不同因素對帶式輸送機輸送帶應力安全的影響分析

張宇超

（晉能控股煤業集團大地選煤工程（大同）有限責任公司麻家梁選煤廠，山西 大同 037001）

引言

帶式輸送機是煤炭篩選運輸中進行物料輸送的主要設備，可以實現對煤炭的高效率輸送，且能滿足煤炭篩選工作的長距離開采需求，在煤礦及其他物料輸送的領域具有廣泛的應用。在帶式輸送機輸送煤炭的過程中，依靠輸送帶與物料之間的摩擦力實現物料的輸送，輸送帶的承載力越大，受到的內應力作用越大[1]。輸送帶多采用彈性介質制作而成，在長期的使用過程中，受到較大的內應力容易造成彈性度降低、張力作用變差，在運行過程中容易引起帶式輸送機的安全事故[2]，不利于煤礦的安全運行。針對帶式輸送機運行中不同因素對輸送帶內應力的作用進行仿真分析，從而在帶式輸送機的設計使用中選取有利的因素[3]，保證輸送帶的安全，實現對礦井的穩定輸送。

1 帶式輸送機輸送帶仿真分析模型的建立

帶式輸送機的主要傳輸結構包括輸送帶、滾筒及托輥，在輸送帶進行煤炭的承載輸送時，滾筒提供輸送帶運行的動力，托輥對輸送帶形成支撐，滾筒及托輥直接與輸送帶接觸，對輸送帶的應力作用具有重要的影響[4]。采用RecurDyn 軟件對輸送帶的應力作用進行分析，由于輸送帶的彈性作用，通過柔性體MFBD 工具箱對輸送帶的有限元技術與動力學分析進行結合，從而實現對輸送帶應力的準確計算[5]。

以某型號的帶式輸送機為例進行建模，選取的分析段輸送帶長度為1 100 mm、寬度為75 mm，輸送帶采用鋼絲繩芯的橡膠輸送帶。采用三維軟件Pro/E 進行帶式輸送機模型的構建，帶式輸送機長度為10 m，輸送帶寬度為1 m，使用的滾筒的直徑為500 mm。托輥采用V 形支撐的形式[6]，槽型托輥的直徑為120 mm、長度為320 mm，水平托輥的直徑為120 mm、長度為1 100 mm。對帶式輸送機進行建模，將模型導入到RecurDyn 軟件中，得到帶式輸送機的模型如圖1 所示，在軟件中對模型進行預處理。

圖1 帶式輸送機模型

在RecurDyn 軟件中對輸送帶進行網格劃分處理，設定輸送帶采用實體單元模型進行網格劃分，設置網格的大小為50 mm，通過自動網格的形式進行網格劃分。輸送帶采用鋼絲繩芯橡膠結構[7]，力學特性較為復雜，將輸送帶作為各向異性的材料進行處理，設定具有2 個方向的彈性模量，輸送帶長度方向上的彈性模量為40.3 MPa；由于輸送帶寬度方向上鋼絲繩芯的分布較少，沿輸送帶寬度方向上的彈性模量可以看作橡膠的彈性模量[8]，為7.8 MPa。

帶式輸送機通過滾筒的旋轉帶動輸送帶運動，滾筒及托輥以旋轉運動為主，設定托輥以自身的軸心進行旋轉，滾筒相對機架做旋轉運動，帶式輸送機與地面進行固定約束[9]。在分析過程中，對帶式輸送機添加相應的速度-時間函數進行驅動，設定輸送帶的運行速度為2 m/s，通過STEP 函數進行啟停控制，設置分析時長為6 s，對運動過程中滾筒及托輥對輸送帶的應力作用進行分析。

2 不同因素對輸送帶應力安全的仿真分析

2.1 滾筒直徑對輸送帶應力安全的影響分析

滾筒是帶式輸送機的重要結構，對輸送帶起到驅動及改向控制的作用，對輸送機的安全具有重要的影響。滾筒的直徑是影響帶式輸送機運行的重要因素，特別是直徑的不同，滾筒與輸送帶的接觸區域不同[10]，從而影響輸送帶的應力大小，對輸送帶的安全作用產生影響。

在模型中分別設定三種不同直徑的滾筒進行仿真分析，滾筒的直徑分別為400 mm、500 mm 及600 mm，在驅動函數的控制下對輸送帶的應力進行仿真計算。經過計算，得到輸送帶的應力在輸送帶寬度上的分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出，在輸送帶的寬度方向上，輸送帶的應力呈拋物線形態分布，三種直徑滾筒的輸送帶應力分布形態一致，中間位置的應力值最大，兩側邊的應力值逐漸減小；在三種不同的滾筒直徑中，隨著滾筒直徑的增加，則輸送帶的應力逐漸減小，400 mm 滾筒直徑的輸送帶應力最大，且在整個輸送帶寬度方向上均大于其他直徑的滾筒。由此可知，輸送帶的應力隨著滾筒直徑的增加而減小，在進行滾筒的設計使用時，應選取較大的滾筒直徑，減小輸送帶的應力作用，保證輸送帶的安全使用。

圖2 滾筒直徑對輸送帶應力的影響曲線

2.2 過渡段抬高對輸送帶應力安全的影響分析

在運行的過程中輸送帶過渡段通過托輥時，依靠托輥的支撐改變為V 形狀態，此時輸送帶的邊緣受到拉力作用，產生了附加的應力作用。由于輸送帶的彈性模量較大，在過渡段會產生較大的應力作用[11]，影響輸送帶的使用安全及壽命。在帶式輸送機的結構中，由于滾筒為直筒結構，輸送帶在由滾筒向托輥V形支撐過渡的過程中，滾筒與托輥之間存在著一定的高度差，通過抬高滾筒的高度可以減小輸送帶的變形及應力作用[12]，如圖3 所示。

圖3 過渡段抬高示意圖

滾筒抬高的距離h 改變了輸送帶的變形及應力作用，對其大小變化進行分析。設定滾筒的抬高高度分別為30 mm 及60 mm，在初始高度時對輸送帶的應力作用進行分析，經過計算得到輸送帶的應力變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，輸送帶的應力在寬度方向上的分布形態一致，整體呈W 形態的分布，在寬度邊緣方向上的應力值較大，且初始沒有抬高時的應力值最大，抬高60 mm 時的應力值最小；在輸送帶逐漸靠近中間位置處時，輸送帶的應力值大幅減小，分布逐漸平緩，且此時初始滾筒高度時的應力值最小，滾筒抬高60 mm 時的應力值最大。從整體上看，滾筒抬高60 mm 時輸送帶的應力分布較為平緩，在寬度方向上的差值最小，這說明對滾筒進行抬高可以改善輸送帶的應力狀態，提高輸送帶的使用安全。

圖4 抬高高度對輸送帶應力的影響曲線

3 結語

帶式輸送機是進行煤炭篩選物料輸送的主要設備，輸送帶在工作過程中的承載較大，輸送帶的應力較大，對輸送帶的使用安全具有較高的要求。在輸送帶運行的過程中，滾筒直徑及輸送帶過渡處抬高的大小對輸送帶的應力具有重要的影響。針對滾筒直徑及過渡處的影響作用，建立帶式輸送機的模型，采用仿真模擬的形式對輸送帶的應力進行模擬仿真。結果表明，輸送帶的應力隨著滾筒直徑的增加而減小，滾筒抬高可以改善輸送帶的應力狀態，在進行帶式輸送機的設計使用時，應選取較大的滾筒直徑，對滾筒進行抬高處理，從而減小輸送帶的應力，保證輸送帶使用的安全性。