帶式輸送機張緊力學分析

閆旭

摘 要：帶式輸送機是煤礦生產中應用比較廣泛的一種運輸設備，而膠帶機的力學分析是膠帶機設計開發的基礎，通過力學分析可確定膠帶機的運行阻力、驅動功率、張緊力、張緊功率等核心參數，本文主要是通過力學分析來研究膠帶機各種狀態下的張緊力的變化情況。

關鍵詞：膠帶；啟停；張緊；力學

1 概述

隨著可伸縮帶式輸送機在生產中得到了廣泛的應用，其長度及運量也逐步增加，膠帶機的運行阻力、啟動慣性也大幅提升，因此膠帶機張緊裝置的選型及控制將面臨更大的挑戰，因此從帶傳動理論力學上分析膠帶機張緊，才能使其得到更加合理的應用。下文將對膠帶輸送機啟動過程的力學進行分析。

2 輸送帶的力學特性

在整個帶式輸送機系統中，輸送帶扮演著關鍵角色。首先，從經濟的角度看，大約整個系統一半的費用會花費在輸送帶上。再從功能的角度看，整個輸送帶既是承載體，又是傳動體。在運行過程中，各種不同性質、不同大小的負荷加載到輸送帶上，其應力狀態難以想象的復雜。因此，對輸送帶力學特性的研究也成為該系統建模不可或缺的一部分。輸送帶種類繁多，在實際的項目中，輸送帶主要分為織物芯輸送帶和鋼絲繩芯輸送帶兩大類。不論是何種材質的輸送帶，他們本質上都是由輸送帶母體和縱向的承載芯質物粘合而成的復合體。織物芯輸送帶主要是由帶芯材料和橡膠復合而成；而鋼絲繩芯輸送帶主要是由鋼絲繩和橡膠組成的。目前，對于長運距、高速度、大運量的帶式輸送機系統主要還是采用鋼絲繩芯輸送帶，當它受到外部作用力時，不僅具有鋼絲繩的彈性，而且還能呈現出橡膠的非線性，這種復雜的力學特性稱之為粘彈性。所以，在建立帶式輸送機系統的數學模型并對其進行動態特性的分析之前，必須對輸送帶的動力學模型進行研究分析。如果輸送帶的粘彈性力學模型不能準確的建立，很難保證在其基礎上進一步所建的帶式輸送機系統的模型能很好地反映實際的運行情況，也不能確定是否能對其進行準確、可靠的系統分析。

帶式輸送機發展的方向是長距離、重負荷、高帶速，在此背景下，帶式輸送機啟動過程的動張力問題成為一項值得研究的課題。為了保證帶式輸送機平穩啟動、安全運行，有必要對系統啟動過程進行計算分析。

3 膠帶機張力計算分析

3.1 基本參數

3.2 圓周驅動力計算

FU=C·FH+FS1+FS2+FSt

式中C：與輸送機長度有關的系數

（1）主要阻力FH（重段+空段）

FH=f*L*g[qR0+qRu+（2qB+qG）cosδ]

f：模擬摩檫系數，由《DTⅡ手冊》表3-6，取f=0.02

（2）主要特種阻力FS1：包括托輥前傾阻力和導料槽欄板的摩擦阻力。

（3）附加特種阻力FS2：包括輸送帶清掃器摩擦阻力和犁式卸料器摩擦阻力。

（4）傾斜阻力FSt：是膠帶機向上提升時卸載點與上料點的高度差產生的阻力，FSt=qg*g*H：H

3.3 膠帶機繞帶及各點張力示意圖（圖1）

3.4 膠帶機張緊力計算

（1）最小張力

輸送機正常運行，需要合適的張緊力才能為輸帶和滾筒提供足夠的摩擦力，從而使輸送帶在啟動加速以及運行時不會出現打滑現象，張盡力越大為驅動滾筒和帶面提供的摩擦力就越大，但是張力太大需要提高輸送帶的強度、提高整機運行阻力、提高張緊沖擊力，因此會造成整機設計浪費及安全隱患，因此如何確定輸送帶的最小張緊力成為輸送機設計的關鍵。由上圖可看出，張力分離點S6是膠帶機最小張力點，S6點張力的大小決定了膠帶機是否有足夠的摩擦力。

