张宇超
（晋能控股煤业集团大地选煤工程（大同）有限责任公司麻家梁选煤厂，山西 大同 037001）
带式输送机是煤炭筛选运输中进行物料输送的主要设备，可以实现对煤炭的高效率输送，且能满足煤炭筛选工作的长距离开采需求，在煤矿及其他物料输送的领域具有广泛的应用。在带式输送机输送煤炭的过程中，依靠输送带与物料之间的摩擦力实现物料的输送，输送带的承载力越大，受到的内应力作用越大[1]。输送带多采用弹性介质制作而成，在长期的使用过程中，受到较大的内应力容易造成弹性度降低、张力作用变差，在运行过程中容易引起带式输送机的安全事故[2]，不利于煤矿的安全运行。针对带式输送机运行中不同因素对输送带内应力的作用进行仿真分析，从而在带式输送机的设计使用中选取有利的因素[3]，保证输送带的安全，实现对矿井的稳定输送。
带式输送机的主要传输结构包括输送带、滚筒及托辊，在输送带进行煤炭的承载输送时，滚筒提供输送带运行的动力，托辊对输送带形成支撑，滚筒及托辊直接与输送带接触，对输送带的应力作用具有重要的影响[4]。采用RecurDyn 软件对输送带的应力作用进行分析，由于输送带的弹性作用，通过柔性体MFBD 工具箱对输送带的有限元技术与动力学分析进行结合，从而实现对输送带应力的准确计算[5]。
以某型号的带式输送机为例进行建模，选取的分析段输送带长度为1 100 mm、宽度为75 mm，输送带采用钢丝绳芯的橡胶输送带。采用三维软件Pro/E 进行带式输送机模型的构建，带式输送机长度为10 m，输送带宽度为1 m，使用的滚筒的直径为500 mm。托辊采用V 形支撑的形式[6]，槽型托辊的直径为120 mm、长度为320 mm，水平托辊的直径为120 mm、长度为1 100 mm。对带式输送机进行建模，将模型导入到RecurDyn 软件中，得到带式输送机的模型如图1 所示，在软件中对模型进行预处理。
图1 带式输送机模型
在RecurDyn 软件中对输送带进行网格划分处理，设定输送带采用实体单元模型进行网格划分，设置网格的大小为50 mm，通过自动网格的形式进行网格划分。输送带采用钢丝绳芯橡胶结构[7]，力学特性较为复杂，将输送带作为各向异性的材料进行处理，设定具有2 个方向的弹性模量，输送带长度方向上的弹性模量为40.3 MPa；
由于输送带宽度方向上钢丝绳芯的分布较少，沿输送带宽度方向上的弹性模量可以看作橡胶的弹性模量[8]，为7.8 MPa。
带式输送机通过滚筒的旋转带动输送带运动，滚筒及托辊以旋转运动为主，设定托辊以自身的轴心进行旋转，滚筒相对机架做旋转运动，带式输送机与地面进行固定约束[9]。在分析过程中，对带式输送机添加相应的速度-时间函数进行驱动，设定输送带的运行速度为2 m/s，通过STEP 函数进行启停控制，设置分析时长为6 s，对运动过程中滚筒及托辊对输送带的应力作用进行分析。
2.1 滚筒直径对输送带应力安全的影响分析
滚筒是带式输送机的重要结构，对输送带起到驱动及改向控制的作用，对输送机的安全具有重要的影响。滚筒的直径是影响带式输送机运行的重要因素，特别是直径的不同，滚筒与输送带的接触区域不同[10]，从而影响输送带的应力大小，对输送带的安全作用产生影响。
在模型中分别设定三种不同直径的滚筒进行仿真分析，滚筒的直径分别为400 mm、500 mm 及600 mm，在驱动函数的控制下对输送带的应力进行仿真计算。经过计算，得到输送带的应力在输送带宽度上的分布如图2 所示。从图2 中可以看出，在输送带的宽度方向上，输送带的应力呈抛物线形态分布，三种直径滚筒的输送带应力分布形态一致，中间位置的应力值最大，两侧边的应力值逐渐减小；
在三种不同的滚筒直径中，随着滚筒直径的增加，则输送带的应力逐渐减小，400 mm 滚筒直径的输送带应力最大，且在整个输送带宽度方向上均大于其他直径的滚筒。由此可知，输送带的应力随着滚筒直径的增加而减小，在进行滚筒的设计使用时，应选取较大的滚筒直径，减小输送带的应力作用，保证输送带的安全使用。
图2 滚筒直径对输送带应力的影响曲线
2.2 过渡段抬高对输送带应力安全的影响分析
在运行的过程中输送带过渡段通过托辊时，依靠托辊的支撑改变为V 形状态，此时输送带的边缘受到拉力作用，产生了附加的应力作用。由于输送带的弹性模量较大，在过渡段会产生较大的应力作用[11]，影响输送带的使用安全及寿命。在带式输送机的结构中，由于滚筒为直筒结构，输送带在由滚筒向托辊V形支撑过渡的过程中，滚筒与托辊之间存在着一定的高度差，通过抬高滚筒的高度可以减小输送带的变形及应力作用[12]，如图3 所示。
图3 过渡段抬高示意图
滚筒抬高的距离h 改变了输送带的变形及应力作用，对其大小变化进行分析。设定滚筒的抬高高度分别为30 mm 及60 mm，在初始高度时对输送带的应力作用进行分析，经过计算得到输送带的应力变化如图4 所示。从图4 中可以看出，输送带的应力在宽度方向上的分布形态一致，整体呈W 形态的分布，在宽度边缘方向上的应力值较大，且初始没有抬高时的应力值最大，抬高60 mm 时的应力值最小；
在输送带逐渐靠近中间位置处时，输送带的应力值大幅减小，分布逐渐平缓，且此时初始滚筒高度时的应力值最小，滚筒抬高60 mm 时的应力值最大。从整体上看，滚筒抬高60 mm 时输送带的应力分布较为平缓，在宽度方向上的差值最小，这说明对滚筒进行抬高可以改善输送带的应力状态，提高输送带的使用安全。
图4 抬高高度对输送带应力的影响曲线
带式输送机是进行煤炭筛选物料输送的主要设备，输送带在工作过程中的承载较大，输送带的应力较大，对输送带的使用安全具有较高的要求。在输送带运行的过程中，滚筒直径及输送带过渡处抬高的大小对输送带的应力具有重要的影响。针对滚筒直径及过渡处的影响作用，建立带式输送机的模型，采用仿真模拟的形式对输送带的应力进行模拟仿真。结果表明，输送带的应力随着滚筒直径的增加而减小，滚筒抬高可以改善输送带的应力状态，在进行带式输送机的设计使用时，应选取较大的滚筒直径，对滚筒进行抬高处理，从而减小输送带的应力，保证输送带使用的安全性。
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