高傾角膠帶輸送機的動態分析

施銀輝

摘 要 文章主要研究高傾角膠帶輸送機基本結構及系統的靜態、動態力學特性，結合現有的膠帶式輸送機的研究方法，提出高傾角膠帶輸送機的動力學模型。通過模型的分析把該模型應用到實際的工程中為高傾角帶式輸送機的起、制動動態過程產生的動載荷等問題的研究提供了理論依據。

關鍵詞 高傾角帶式輸送機；動態分析；力學特點；動力學模型

中圖分類號：TH2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0043-02

在經濟高速發展的中國，資源和能源的供應與需求矛盾日益尖銳，成為了制約經濟發展的主要瓶頸。然而作為資源和能源的運輸工具之一的帶式輸送機已經廣泛應用到了各個能源運輸的領域，而不同的資源運輸環境對帶式輸送機要求也各不相同，為了使用各個環境的應用，各個輸送機的系統得到了蓬勃的發展。尤其是高傾角輸送線路的設計計算理論能夠通用化[1]，使得傳統的帶式輸送機具有更大的適用性和更廣泛的應用前景。但是傳統的輸送系統的理論基礎都是基于靜態剛體理論的，他們僅考慮了平穩的工況下的輸送機的運行狀況，這對于高傾角帶式輸送機設計是不可行的，因為高傾角的輸送機的下運送帶的制動力和上輸送帶的啟動力都很大，若在高傾角的輸送機設計中不考慮這兩種工況，則該設計不適應高傾角帶式輸送機的應用環境。

本文高傾角帶式輸送機的動態分析，主要就是結合高傾角輸送機的動力特征，分析他在機起制動和運行工況中的動力模型，為設計者提供合理的理論依據，實現可靠、安全的高傾角輸送機的設計，這具有重要的實際應用價值和工程意義。

1 高傾角膠帶輸送機的發展現狀

為了實現在復雜的輸送環境中使用高傾角膠帶輸送方案，國內外很多專家都進行了很深入的研究。其中，日本研制出了壓帶式的高傾角膠帶輸送機，該設備增加了壓緊輸送帶，增加了帶與傳送軸之間磨損，能耗較大，并且設計結果也比較復雜，只能勉強用于短距離的小傾角。美國曾研制出了一款管狀帶式高傾角輸送機，該設計也僅能用于小傾角，當角度大于60°的場合[2]，管狀帶式輸送機中間要架設特殊設計的中間架，并要求增加一定數量的托輥和導輪。該設備對送料的要求較高，裝載點比較單一，不利于多種場合的靈活應用。

我國對高傾角膠帶輸送機研究較早的有20世紀80年代的太遠重型機械學院提出的基于粘彈性模型建立的帶式輸送機的整體模型[3]，對拉緊狀態下的啟動張力的動態過程進行了計算機仿真分析，同時給出了膠帶式輸送機的動態參數的測試方法。

遼寧工程技術大學的研究者對膠帶式輸送機的動態過程進行了系統建模，通過研究設備的力學原理和動態模型，分析了段帶過程中的動力學問題。基于此，研究則提出了膠帶式輸送機的橫向震動的理論分析和穩定性條件。并且深入研究了膠帶式輸送機的間距等參數與速度、托輥直徑、張力對輸送帶橫向振動與穩定性的影響，并提出了避免共振的設計方案[4]。

東北大學教授在帶式輸送機的驅動和拉近裝置以及輸送機的整個運動過程進行了數學建模，提出了多驅動系統算法，仿真了啟動與統計[5]過程，據此設計出了人型帶式輸送機通用動態分析軟件。

與國外相比，高傾角膠帶輸送裝置的設計和研究的差別主要體現在技術性能上，我國的高傾角膠帶輸送機的研究較晚，目前研究的普通帶式輸送機已經不能滿足高效運輸的要求，為此研究高傾角膠帶輸送機的動態模型，并據此設計出能應用到高傾角輸送要求環境設備已成為一個很有意義的課題。