輸送帶不打滑條件公式：

Fmin≥FUmax/eμα-1=kA*FU/eμα-1

以雙滾筒傳動為例，其圍包角通常設計角度為α1=α2=210°摩擦系數在煤礦條件下通常取值μ=0.30，因此可計算出eμ（α1+α2）=9.01，膠帶機布置簡圖S6點為最小張力點。

故：F6min≥FUmax/eμ（α1+α2）-1=FUmax/9.01-1

FUmax是膠帶機的圓周驅動力，以綜采順槽膠帶機為例，輸送長度L=3000m，帶寬B=1.4m，運量Q=3000t，帶速4m/s，提升高度H=20M，通過以上參數及查參數表可計算出，其圓周驅動力FUmax可達250KN以上。

F6min≥FUmax/eμα-1=250/9.01-1=31.3KN

（2）膠帶下垂度校核

為了限制輸送帶在兩組托輥之間的下垂度，作用在輸送帶上任意一點的最小張力Fmin，需要下垂度校驗：

承載分支Fmin≥a0（qB+qG）g/8×i注：qB為每米輸送帶質量，qG為每米貨物重量，i為下垂系數通常取值0.01

∴Fmin≥1.5×（27+208）×9.81/0.08=43181N>31.3K

由此可知，最小張力點F6min在滿足不打滑條件的情況下不能滿足承載分支下垂度要求。

回程分支Fmin≥auqBg/0.08

=3×27×9.81/0.08=9932N<31.3KN

綜上可知：F6min在滿足不打滑條件的情況下，承載分支不能滿足下垂度要求，而回程分支能滿足膠帶下垂度要求，故需重新選取F6min=43181（N）

也就是說通過張緊絞車對皮帶機實施的張緊力，傳遞到S6點時的張力應至少在31.3KN以上才可保證滾筒與帶面不發生打滑現象，同時為了滿足下垂條件其膠帶機的最小張力值提升到43KN（啟動張力需要乘啟動系數）但煤礦在用順槽膠帶機通常情況下張力值已經設置在45KN以上卻依然出現打滑現象，產生此情況的原因較多，將在下文進行分析。endprint

4 膠帶的張緊力動態分析

靜態計算設計中通常將膠帶作為一個剛性結構進行研究，這顯然不是一個正確的方向。因為膠帶的主要材料是橡膠鋼絲繩芯或織物內芯構成，在其承受外力的時候，呈現為負責的動力特性，即其應變的情形不但與加載的力有關，而且與應力作用的時間、頻率、外界溫度、材料性質有關系。因為在不同的工況和溫度條件下，橡膠本身存在著多變性。具體表現為以下幾點：

（1）應力的非線性在運行中，膠帶受到的是緩慢的作用拉力，拉力和變形不完全符合虎克定律，而是出現一種非線性的狀態，因此在研究中發現膠帶的彈性模量不是一個固定的數值，而是一個應力函數。

（2）運動滯后性當膠帶輸送機運行時，給膠帶外加作用力或減少作用力的時候，膠帶的應力和應力變化曲線是不重合的，從理論上看這是一種粘彈特性的體現，實際上看就是一種對驅動反應滯后的情況。即輸送機的電機給出調整信號的時候，膠帶的反應是相對滯后的。

（3）膠帶蠕變膠帶的蠕變性質主要是指膠帶在承受作用力相對穩定的時候，其變形量由時間決定。實際就是在膠帶運輸載荷不變的情況下，隨著運輸時間的增加，膠帶仍會產生一定量的變形，這種變形緩慢的趨向一個定值。

（4）膠帶的松弛在工作中，膠帶被施加一個常態的應變力時，皮帶的拉伸應力會隨著時間的增加而逐漸減小，最后趨于一個定值。

（5）膠帶的動態性質皮帶在工作的過程中，在拉力的作用下會產生形變，而這種形變不僅與施加的壓力有關，還會受到作用時間和變化頻率的影響。因此是一種動態化的改變過程，會在某個時間段相對穩定，但隨后將繼續變化。

