试点布置

#1测试点布置在竖向自振特性测试对应的#3测试点上，#2测试点依次布置在机架支腿纵向连系梁跨中、上托辊支腿和上托辊横梁上。#1测试点、支腿纵向连系梁跨中测试点和上托辊横梁测试点采用竖向加速度拾振器测试运行时的竖向振动响应，上托辊支腿采用横向加速度拾振器测试运行时的纵向振动响应。

3.2 运行速度为5.0 m/s

#1测试点和机架支腿纵向连系梁跨中测试点测试结果见表2和图5。所有测试点加速度拾振器标定值在测试时均设为mv(1.0 m/s²)，实际标定值#1测试点对应加速度拾振器为328.5 mv(1.0 m/s²)，本次测试机架支腿纵向连系梁跨中测试点对应加速度拾振器为283.7 mv(1.0 m/s²)，因此须做相应换算。上托辊支腿测试点测试纵向水平振动响应测试结果见表3，上托辊横梁测试点测试竖向振动响应测试结果见表4。

图5 #1测试点和支腿纵向连系梁跨中测试点时域分析结果和自谱分析结果

表2 #1测试点和机架支腿纵向连系梁跨中测试点动力响应测试结果

表3 上托辊支腿测试点动力响应测试结果

表4 上托辊横梁测试点动力响应测试结果

3.3 运行速度为5.6 m/s

#1测试点和上托辊支腿纵向连系梁跨中测试点测试结果见表5和图6。所有测试点加速度拾振器标定值在测试时均设为mv(1.0 m/s²)，实际标定值#1测试点对应加速度拾振器为328.5 mv(1.0 m/s²)，本次测试#2测试点对应加速度拾振器为283.7 mv(1.0 m/s²)，因此须做相应换算。上托辊横梁测试点测试竖向振动响应测试结果见表6。

图6 #1测试点和上托辊支腿纵向连系梁跨中测试点时域分析结果和自谱分析结果

表5 #1测试点和上托辊支腿纵向连系梁跨中测试点动力响应测试结果

表6 上托辊横梁测试点动力响应测试结果

4 运行问题分析研究

4.1 运行振动幅度大

矿山长距离胶带机运行速度在5.0～5.6 m/s时，激励频率在8.3～9.3 Hz之间，与体系二阶自振频率f2=8.562 Hz接近，运行激励频率与体系二阶固有频率比值处在0.97～1.09之间，处在共振频率比值区段0.75～1.25内，支架发生了与结构二阶自振频率的选择性共振，导致运行振动幅度偏大。可采取增大托辊直径，改变托辊间距或采用不等间距布置等方法避免共振，其实质是改变胶带机运行激励频率和不同激励点的激励相位。

4.2 托辊故障多

长距离胶带机上部中间托辊损坏约占总损坏托辊的60%[9]，上部两侧托辊损坏约占总损坏托辊的15%，下部托辊损坏约占总损坏托辊的10%，分析主要原因如下。

（1）托辊辊筒内存在大量锈渣，锈渣进入滚筒轴承后，加速轴承磨损和损坏。安装期托辊均为室外堆存，托辊淋雨，轴承和辊筒内进水，导致筒壁生锈和轴承进水加速轴承磨损和损坏。

（2）辊筒端盖（轮腹）和轴承座设计过于简单，导致端盖与托辊筒身分离。轴承设计均为滚珠式且不带任何密封件，润滑油充填不足及润滑油中杂质导致轴承磨损散架。

（3）胶带机上托辊为承载分支托辊，其间距在标准段和转弯段均为1.5m，虽然为2榀托辊，但不能等效为2组托辊，使得转弯段托辊承载力不足。转弯段托辊受力较复杂，由于受力不均导致有些托辊要承受更大内力，且存在轴向复合内力。

5 结论与建议

（1）矿山廊道胶带机在运行速度为5.0～5.6 m/s时，支架加速度响应最大值达到6.26 m/s²，发生在运行速度为5.0m/s时的上托辊横梁上，由于测试时测试点布置在横梁靠支腿部位，如布置在横梁跨中则还会更大。

（2）矿山廊道长距离胶带机运行速度在5.0～5.6 m/s时，运行激励频率与结构固有二阶频率接近，频率比在0.97～1.09之间，处在共振频率比值区段0.75～1.25范围内，出现共振导致振动幅值偏大。

（3）对支架纵断面和水平面的平行四边形结构采用在角点处焊接槽钢隅撑进行加固处理，对托辊节点连接进行加固处理，适当增大易损部位托辊直径等措施有助于避免共振和降低运行噪声。