2 高傾角膠帶輸送機的基本結構和力學特點

高傾角帶式輸送機主要應用于長距離或高差較大的礦上原料輸送，高傾角帶式輸送機的主要組成部件與這些部件的作用[6]如下。

1）波狀擋邊輸送帶。承載輸送中的輸送物質。在普通膠帶輸送機的平型帶的兩側加上波狀擋邊，相比于普通的輸送機的帶體具有更大的橫向剛度，當輸送機壓過滾筒在反面向回傳送時，擋邊可以自由壓縮和伸張，以實用于不同形狀的幾何應用。

2）驅動裝置。是輸送機中的動力部分，由電機、減速器、逆止器、傳動滾筒等組成。其中傳動滾筒式是動力傳遞的主要部件，傳動滾筒利用摩擦力帶動輸送機帶運動。

3）改向滾筒、壓帶輪。改變輸送帶運行的方向。

4）托輥。托輥支撐輸送機上承載的物料，保證其能穩定

傳輸。

5）拉緊裝置。在物料傳送的過程中拉緊裝置保證輸送帶和傳動滾筒間不打滑，限制輸送帶在各支承間的垂度，使輸送機正常運轉。

6）跑偏檢測裝置。檢測皮帶運轉狀態的跑偏情況，在跑偏量異常時報警或停機。

7）打滑檢測裝置。通過檢測輸送膠帶和傳動滾筒之間的速度差，執行相應的動作。如：報警、自動張緊輸送帶或正常停機。

8）雙向拉繩開關。用于沿線緊急停機時的制動。

3 高傾角膠帶輸送機的力學特性

3.1 高傾角膠帶輸送機的靜態特性[7]

取一段輸送帶，慢慢地給其加上載荷，得到的載荷壓力與應變力的關系為輸送帶的靜態特性。已知靜力彈性模量為，力與應力之間的關系式可以表示為。同時存在下列關系式。

3.2 高傾角膠帶輸送機的動態特性

根據上面的分析，高傾角膠帶式輸送模型是一個復雜的模型，各個方向上的特性差異較大，那么膠帶式輸送帶在載荷壓力作用下的動力特性也是復雜的，并不是簡單的線性關系。具體的特性如下。

1）非線性特性。由上式分析得出載荷壓力與應變力不服從胡可定律，動態彈性模量是關于應力的表達式。

2）滯后性。膠帶輸送機的試壓載荷與應力載荷在時間上是不一致的，應力載荷相對滯后，這就是輸送機的滯后性。經驗發現長久使用的膠式輸送帶比新的輸送帶的該特征要明顯，長久使用的輸送帶該特性會穩定下來。

3）蠕變特性。該特性描述的是載荷的應變力與時間的一個關系，在載荷恒力的作用下，應變力隨時間成對數特性，慢慢趨近恒定值。endprint

4）松弛特性。該特性也同樣描述的是載荷壓力與時間的關系，當輸送帶拉伸到一定的長度后，該形變保持不變，即輸送帶的長度不變，此時測得的應力逐漸變小。

5）頻率特性。通過實驗得出輸送帶施加的載荷的應力與頻率之間呈現一定的關系，頻率越高，相應的應力也越大。

4 高傾角膠帶輸送機動態分析方法

高傾角膠帶輸送機的啟動過程的設計是該輸送帶設計的重要內容，各個受力過程都是在該過程中達到最大，所以目前對高傾角膠帶輸送機的啟動過程的動態分析已經成為一個至關重要的話題。

標準的設計主要都是把設備的輸送帶看成一種剛體進行動力學分析，這種設計分析方法只能滿足小型的短距離的工程應用。顯然對于大型的長距離的工程環境這種設計思想完全不能滿足需求，因而對大型的應用場景中必須要采用精確的動態過程的力學分析方法。