通過以上幾點分析，可以判斷出膠帶機在啟動-運行-停止三種狀態下皮帶的動態特性會有明顯的不同，動態分析如下：

圖2 膠帶機受力簡圖

啟動時，張緊裝置先進行預張緊，使膠帶機最小張力點張力達到額定值后啟動膠帶機，由（圖2）可知當膠帶機啟動時，在驅動力FU的作用下膠帶機上帶面向下帶面傳輸，如前文分析知，輸送帶將發生彈性形變，帶面處于拉伸狀態，在啟動的前一段時間內，機頭帶面向儲帶倉傳輸，而機尾帶面此時并沒有發生位移，因此輸送帶拉長的部分都傳向儲帶倉，直到機尾帶面的速度與機頭同步時整個帶面趨于穩定，不再繼續伸長。在這一階段由于儲帶倉積蓄帶面，所以張緊力F此時會有較大幅度的下降，需要張緊裝置在此時提供持續的張緊力，才能保證皮帶在啟動階段不出現打滑，為避免張力下降過快及減少張緊電機啟動次數，通常膠帶機啟動時最小張緊力要乘以啟動系數A，取值在（1.2-1.5）之間。

運行時，輸送帶的動態特性已經趨于穩定，只要通過張緊裝置為膠帶機提供額定張緊力即可滿足不打滑條件。

停機時，膠帶機運行狀態由運行到停止，驅動滾筒施加在帶面上的圓周驅動力FU突然降至0，并處于自由狀態，因此帶面由緊繃到松弛，驅動滾筒驅入點和奔離點張力平衡，由此可知S6點張力為：

以3000m順槽膠帶機為例：

此張力值是額定值的3.3倍

因此，停機時膠帶機張緊裝置應該及時釋放張力，以降低停機時對低張力區的沖擊，使用單位在選擇張緊控制系統時應該注意減速器、制動器等設備的選型，張緊力的釋放方式，以及系統突然斷電后是否可以持續釋放停機張力，若不能釋放停機張力很容易造成鋼絲繩拉斷、制動器磨損、減速器損壞、游動小車飛車、卷筒短軸等現象。

5 結束語

綜上所述，在膠帶機得到廣泛應用的今天，對其力學特性及其功能的掌握變得愈發重要，了解力學特性能夠更好的掌握其工作的性能，使其在生產中得到更好的應用，提高運輸效率的同時保障安全生產。

參考文獻

[1]楊漢彬.帶式輸送機啟動過程動力學行為研究[J].煤礦機電，2013（2）：166-168.

[2]孟廣雄.膠帶輸送機膠帶跑偏的原因與力學分析[J].露天采礦技術，2012（4）：243-247.

[3]曹福凱.大型膠帶輸送機啟動過程動態特性仿真分析[J].科技與企業，2013（9）：110-115.

[4]張尊敬.帶式輸送機設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，2003.endprint

4 膠帶的張緊力動態分析

靜態計算設計中通常將膠帶作為一個剛性結構進行研究，這顯然不是一個正確的方向。因為膠帶的主要材料是橡膠鋼絲繩芯或織物內芯構成，在其承受外力的時候，呈現為負責的動力特性，即其應變的情形不但與加載的力有關，而且與應力作用的時間、頻率、外界溫度、材料性質有關系。因為在不同的工況和溫度條件下，橡膠本身存在著多變性。具體表現為以下幾點：

（1）應力的非線性在運行中，膠帶受到的是緩慢的作用拉力，拉力和變形不完全符合虎克定律，而是出現一種非線性的狀態，因此在研究中發現膠帶的彈性模量不是一個固定的數值，而是一個應力函數。

（2）運動滯后性當膠帶輸送機運行時，給膠帶外加作用力或減少作用力的時候，膠帶的應力和應力變化曲線是不重合的，從理論上看這是一種粘彈特性的體現，實際上看就是一種對驅動反應滯后的情況。即輸送機的電機給出調整信號的時候，膠帶的反應是相對滯后的。

