（机械工程专业论文）大功率强力带式输送机设计与研制.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 大功率强力带式输送机设计与研制 机械工程 丁兆伦 郑建明副教授 摘要 签名： 签名： 随着大型填海工程和大型露天矿的开采及矿山高产高效面的增多，作为物料运输设 备的带式输送机主要向长距离、大运量的方向发展，因此开发大功率强力带式输送机是时 代发展的要求，具有深远的意义。 大功率强力带式输送机的核心技术是动态分析与监控技术，本文在动态分析的基础 上对大功率强力带式输送机进行了设计选型，并经过了实践验证。 分析了带式输送机的启动过程中动载荷的变化、弹性波传播速度的计算、胶带的振 荡，分析了带式输送机的等效转惯量，建立了简化的计算模型，通过比较不同加速度控制 曲线下的动特性以及在起动过程中对动载荷的影响，得出了最优的加速控制曲线。 针对大功率强力带式输送机进行了设计选型：围绕动态分析与监控技术合理的配置 了驱动装置与电控系统，通过静态与动态计算，得出了驱动功率、胶带张力、停车时间及 逆止力矩等，对驱动装置各部件进行了性能对比，选出了最适合本输送机的电动机、制动 器、偶合器及减速器：根据实际情况对一些部件进行了优化设计，在增加其可靠度的同时， 使之装拆更加方便；在上述基础上对整机进行了优化选型。 大功率、强力带式输送机在兖矿集团兴隆庄煤矿得到了验证 关键词：大功率强力带式输送机；动态分析；监控技术；设计选型 西安理工大学工程硕士学位论文 t i t l e ：d e s l g na n dm a n u f a c t u r e s t r o n g s t r e n g t hb e l tc o n v e y o r m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：z h a ol u nd i n g s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n m i n gz h e n g a b s t r a c t o fh i g h p o w e ra n d s i g n a t ur e - 烛皿脶 s i g n a t u r e 卫竺笃旦钰戽 w i t ht h ei n c r e a s i n go fh u g ef i l l i n gs e ae n g i n e e r i n ga n do p e n i n ga i rm i n ea sw e l la sh i g h p r o d u c t i v ea n de f f i c i e n tm i n e ，a so n eo ft h em a i nm a t e r i a lh a n d l i n ge q u i p m e n t s ，l o n gd i s t a n c e a n dh u g e f r e i g h tv o l u m eb e c o m et h eb e l tc o n v e y o r sm a i nd e v e l o p i n gt r e n d s oi ti st h ed e m a n d o ft h et i m e s d e v e l o p i n g t o e x p l o r eh i g h p o w e ra n ds t r o n g - s t r e n g t h b e l t c o n v e y o r i t s s i g n i f i c a n c ei sc r u c i a l t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yi sd y n a m i ca n a l y s i sa n dm o n i t o rc o n t r 0 1 b a s e dd y n a m i ca n a l y s i s ，t h eh i g h p o w e ra n ds t r o n g - s t r e n g t hb e l tc o n v e y o ro fx i n g l o n g z h u a n g m i n eo f y a n z h o um i n eg r o u pi sd e s i g n e da n ds e l e c t e d ，a n di ti sp e r f o r m e di nt h i sp a p e r d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fb e l tc o n v e y o ri si n t r o d u c e d t h ev a r i e t yo ft h ed y n a m i cl o a d ， t h ec a l c u l a t i o no ft h et r a n s m i s s i o ns p e e do ft h ee l a s t i c i t yw a v ea n dt h es u r g eo ft h eb e l ta r e a n a l y z e d ，t h e nt h ec a l c u l a t i o no ft h ee q u i v a l e n tm o m e n to fi n e r t i ao ft h ec o n v e y o ri sa n a l y z e d a n dt h es i m p l i f i e dc a l c u l a t i o nm o d e li sf o u n d e d ，t h em o s te x c e l l e n ta c c e l e r a t i o nc o n t r o l l i n g c u r v ei sc o n c l u d e dt h r o u