高傾角膠帶輸送機與普通的帶式輸送機不同，它是一個復雜的機電系統，其啟動過程涉及到力學性質，阻力，驅動裝置制、動裝置的力學特性等大量因素。其中最主要的是啟動過程總的平衡過程，啟動與制動的連續模型方程，輸送機的粘彈性模型。而對粘彈性模型的動態力學分析方法主要有解析法，數值解法和邊界。要想對如此的復雜過程進行完整的求解幾乎是不可能的，目前主要的研究方法是對高傾角輸送機的動態模型都是采用的簡化模型來分析模型的固有特性。采用比較理想的模型進行分析求解，在實際工程中都采用輸送帶的連續離散模型進行差分方程的求解。

5 高傾膠帶輸送機的動力學模型

本文提出一種高傾膠帶輸送機的動態力學模型，通過該模型可以分析該系統的各個動態參數。

因為高傾膠帶輸送機上載荷的隨機性，所以該簡化的力學模型[9]屬于一個非線性的離散的震動系統，在分析過程中可以對動態特性進行如下假設。

6.2 工程應用

通過高傾角膠帶輸送機的動態分析可以為系統的設計和工程應用中提供正確的參數值。采用高傾角膠帶輸送機的動態模型分析方法對礦產進行長距離運輸系統的分析，可以準確的設計輸送系統的安全系數，降低了輸送機系統的設備投資，提高了輸送機系統的控制回路的控制精度，合理設計大角度和長距離的功率，并且可以對系統的各個零部件強度進行設計，帶來了明顯的經濟效益。

參考文獻

[1]王建州，許言威.白坪東翼大巷帶式輸送機日產萬噸提能改造[J].煤礦機械，2014（04）.

[2]王愛兵，鄭紅滿，朱維勝，等.大傾角上運帶式輸送機起動過程的動態分析[J].煤礦機械，2008（03）.

[3]陳玨，戴建立.長距離帶式輸送機動態分析的發展現狀[J].煤礦機電，2003（01）.

[4]于學武.大傾角帶式輸送機在煤礦窄巷道的延長改造[J].起重運輸機械，2006（11）.

[5]王新偉，胡志超.大傾角上運帶式輸送機的研制[J].礦山機械，2005（06）.

[6]李光布.帶式輸送機系統固有特性的研究[J].起重運輸機械，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，楊汝清.Study on conveyor natural frequency and time intervalfor switching off resistances[J].Journal of Harbin Institute of Technology. 2004（06）.

[9]李玉瑾.帶式輸送機的動態特性研究及應用[J].起重運輸機械，2000（12）.endprint

4）松弛特性。該特性也同樣描述的是載荷壓力與時間的關系，當輸送帶拉伸到一定的長度后，該形變保持不變，即輸送帶的長度不變，此時測得的應力逐漸變小。

5）頻率特性。通過實驗得出輸送帶施加的載荷的應力與頻率之間呈現一定的關系，頻率越高，相應的應力也越大。

4 高傾角膠帶輸送機動態分析方法

高傾角膠帶輸送機的啟動過程的設計是該輸送帶設計的重要內容，各個受力過程都是在該過程中達到最大，所以目前對高傾角膠帶輸送機的啟動過程的動態分析已經成為一個至關重要的話題。

標準的設計主要都是把設備的輸送帶看成一種剛體進行動力學分析，這種設計分析方法只能滿足小型的短距離的工程應用。顯然對于大型的長距離的工程環境這種設計思想完全不能滿足需求，因而對大型的應用場景中必須要采用精確的動態過程的力學分析方法。

高傾角膠帶輸送機與普通的帶式輸送機不同，它是一個復雜的機電系統，其啟動過程涉及到力學性質，阻力，驅動裝置制、動裝置的力學特性等大量因素。其中最主要的是啟動過程總的平衡過程，啟動與制動的連續模型方程，輸送機的粘彈性模型。而對粘彈性模型的動態力學分析方法主要有解析法，數值解法和邊界。要想對如此的復雜過程進行完整的求解幾乎是不可能的，目前主要的研究方法是對高傾角輸送機的動態模型都是采用的簡化模型來分析模型的固有特性。采用比較理想的模型進行分析求解，在實際工程中都采用輸送帶的連續離散模型進行差分方程的求解。