（3）膠帶蠕變膠帶的蠕變性質主要是指膠帶在承受作用力相對穩定的時候，其變形量由時間決定。實際就是在膠帶運輸載荷不變的情況下，隨著運輸時間的增加，膠帶仍會產生一定量的變形，這種變形緩慢的趨向一個定值。

（4）膠帶的松弛在工作中，膠帶被施加一個常態的應變力時，皮帶的拉伸應力會隨著時間的增加而逐漸減小，最后趨于一個定值。

（5）膠帶的動態性質皮帶在工作的過程中，在拉力的作用下會產生形變，而這種形變不僅與施加的壓力有關，還會受到作用時間和變化頻率的影響。因此是一種動態化的改變過程，會在某個時間段相對穩定，但隨后將繼續變化。

通過以上幾點分析，可以判斷出膠帶機在啟動-運行-停止三種狀態下皮帶的動態特性會有明顯的不同，動態分析如下：

圖2 膠帶機受力簡圖

啟動時，張緊裝置先進行預張緊，使膠帶機最小張力點張力達到額定值后啟動膠帶機，由（圖2）可知當膠帶機啟動時，在驅動力FU的作用下膠帶機上帶面向下帶面傳輸，如前文分析知，輸送帶將發生彈性形變，帶面處于拉伸狀態，在啟動的前一段時間內，機頭帶面向儲帶倉傳輸，而機尾帶面此時并沒有發生位移，因此輸送帶拉長的部分都傳向儲帶倉，直到機尾帶面的速度與機頭同步時整個帶面趨于穩定，不再繼續伸長。在這一階段由于儲帶倉積蓄帶面，所以張緊力F此時會有較大幅度的下降，需要張緊裝置在此時提供持續的張緊力，才能保證皮帶在啟動階段不出現打滑，為避免張力下降過快及減少張緊電機啟動次數，通常膠帶機啟動時最小張緊力要乘以啟動系數A，取值在（1.2-1.5）之間。

運行時，輸送帶的動態特性已經趨于穩定，只要通過張緊裝置為膠帶機提供額定張緊力即可滿足不打滑條件。

停機時，膠帶機運行狀態由運行到停止，驅動滾筒施加在帶面上的圓周驅動力FU突然降至0，并處于自由狀態，因此帶面由緊繃到松弛，驅動滾筒驅入點和奔離點張力平衡，由此可知S6點張力為：

以3000m順槽膠帶機為例：

此張力值是額定值的3.3倍

因此，停機時膠帶機張緊裝置應該及時釋放張力，以降低停機時對低張力區的沖擊，使用單位在選擇張緊控制系統時應該注意減速器、制動器等設備的選型，張緊力的釋放方式，以及系統突然斷電后是否可以持續釋放停機張力，若不能釋放停機張力很容易造成鋼絲繩拉斷、制動器磨損、減速器損壞、游動小車飛車、卷筒短軸等現象。

5 結束語

綜上所述，在膠帶機得到廣泛應用的今天，對其力學特性及其功能的掌握變得愈發重要，了解力學特性能夠更好的掌握其工作的性能，使其在生產中得到更好的應用，提高運輸效率的同時保障安全生產。

參考文獻

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[2]孟廣雄.膠帶輸送機膠帶跑偏的原因與力學分析[J].露天采礦技術，2012（4）：243-247.

[3]曹福凱.大型膠帶輸送機啟動過程動態特性仿真分析[J].科技與企業，2013（9）：110-115.

[4]張尊敬.帶式輸送機設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，2003.endprint

4 膠帶的張緊力動態分析

靜態計算設計中通常將膠帶作為一個剛性結構進行研究，這顯然不是一個正確的方向。因為膠帶的主要材料是橡膠鋼絲繩芯或織物內芯構成，在其承受外力的時候，呈現為負責的動力特性，即其應變的情形不但與加載的力有關，而且與應力作用的時間、頻率、外界溫度、材料性質有關系。因為在不同的工況和溫度條件下，橡膠本身存在著多變性。具體表現為以下幾點：

（1）應力的非線性在運行中，膠帶受到的是緩慢的作用拉力，拉力和變形不完全符合虎克定律，而是出現一種非線性的狀態，因此在研究中發現膠帶的彈性模量不是一個固定的數值，而是一個應力函數。