g h c o m p a r i n gt h el o a d si nd i f f e r e n tc o n t r o l l i n gc n l w ea n dt h e i re f f e c t s i nt h ed y n a m i cl o a ds e v e r a l l y t h e h i g h - p o w e ra n ds t r o n g s t r e n g t hb e l tc o n v e y o ro fx i n g l o n g - z h u a n gm i n ei sd e s i g n e d a n d s e l e c t e d ：d r i v i n gd e v i c e a n de l e c t r i c c o n t r o l l i n gs y s t e m a r ec o l l o c a t e d l o g i c a l l y s u r r o u n d i n gd y n a m i ca n a l y s i sa n dm o n i t o rc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y ；t h r o u g hs t a t i ca n dd y n a m i c c a l c u l a t i n g ，d r i v i n gp o w e r , b e l ts t r a i n ，p a r k i n gt i m e s ，n e g a t i v ed i r e c t i o ns t o p p i n gm o m e n te t c a r cd r a w n t h ee l e c t r o m o t o r , a t t e s t e r , c o u p l i n ga n dr e d u c e rt h a tm o s t l ys u i tt ot h eb e l tc o n v e y o r a r cs e l e c t e dt r o u g hc o m p a r i n ga l lc o m p o n e n t s p e r f o r m a n c eo fd r i v i n gd e v i c e o p t i m u md e s i g n o p t i m u mi sc a r r i e do u tt os o m ep a r t sa c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n ，i tn o to n l ym a k e st h e r e l i a b i l i t yi m p r o v eb u tm a k e st h ed i s a s s e m b l ya n da s s e m b l ym o r ec o n v e n i e n t t h e na l lo t h e r p a r t sa r es e l e c t e d k e yw o r d s ：h i g h p o w e ra n ds t r o n g s t r e n g t h b e l tc o n v e y o r , d y n a m i ca n a l y s i s ， m o n i t o rc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , d e s i g na n ds e l e c t i n g 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 型芝1 2 z旬年啦月沙日 学位论文使用授权声明 本人二龇在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位沦文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：7 b 边i z导师签名：堑牮幽司年月p 口 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 带式输送机是现代散状物料连续运输的主要设备，其发展史可追溯到1 8 6 8 年，美国 人李斯特发明了具有现代带式输送机基本特征的第一台带式输送机，但其真正意义上的发 展却是在二战结束后的2 0 年中，这段时期是带式输送机各种结构不断完善、性能不断提 高、计算方法规范化的阶段，也是带式输送机技术发展最快的阶段。与其他运输设备( 如 机车类) 相比，带式输送机具有输送距离长、运量大、连续输送等优点，而且运行可靠， 易于实现自动化和集中化控制。现已被广泛用于冶金、化工、矿山、建筑、电站和港口等 工业领域i ”。 图卜1 强力带式输送机 f i f r i - 1s t r o n g - s u e n g t hb e l tc o n v e y o r 从带式输送机的生命周期来看，带式输送机是相对成熟的技术，与之对应，我国的 带式输送机的研制在解放后取得了较快发展带式输送机的产量和数量不断上升，先后开 发了t d 6 8 型、t d 7 5 型、d x 型、d t i i 型等各种系列的带式输送机，然而，目前国内对 带式输送机的设计主要还是停留在静力学的基础上，甚至对带式输送机的关键部件的设计 也不进行动力学校核，使得带式输送机的设计和使用存在潜在的危险，这种设计在中小型 带式输送机中表现的不是特别明显，随着大型填海工程和大型露天矿的开采，带式输送机 主要向长距离、大运量的方向发展i _ ，原有的带式输送机无论是主参数还是运行性能都已 不能满足要求，必须向长距离、高带速、大运量的大型化方向发展，并要改善和提高运行 西安理工大学工程硕士季住论文 性能，确保安全可靠。 随着大型填海工程和大型露天矿的开采，从七十年代至九十年代，带式输送机主要向 长距离，大运量的方向发展。 