M212帶式輸送機(jī)不同啟動(dòng)狀態(tài)的仿真分析

吳 鵬

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)靈北煤礦)

由于M212帶式輸送機(jī)設(shè)備老舊，采用直接啟動(dòng)方式對(duì)其進(jìn)行啟動(dòng)，與新式輸送機(jī)設(shè)備采用的CST變頻啟動(dòng)方式相比，存在動(dòng)張力與驅(qū)動(dòng)力矩過(guò)大等問(wèn)題，易造成系統(tǒng)工作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)斷帶、跑偏、縱撕等安全事故[1-4]。帶式輸送系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要影響因素為啟動(dòng)方式、啟動(dòng)時(shí)間及啟動(dòng)速度[5-8]。本研究分別對(duì)上述因素對(duì)M212帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行了分析。

1 不同啟動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性

M212帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)速度為2.5 m/s，驅(qū)動(dòng)滾筒直徑為500 mm，驅(qū)動(dòng)滾筒需施加的角速度為5 rad/s，啟動(dòng)加速時(shí)間為5 s。M212帶式輸送機(jī)采用直接啟動(dòng)方式，加速度最大值較大，而且具有突變性，使得帶式輸送機(jī)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力和沖擊載荷，使輸送機(jī)各部件壽命降低。本研究采用4種啟動(dòng)方式(Harrison方式、Nordell方式、恒加速度方式以及S型方式[9-11])對(duì)M212虛擬樣機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，在Recur Dyn軟件中對(duì)不同啟動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。分析圖1、圖2可知：Nordell方式、Harrison方式的速度曲線非常接近；Harrison方式的加速度變化較緩慢，最大加速度較Nordell方式小；S型方式在啟動(dòng)開(kāi)始階段增加了1 s預(yù)啟動(dòng)時(shí)間，其速度曲線通過(guò)STEP函數(shù)進(jìn)行插值擬合而成。

圖1 4種啟動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的角速度曲線

圖2 4種啟動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的角加速度曲線

M212帶式輸送機(jī)在4種不同啟動(dòng)方式下的動(dòng)張力曲線如圖3所示。分析圖3可知：4種啟動(dòng)方式中Harrison方式對(duì)應(yīng)的動(dòng)張力峰值最大，達(dá)到20 599.15 N，該啟動(dòng)方式會(huì)對(duì)輸送機(jī)產(chǎn)生一定的沖擊作用，故不宜采用；相對(duì)于Harrison方式，Nordell方式動(dòng)張力峰值較小，僅為19 705.82 N；S型方式的動(dòng)張力峰值為19 038.89 N，為4種方式中動(dòng)張力峰值最小的，且動(dòng)張力峰值出現(xiàn)于2.35 s時(shí)間點(diǎn)，相對(duì)于其余3種方式動(dòng)張力峰值變化緩慢，對(duì)輸送機(jī)產(chǎn)生的沖擊作用較小，此外，該方式還提供了預(yù)啟動(dòng)階段，使得帶式輸送機(jī)有一個(gè)預(yù)緊的階段，具有改善動(dòng)張力瞬時(shí)變化過(guò)大的優(yōu)點(diǎn)[12]。

圖3 4種啟動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的動(dòng)張力 曲線

如圖4所示，當(dāng)以5 rad/s的角速度對(duì)輸送機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，在0.9 s時(shí)動(dòng)張力峰值達(dá)到20 046.05 N，與S型方式相比，動(dòng)張力瞬時(shí)達(dá)到峰值對(duì)輸送機(jī)的沖擊非常大。上述分析表明：?jiǎn)?dòng)方式的選擇對(duì)于帶式輸送機(jī)的動(dòng)張力有較大影響，選擇合理的啟動(dòng)方式有助于降低動(dòng)載荷峰值，確保輸送機(jī)在啟動(dòng)、制動(dòng)階段更為平穩(wěn)。