（2）運動滯后性當膠帶輸送機運行時，給膠帶外加作用力或減少作用力的時候，膠帶的應力和應力變化曲線是不重合的，從理論上看這是一種粘彈特性的體現，實際上看就是一種對驅動反應滯后的情況。即輸送機的電機給出調整信號的時候，膠帶的反應是相對滯后的。

（3）膠帶蠕變膠帶的蠕變性質主要是指膠帶在承受作用力相對穩定的時候，其變形量由時間決定。實際就是在膠帶運輸載荷不變的情況下，隨著運輸時間的增加，膠帶仍會產生一定量的變形，這種變形緩慢的趨向一個定值。

（4）膠帶的松弛在工作中，膠帶被施加一個常態的應變力時，皮帶的拉伸應力會隨著時間的增加而逐漸減小，最后趨于一個定值。

（5）膠帶的動態性質皮帶在工作的過程中，在拉力的作用下會產生形變，而這種形變不僅與施加的壓力有關，還會受到作用時間和變化頻率的影響。因此是一種動態化的改變過程，會在某個時間段相對穩定，但隨后將繼續變化。

通過以上幾點分析，可以判斷出膠帶機在啟動-運行-停止三種狀態下皮帶的動態特性會有明顯的不同，動態分析如下：

圖2 膠帶機受力簡圖

啟動時，張緊裝置先進行預張緊，使膠帶機最小張力點張力達到額定值后啟動膠帶機，由（圖2）可知當膠帶機啟動時，在驅動力FU的作用下膠帶機上帶面向下帶面傳輸，如前文分析知，輸送帶將發生彈性形變，帶面處于拉伸狀態，在啟動的前一段時間內，機頭帶面向儲帶倉傳輸，而機尾帶面此時并沒有發生位移，因此輸送帶拉長的部分都傳向儲帶倉，直到機尾帶面的速度與機頭同步時整個帶面趨于穩定，不再繼續伸長。在這一階段由于儲帶倉積蓄帶面，所以張緊力F此時會有較大幅度的下降，需要張緊裝置在此時提供持續的張緊力，才能保證皮帶在啟動階段不出現打滑，為避免張力下降過快及減少張緊電機啟動次數，通常膠帶機啟動時最小張緊力要乘以啟動系數A，取值在（1.2-1.5）之間。

運行時，輸送帶的動態特性已經趨于穩定，只要通過張緊裝置為膠帶機提供額定張緊力即可滿足不打滑條件。

停機時，膠帶機運行狀態由運行到停止，驅動滾筒施加在帶面上的圓周驅動力FU突然降至0，并處于自由狀態，因此帶面由緊繃到松弛，驅動滾筒驅入點和奔離點張力平衡，由此可知S6點張力為：

以3000m順槽膠帶機為例：

此張力值是額定值的3.3倍

因此，停機時膠帶機張緊裝置應該及時釋放張力，以降低停機時對低張力區的沖擊，使用單位在選擇張緊控制系統時應該注意減速器、制動器等設備的選型，張緊力的釋放方式，以及系統突然斷電后是否可以持續釋放停機張力，若不能釋放停機張力很容易造成鋼絲繩拉斷、制動器磨損、減速器損壞、游動小車飛車、卷筒短軸等現象。

5 結束語

綜上所述，在膠帶機得到廣泛應用的今天，對其力學特性及其功能的掌握變得愈發重要，了解力學特性能夠更好的掌握其工作的性能，使其在生產中得到更好的應用，提高運輸效率的同時保障安全生產。

參考文獻

[1]楊漢彬.帶式輸送機啟動過程動力學行為研究[J].煤礦機電，2013（2）：166-168.

[2]孟廣雄.膠帶輸送機膠帶跑偏的原因與力學分析[J].露天采礦技術，2012（4）：243-247.

[3]曹福凱.大型膠帶輸送機啟動過程動態特性仿真分析[J].科技與企業，2013（9）：110-115.

[4]張尊敬.帶式輸送機設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，2003.endprint