5 高傾膠帶輸送機的動力學模型

本文提出一種高傾膠帶輸送機的動態力學模型，通過該模型可以分析該系統的各個動態參數。

因為高傾膠帶輸送機上載荷的隨機性，所以該簡化的力學模型[9]屬于一個非線性的離散的震動系統，在分析過程中可以對動態特性進行如下假設。

6.2 工程應用

通過高傾角膠帶輸送機的動態分析可以為系統的設計和工程應用中提供正確的參數值。采用高傾角膠帶輸送機的動態模型分析方法對礦產進行長距離運輸系統的分析，可以準確的設計輸送系統的安全系數，降低了輸送機系統的設備投資，提高了輸送機系統的控制回路的控制精度，合理設計大角度和長距離的功率，并且可以對系統的各個零部件強度進行設計，帶來了明顯的經濟效益。

參考文獻

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[6]李光布.帶式輸送機系統固有特性的研究[J].起重運輸機械，2005（12）.

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

[9]李玉瑾.帶式輸送機的動態特性研究及應用[J].起重運輸機械，2000（12）.endprint

4）松弛特性。該特性也同樣描述的是載荷壓力與時間的關系，當輸送帶拉伸到一定的長度后，該形變保持不變，即輸送帶的長度不變，此時測得的應力逐漸變小。

5）頻率特性。通過實驗得出輸送帶施加的載荷的應力與頻率之間呈現一定的關系，頻率越高，相應的應力也越大。

4 高傾角膠帶輸送機動態分析方法

高傾角膠帶輸送機的啟動過程的設計是該輸送帶設計的重要內容，各個受力過程都是在該過程中達到最大，所以目前對高傾角膠帶輸送機的啟動過程的動態分析已經成為一個至關重要的話題。

標準的設計主要都是把設備的輸送帶看成一種剛體進行動力學分析，這種設計分析方法只能滿足小型的短距離的工程應用。顯然對于大型的長距離的工程環境這種設計思想完全不能滿足需求，因而對大型的應用場景中必須要采用精確的動態過程的力學分析方法。

高傾角膠帶輸送機與普通的帶式輸送機不同，它是一個復雜的機電系統，其啟動過程涉及到力學性質，阻力，驅動裝置制、動裝置的力學特性等大量因素。其中最主要的是啟動過程總的平衡過程，啟動與制動的連續模型方程，輸送機的粘彈性模型。而對粘彈性模型的動態力學分析方法主要有解析法，數值解法和邊界。要想對如此的復雜過程進行完整的求解幾乎是不可能的，目前主要的研究方法是對高傾角輸送機的動態模型都是采用的簡化模型來分析模型的固有特性。采用比較理想的模型進行分析求解，在實際工程中都采用輸送帶的連續離散模型進行差分方程的求解。

5 高傾膠帶輸送機的動力學模型

本文提出一種高傾膠帶輸送機的動態力學模型，通過該模型可以分析該系統的各個動態參數。

因為高傾膠帶輸送機上載荷的隨機性，所以該簡化的力學模型[9]屬于一個非線性的離散的震動系統，在分析過程中可以對動態特性進行如下假設。

6.2 工程應用

通過高傾角膠帶輸送機的動態分析可以為系統的設計和工程應用中提供正確的參數值。采用高傾角膠帶輸送機的動態模型分析方法對礦產進行長距離運輸系統的分析，可以準確的設計輸送系統的安全系數，降低了輸送機系統的設備投資，提高了輸送機系統的控制回路的控制精度，合理設計大角度和長距離的功率，并且可以對系統的各個零部件強度進行設計，帶來了明顯的經濟效益。

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[9]李玉瑾.帶式輸送機的動態特性研究及應用[J].起重運輸機械，2000（12）.endprint