圖4 直接啟動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的動(dòng)張力

2 不同啟動(dòng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性

2.1 預(yù)啟動(dòng)時(shí)間對(duì)輸送機(jī)動(dòng)張力峰值的影響

采用S型方式，分別設(shè)定預(yù)啟動(dòng)時(shí)間為1，5，10 s 對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)。由圖5可知：預(yù)啟動(dòng)時(shí)間為1 s時(shí)，動(dòng)張力峰值出現(xiàn)較早，在2.35 s時(shí)便達(dá)到19 038.89 N；預(yù)啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置為5 s時(shí)，輸送機(jī)的最大動(dòng)張力(16 289.83 N)出現(xiàn)在4.85 s；將預(yù)啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置為10 s時(shí)，最大動(dòng)張力(10 340.54 N)出現(xiàn)在8.2 s。分析表明：在輸送機(jī)啟動(dòng)方式及啟動(dòng)時(shí)間一定的情況下，增加預(yù)啟動(dòng)時(shí)間對(duì)于降低輸送機(jī)啟動(dòng)階段的最大動(dòng)張力具有較明顯的作用。

2.2 啟動(dòng)階段加速時(shí)間對(duì)輸送機(jī)動(dòng)張力峰值的影響

輸送機(jī)在啟動(dòng)階段需經(jīng)過(guò)1個(gè)加速階段方可達(dá)到預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行速度。分別采用4種不同的加速時(shí)間(3，10，15，20 s)進(jìn)行仿真研究，分析不同加速時(shí)間對(duì)輸送機(jī)動(dòng)張力峰值的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。分析該圖可知：加速時(shí)間為3 s時(shí)的動(dòng)張力峰值為18 801.77 N，加速時(shí)間增大至20 s時(shí)的動(dòng)張力峰值下降至7 447.03 N，可見(jiàn)增加加速時(shí)間對(duì)于降低輸送機(jī)啟動(dòng)階段的動(dòng)張力峰值作用較大。

圖5 3種預(yù)啟動(dòng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的動(dòng)張力曲線

圖6 4種啟動(dòng)加速時(shí)間對(duì)應(yīng)的動(dòng)張力曲線

3 不同啟動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性

帶速(啟動(dòng)速度)是影響帶式輸送機(jī)輸送量和經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。提高帶式輸送機(jī)輸送量的重要途徑為提高輸送帶帶速和帶寬，一般采用帶速來(lái)提高輸送量較為經(jīng)濟(jì)。對(duì)于相同的輸送量，提高帶速可減小帶寬，從而降低設(shè)備成本。分別采用5，8，10，15 rad/s角速度對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行仿真模擬，分析不同啟動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的輸送機(jī)動(dòng)張力的變化特征。分析圖7可知：當(dāng)啟動(dòng)速度為5 rad/s時(shí)，動(dòng)張力峰值僅為11 719.15 N，當(dāng)啟動(dòng)速度分別達(dá)到8，10，15 rad/s時(shí)，相應(yīng)的動(dòng)張力峰值分別為15 980.66，17 805.92，20 176.78 N。可見(jiàn)，通過(guò)提高帶速可增大輸送帶的動(dòng)張力峰值，隨著帶速的增大，動(dòng)張力波動(dòng)較大，易形成較大的沖擊載荷，影響輸送機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行從而會(huì)引發(fā)安全事故。盡管提高啟動(dòng)速度對(duì)于提升輸送量的效果較好，但也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，如托輥直徑增加、裝載點(diǎn)物料沖擊增大、灰塵增多、對(duì)輸送帶的磨損嚴(yán)重等。因此，無(wú)論是在輸送機(jī)設(shè)計(jì)階段還是在改造階段，都應(yīng)根據(jù)輸送機(jī)的使用條件、物料特性及環(huán)境條件合理確定啟動(dòng)速度。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)不同啟動(dòng)方式、不同啟動(dòng)時(shí)間以及不同啟動(dòng)速度下的M212帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。研究表明：對(duì)該型帶式輸送機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造時(shí)，可以從改變啟動(dòng)方式、加入適當(dāng)?shù)膯?dòng)延時(shí)時(shí)間方面來(lái)降低輸送帶在啟、制動(dòng)階段的動(dòng)張力峰值；雖然提高帶速可以減小帶寬、增大產(chǎn)量，但對(duì)于M212型輸送機(jī)而言，還需進(jìn)一步考慮輸送帶在高帶速下的磨損、物料沖擊加大等不利因素的影響。

圖7 4種啟動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的動(dòng)張力變化曲線