鋼絲繩支撐波狀擋邊帶式輸送機(jī)固定架間的輸送帶垂度特性的研究

太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 太原 030024

0 引言

鋼絲繩支撐波狀擋邊帶式輸送機(jī)是一種新型連續(xù)長距離的輸送機(jī)，該輸送系統(tǒng)創(chuàng)新地將架空索道工程技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)上，融合了索道的便捷與帶式輸送機(jī)的高效，具有能夠輕松越過障礙物、能量消耗低、對環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)[1]。每6 ～12 m的鋼絲繩固定架保持鋼絲繩處在平衡穩(wěn)定的位置，保證上、下輸送帶之間輸送的安全間距，并且保證輸送帶在高風(fēng)速的情況下也能平穩(wěn)運(yùn)行。上層鋼絲繩用于巡檢小車的運(yùn)行和保護(hù)蓋的安裝，下層與中層鋼絲繩用于輸送帶的運(yùn)行，中、下層四根鋼絲繩與固定架的結(jié)合，取代了傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)[2]。鋼絲繩支撐波狀擋邊帶式輸送機(jī)局部模型見圖1。

圖1 鋼絲繩支撐波狀擋邊帶式輸送機(jī)局部模型圖

輸送帶在自重和物料載荷的共同作用下，在相鄰兩固定架間會產(chǎn)生一定的垂度，垂度過大會增大運(yùn)行的阻力，從而影響輸送機(jī)的正常運(yùn)行,進(jìn)而增大能量的消耗[3]。本文將根據(jù)拋物線理論分析固定架間輸送帶垂度性，并且討論影響垂度、傾角的主要因素，為以后國內(nèi)該輸送機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 拋物線理論

在自重及物料載荷的作用下，輸送帶與鋼絲繩的整體受力如圖2所示，圖中Tb1、Tb2為輸送帶兩端張力，Tr1、Tr2為鋼絲繩兩端張力，q為自重與物料載荷，鋼絲繩與輸送帶之間有相互作用力。在推導(dǎo)過程中，主要采取以下5個基本假設(shè)[4]：

圖2 固定架間輸送帶與鋼絲繩的整體受力分析圖

1）輸送帶只承受自重和物載荷作用，不受任何彎矩作用；

2）輸送帶和物載荷的載荷分布連續(xù)、均勻，將滾輪與輪軸載荷平均分配在輸送帶上[5]；

3）在輸送機(jī)傾角較小時(shí)，忽略自重和物料載荷沿輸送帶方向的分量；

4）輸送帶在自重和外載荷作用下，橫截面變化極其微小，可忽略不計(jì)；

5）忽略鋼絲繩與輸送帶的摩擦，將二者之間的相互作用簡化為等效載荷。

基于以上假設(shè)，畫出輸送帶和鋼絲繩的受力分析圖。圖3為輸送帶的受力分析圖，qb為輸送自重和物料載荷，qm為鋼絲繩對輸送帶的等效載荷，方向向上；圖4為鋼絲繩的受力分析圖，qr為鋼絲繩自重載荷，qm為輸送帶對鋼絲繩的等效載荷，方向向下。

圖3 輸送帶受力簡圖

圖4 鋼絲繩受力簡圖

根據(jù)拋物線方程公式[6]，得知輸送帶最大垂度為

式中：fxmax(belt)為輸送帶最大垂度，qB為輸送帶單位長度載荷，qS為波狀擋邊單位長度載荷，qG為輸送帶上物料單位長度載荷，qW為滾輪與輪軸平均分配的單位長度載荷，Gwheel、Gshaft分別為單個滾輪與輪軸的質(zhì)量，l為滾輪間距，a為固定架間距，Hb為輸送帶水平張力。

