礦用帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件懸垂度分析與數(shù)值模擬*

邵鵬峰

(潞安化工集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引 言

帶式輸送機(jī)是散料輸送領(lǐng)域最常用的一種機(jī)械設(shè)備，目前比較廣泛應(yīng)用在煤礦、選煤廠、鐵礦和非金屬礦等礦山領(lǐng)域[1]。通用帶式輸送機(jī)主要由機(jī)架部分、輸送帶部分、一系列托輥和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部分組成，其中輸送帶是帶式輸送機(jī)最重要的部件之一，由于輸送帶在實(shí)際運(yùn)行過程中，不僅受到托輥的支撐力，同時(shí)還受到物料的壓力和摩擦力，受到物料的沖擊、在啟停過程中會(huì)產(chǎn)生比較大的動(dòng)態(tài)張力、同時(shí)還會(huì)受到彎曲應(yīng)力的作用，為此要求輸送帶具有足夠大的強(qiáng)度和抗沖擊的性能[2]。

帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)因受到物料不均勻載荷的影響，出現(xiàn)懸垂度過大、內(nèi)部張力過大的問題，輸送帶運(yùn)行不平穩(wěn)，將會(huì)導(dǎo)致物料的灑落或托輥的受力不均勻，有可能引起斷帶事故，造成人員傷亡。為此研究輸送帶懸垂度問題，掌握輸送帶懸垂度變化規(guī)律，分析不同托輥間距下輸送帶的懸垂度規(guī)律，可以指導(dǎo)最小張力的求解，從而有利于保證帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，避免發(fā)生斷帶事故。

筆者通過對(duì)帶式輸送機(jī)輸送帶基本特性的分析可知，輸送帶的粘彈性特性會(huì)引起輸送帶的撓度變形從而會(huì)影響輸送帶的懸垂度，由此建立了輸送帶的粘彈性數(shù)學(xué)模型，采用有限元法進(jìn)行了模擬仿真分析，研究了影響輸送帶懸垂度的因素和受載時(shí)的懸垂度變化規(guī)律。經(jīng)過驗(yàn)證可以指導(dǎo)帶式輸送機(jī)最小張力的求解以及延長(zhǎng)輸送帶的使用壽命，對(duì)提高帶式輸送機(jī)的安全運(yùn)行系數(shù)具有重要的參考意義。

1 帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件特性分析

輸送帶主要由內(nèi)部的鋼絲繩和外部覆包的高彈性橡膠組成，結(jié)構(gòu)剛度比較低，主要特性表現(xiàn)如下[2]。

(1) 應(yīng)力-應(yīng)變非線性特性 輸送帶屬于撓性體，在承受拉力作用的時(shí)候，拉力的大小和變形的大小本身并沒有呈現(xiàn)出線性關(guān)系，最終表現(xiàn)為非常明顯的非線性特性，輸送帶將一部分的能量通過彈性變形吸收，另一部分能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

(2) 蠕變和松弛特性 輸送帶在定載荷施加時(shí)，輸送帶的最終伸長(zhǎng)量會(huì)隨著時(shí)間逐漸增加，當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間后，輸送帶的伸長(zhǎng)狀態(tài)穩(wěn)定，但其本身存在一定的塑性變形，會(huì)導(dǎo)致最終的長(zhǎng)度不可逆。

(3) 頻響和滯后特性 輸送帶的實(shí)際變形量與加載過程的載荷變化頻率相關(guān)，當(dāng)加載的載荷頻率增大時(shí)，輸送帶的振動(dòng)特性將會(huì)發(fā)生變化。在一個(gè)加載周期內(nèi)，輸送帶的應(yīng)變需要一段時(shí)間才能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)。

2 輸送帶粘彈性數(shù)學(xué)模型分析

輸送帶是具有縱向加強(qiáng)材料的高聚合物材料，輸送帶縱向力學(xué)特性具有粘彈特性，在實(shí)際受載荷作用時(shí)，輸送帶會(huì)產(chǎn)生蠕變特性，在縱向方向會(huì)產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致輸送帶的懸垂度變大，影響輸送帶輸送的平穩(wěn)性。為了分析輸送帶的懸垂度問題，需要建立輸送帶的粘彈性數(shù)學(xué)模型，研究輸送帶的應(yīng)力和應(yīng)變的非線性特性，分析輸送帶在受到載荷作用時(shí)輸送帶的理論數(shù)值變形情況，然后再對(duì)輸送帶變形進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。為了分析輸送帶的懸垂度與自身特性的規(guī)律，采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)模擬仿真的方式進(jìn)行研究。

2.1 輸送帶粘彈性數(shù)學(xué)模型建立

實(shí)際應(yīng)用表明，輸送帶的粘性和彈性僅是反應(yīng)輸送帶材料特性的一方面，實(shí)際的理想彈性模型和理想的粘性模型最終是反映這兩種性質(zhì)最理想的模型[3]。最終的表達(dá)式為：

σ=Eε

(1)

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E為彈性模量。

理想的粘性模型也就是所謂的牛頓粘滯體模型，相當(dāng)于是一個(gè)儲(chǔ)能元件，在電路系統(tǒng)中可以當(dāng)做是一個(gè)阻尼，按照阻尼的基本規(guī)律，速度和阻力呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，反映出的是粘性介質(zhì)中某個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，表示為：

(2)

式中:?為粘滯系數(shù)。需要以實(shí)際使用的輸送帶模型作為分析模型，為此此次分析搭建Maxwell模型。從上式中可以看出輸送帶的應(yīng)力與應(yīng)變之間存在非線性特性。