鋼絲繩最大垂度為

式中：fxmax(rope)為鋼絲繩最大垂度，Hr為鋼絲繩水平張力。

輸送帶與鋼絲繩在同一位置的垂度近似相等，由式（1）、式（2）可得的等效載荷為

將式（3）代入式（1），即可得輸送帶的最大垂度，并可得到輸送帶的最大傾角為

2 實(shí)例計(jì)算與驗(yàn)證

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

以某石礦輸送機(jī)為例[7]，該輸送機(jī)輸送高度為21 m，可以看作水平輸送，輸送物料為石灰石，輸送長度為3 500 m，輸送量qz為700 t/h，帶寬b為650 mm，帶速v為3.3 m/s，固定架間距a為12 m，滾輪間距l(xiāng)為3 m。經(jīng)計(jì)算得輸送帶單位長度載荷qB=58.175 kg/m，波狀擋邊單位長度載荷qS=2.637 kg/m，物料單位長度載荷qG=qz/3.6v=58.922 kg/m，將滾輪與輪軸的自重平均分配輸送帶上的單位長度載荷=12.762 kg/m,鋼絲繩的單位長度載荷qr=11.936 kg/m，輸送帶、鋼絲繩水平張力按公式H=qga/（8hr）計(jì)算，hr為相對懸垂度，取0.01，可得輸送帶水平張力為194 968 N，鋼絲繩張力為115 048 N。

2.2 采用拋物線理論計(jì)算結(jié)果

鋼絲繩與輸送帶相互作用等效載荷為

故輸送帶的最大垂度為

輸送帶的最大傾角為

3 建模與仿真分析

3.1 有限元模型的建立

由于輸送帶在有載分支段的垂度會大于無載分支段的垂度，本文只針對有載分支段進(jìn)行垂度分析，即上層固定架間輸送帶的垂度研究，建立的對稱模型見圖5。在保證計(jì)算精度的前提下，對模型進(jìn)行簡化[8]后將其導(dǎo)入Ansys Workbench，各零件主要參數(shù)如表1[9]，根據(jù)表1進(jìn)行材料分配，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖5 輸送帶簡化模型圖

表1 輸送帶各零件參數(shù)

3.2 施加載荷

對輸送帶一端采用對稱設(shè)置，另一端約束了輸送帶和鋼絲繩y、z方向的運(yùn)動，并對輸送帶和鋼絲繩各自施加x方向的張力，并施加重力與物料載荷。

3.3 仿真結(jié)果分析

圖6為輸送帶的仿真結(jié)果，最大垂度發(fā)生在對稱面，為0.065 m，最大傾角發(fā)生在輸送帶兩端，為1.14°，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，證明了提出公式的正確性。并對其他間距進(jìn)行了仿真，垂度與傾角變化如圖7所示，可見隨著固定架間距的增大，輸送帶的垂度增大，傾角增大。

圖6 輸送帶仿真結(jié)果

圖7 不同固定架間距的仿真結(jié)果圖

3.4 滾輪間距的影響

當(dāng)其他條件保持不變時(shí)，滾輪間距分別為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m，垂度與傾角變化如圖8所示，可見隨著滾輪間距的增大，滾輪組的數(shù)量減小，輸送帶的垂度減小，傾角減小，但變化范圍不大。

圖8 不同滾輪間距的仿真結(jié)果圖

3.5 物料載荷的影響

其他條件保持不變，物料載荷在0～2 000 Pa選取100個點(diǎn)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示，可見隨著滾輸送物料載荷的增大，輸送帶的垂度增大，傾角增大。

圖9 不同物料載荷的仿真結(jié)果圖

3.6 輸送帶張力的影響

當(dāng)其他條件保持不變時(shí)，輸送帶張力在0～300 000 N選取100個點(diǎn)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10所示，可見隨著輸送帶張力的增大，輸送帶的垂度減小，傾角減小。

圖10 不同輸送帶張力的仿真結(jié)果圖

3.7 鋼絲繩張力的影響

當(dāng)其他條件保持不變時(shí)，鋼絲繩張力在500 00～200 000 N選取100個點(diǎn)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖11所示，可以看出，隨著鋼絲繩張力的增大，輸送帶的垂度減小，傾角減小。

圖11 不同鋼絲繩張力的仿真結(jié)果圖

4 結(jié)論

1）將鋼絲繩與輸送帶的相互作用力簡化為等效載荷來計(jì)算輸送帶的垂度是合理的，證明了提出公式的正確性；

2）輸送帶的垂度與傾角隨著固定架間距、物料載荷的增大而增大，隨著滾輪間距、輸送帶張力、鋼絲繩張力的增大而較小，二者變化趨勢基本一致；

3）由于文中未考慮鋼絲繩與滾輪間的摩擦力，且輸送帶的張力計(jì)算有一定的誤差，這些也同時(shí)是后續(xù)研究的方向。