2.2 帶式輸送機(jī)參數(shù)特征與設(shè)定

帶式輸送機(jī)是重要的物料輸送設(shè)備，為保證仿真結(jié)果的一致性和可靠度，采用實(shí)際應(yīng)用中的帶式輸送機(jī)參數(shù)作為仿真模型，表1所列為帶式輸送機(jī)參數(shù)特征。

表1 帶式輸送機(jī)參數(shù)特征

根據(jù)以上提供的輸送帶的相關(guān)參數(shù)，采用經(jīng)典的懸鏈線方法和彈性懸鏈線方法分別進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果：①經(jīng)典懸鏈線方法[4]：輥間輸送帶的最大垂度0.013 4 m，則其相對(duì)垂度為0.008 9，符合《DTII(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定的最大垂度要求；②彈性懸鏈線方法：由式(2)可得彈性懸鏈線輥間輸送帶最大垂度為0.053 5 m，相對(duì)垂度為0.035 7，略大于《DTII(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中給定的數(shù)值。

3 基于ANSYS的輸送帶懸垂度仿真結(jié)果

由于目前國內(nèi)對(duì)輸送帶懸垂度分析較少，文中在ANSYS軟件中建立輸送帶模型，并且按照表1所列的參數(shù)對(duì)輸送帶進(jìn)行設(shè)置，可以得到如圖1所示的仿真結(jié)果。

圖1 輸送帶懸垂度位移仿真結(jié)果

由圖1中看出，輸送帶最大懸垂度為0.057 864 m，在兩個(gè)托輥?zhàn)钪虚g位置懸垂度最大，兩個(gè)托輥的距離為1.5 m，仿真分析的結(jié)果與實(shí)際采用懸鏈線方程進(jìn)行求解得到的結(jié)果0.053 5 m吻合，由此可以得出采用傳統(tǒng)的懸鏈線理論求解輸送帶的懸垂度最終存在一定誤差。為了分析輸送帶實(shí)際運(yùn)行張力與托輥間距對(duì)輸送帶的懸垂度的影響，分別進(jìn)行設(shè)置不同的托輥間距對(duì)輸送帶進(jìn)行仿真分析，可以得到如圖2所示的分析結(jié)果。

圖2 不同托輥間距下輸送帶的懸垂度仿真結(jié)果

輸送帶張力設(shè)定為14 200 N，通過設(shè)置不同的托輥間距，分別為1 m，1.2 m，1.5 m，2.0 m間距作為對(duì)照，對(duì)輸送帶進(jìn)行仿真分析，可以得到四組仿真結(jié)果，從上述的仿真結(jié)果可以看出，在不同的托輥間距下輸送帶的中間懸垂度有所不同，其中間距越大表現(xiàn)為懸垂度越大。

為了分析不同的張力情況下輸送帶的懸垂度情況，設(shè)定不同的張力值，分別為15 630 N，18 470 N、21 300 N，24 000 N，可以得到如圖3所示的仿真分析結(jié)果。

圖3 不同張力作用下輸送帶懸垂度仿真分析結(jié)果

由上述分析結(jié)果可看出輸送帶在不同張力作用下，輸送帶懸垂度分布云圖呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，懸垂度最大的位置仍然集中在中間部位，當(dāng)張力變大時(shí)懸垂度中間區(qū)域變大，為了更清晰地展示懸垂度的變化，將上述的分析結(jié)果繪制曲線進(jìn)行分析。

4 仿真結(jié)果對(duì)比分析

將ANSYS仿真結(jié)果導(dǎo)出，分別以托輥間距和張力值為橫坐標(biāo)，以輸送帶的懸垂度作為縱坐標(biāo)繪制曲線，可以得到如圖4所示的對(duì)比分析結(jié)果。圖4(a)所示為輸送帶最大懸垂度隨托輥間距的變化曲線，圖4(b)輸送帶最大懸垂度隨輸送帶張力的變化曲線。

從圖4(a)中可知，當(dāng)輸送帶的托輥間距分別取1 m，1.2 m，1.5 m，2.0 m時(shí)，輸送帶對(duì)應(yīng)的最大懸垂度為0.019 m、0.031 m、0.072 m、0.083 m，可以得出在輸送帶恒定張力作用下，托輥的間距越大，輥間輸送帶的最大懸垂度將會(huì)急劇增加，變化幅度較大，所以需要保證托輥在合適的范圍之內(nèi)，有效避免輸送帶懸垂度過大。從圖4(b)中可以得出當(dāng)設(shè)定不同的輸送帶張力時(shí)，輸送帶的最大懸垂度分別為0.045 m、0.040 m、0.034 m、0.031 m，從曲線中可以得出輸送帶在相同的托輥間距情況下，當(dāng)輸送帶的張力增加時(shí)，托輥輸送帶最大的懸垂度在逐漸減小，但是兩者之間并不存在某種線性關(guān)系。

圖4 輸送帶最大懸垂度計(jì)算值與仿真結(jié)果對(duì)比

從上述的分析結(jié)果可以看出，基于彈性懸鏈線方程的不同托輥間距的輸送帶最大懸垂度計(jì)算的結(jié)果與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

5 結(jié) 語

針對(duì)礦用帶式輸送機(jī)隨托輥間距和張力變化規(guī)律未知等問題，文中建立了帶式輸送機(jī)輸送帶粘彈性動(dòng)力學(xué)模型，并利用ANSYS對(duì)輸送帶進(jìn)行有限元分析，最終得出輸送帶的最大懸垂度隨著托輥間距的增大而增大，隨輸送帶自身張力的增大而減小，此研究規(guī)律可以為輸送帶最小張力的求解提供參考，同時(shí)對(duì)于帶式輸送機(jī)則需要通過合理布置托輥間距、保證合適的張力值，從而可以減小輸送帶的懸垂，保證物料的輸送。