开发大功率强力带式输送机是时代发展的要求，更是我兖矿集团战略目标实现的重要 环节。充矿集团是我国的主要产煤区，其战略目标是在2 0 1 0 年实现产值5 0 0 亿。进行跨 地区、跨行业、跨所有制、跨国经营，这其中关键一点是要不断地适时适地参股，控股、 通过资本运营进行低成本扩张，这首先要求兖矿集团公司的综合实力要上几个台阶，其中 最重要的是保证煤的生产率，因而作为其主要运输设备的大型强力带式输送机承担着采区 煤炭的关键运输任务，其可靠性及实用性直接影响着用户的生产和效益。因此，设计与研 制大功率强力带式输送机不仅能保证我兖矿集团公司的经济高效发展，同时为国内其它同 种类型的运输设备的设计制造提供有益的借签。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 1 2 1 国外带式输送机技术的现状 国外带式输送机技术的发展很快，其主要表现在两个方面：一方面是带式输送机的 功能多元化、应用范围扩大化，如大倾角带输送机、管状带式输送机、空间转弯带式输送 机等各种机型；另一方面是带式输送机本身的技术与装备有了巨大的发展，尤其是长距离、 大运量、高带速等大型带式输送机己成为发展的主要方向其核心技术是开发应用于了带 式输送机动态分析与监控技术，提高了带式输送机的运行性能和可靠性。目前，在煤矿井 下使用的带式输送机关键技术与装备有以下几个特点 j ： a _ 设备大型化。其主要技术参数与装备均向着大型化发展以满足年产3 0 0 - 5 0 0 万t 以上高产商效集约化生产的需要。 b 应用动态分析技术和机电一体化、计算机监控等高新技术，采用大功率软起动与自 动张紧技术，对输送机进行动态监测与监控，大大地降低了输送带的动张力，设备运行性 能好，运输效率高。 c 采用多机驱动与中间驱动及其功率平衡、输送机变向运行等技术，使输送机单机运 行长度在理论上已有受限制，并确保了输送系统设备的通用性、互换性及其单元驱动的可 靠性。 d 新型、高可靠性关键元部件技术。如包含c s t 等在内的各种先迸的大功率驱动装置 与调速装置、高寿命高速托辊、自清式滚筒装置、高效贮带装置、快速自移机尾等。如英 国f s w 生产的f s w l 2 0 0 ( 2 3 ) x 4 0 0 ( 6 0 0 ) 工作面顺槽带式输送机就采用了液粘差速 或变频调速装置，运输能力达3 0 0 0 t h 以上，它的机尾与新型转载机( 如美国久益公司生 产的s 5 0 0 e ) 配套，可随工作面推移而自动快速自移、人工作业少、生产效率高。 2 1 绪论 1 2 2 国内带式输送机技术的现状 我国生产制造的带式输送机的品种、类型较多。在“八五”期间，通过国家一条龙“日 产万吨综采设备”项目的实施，带式输送机的技术水平有了很大提高，煤矿井下用大功率、 长距离带式输送机的关键技术研究和新产品开发都取得了很大的进步p l 。如大倾角长距离 带式输送机成套设备、高产高效工作面顺槽可伸缩带式输送机等均填补了国内空白，并对 带式输送机的减低关键技术及其主要元部件进行了理论研究和产品开发，研制成功了多种 软起动和制动装置以及以p l c 为核心的可编程电控装置，驱动系统采用调速型液力偶合 器和行星齿轮减速器。 1 2 3 国内外带式输送机技术的差距 a 大型带式输送机的关键核心技术上的差距 ( 1 ) 带式输送机动态分析与监测技术。长距离、大功率带式输送机的技术关键是动态 设计与监测，它是制约大型带式输送机发展的核心技术。目前我国用刚性理论来分析研究 带式输送机并制订计算方法和设计规范，设计中对输送带使用了很高的安全系统( 一般取 n = l o 左右) ，与实际情况相差很远。实际上输送带是粘弹性体，长距离带式输送机其输送 带对驱动装置的起、制动力的动态响应是一个非常复杂的过程，而不能简单地用刚体力学 来解释和计算。己开发了带式输送机动态设计方法和应用软件，在大型输送机上对输送机 的动张力进行动态分析与动态监测，降低输送带的安全系统，大大延长使用寿命，确保了 输送机运行的可靠性，从而使大型带式输送机的设计达到了最高水平( 输送带安全系数 n - 5 6 ) ，并使输送机的设备成本尤其是输送带成本大为降低。 ( 2 ) 可靠的可控软起动技术与功率均衡技术。长距离大运量带式输送机由于功率大、 距离长且多机驱动，必须采用软起动方式来降低输送机制动张力，特别是多电机驱动时。 为了减少对电网的冲击，软起动时应有分时慢速起动：还要控制输送机起动加速度0 3 0 。1m s 2 ，解决承载带与驱动带的带速同步问题及输送带涌浪现象，减少对元部件的冲击。 由于制造误差及电机特性误差，各驱动点的功率会出现不均衡，一旦某个电机功率过大将 会引起烧电机事故，因此，各电机之间的功率平衡应加以控制，并提高平衡精度。国内己 大量应用调速型液力偶合器来实现输送机的软起动与功率平衡，解决了长距离带式输送机 的起动与功率平衡及同步性问题。但其调节精度及可靠性与国外相比还有一定差距。此外， 长距离大功率带式输送机除了要求一个运煤带速外，还需要一个验带的带速，调速型液力 偶合器虽然实现软启动与功率平衡，但还需研制适合长距离的无级液力调速装置。当单机 功率 5 0 0k w 时，可控c s t 软起动显示出优越性。由于可控软起动是将行星齿轮减速器的 内齿圈与湿式磨擦离合器组合而成( 即粘性传动) 。通过比例阀及控制系统来实现软起动 与功率平衡，其调节精度可达9 8 以上。但价格昂贵，急需国产化。 b 技术性能上差距 西安理工大学工程硕士学位论文 我国带式输送机的主要性能与参数已不能满足高产高效矿井的需要，尤其是顺槽可 伸缩带式输送机的关键元部件及其功能如自移机尾、高效储带与张紧装黄等与国外有着很 大差距。 ( 1 ) 装机功率我国工作面顺槽可伸缩带式输送机最大装机功率为4 2 5 0k w ，国外 产品可达4 9 7 0k w ，国产带式输送机的装机功率约为国外产品的3 0 4 0 ，固定带式输 送机的装机功率相差更大。 ( 2 ) 运输能力我国带式输送机最大运量为3 0 0 0t h ，国外已达5 5 0 0t h 。 ( 3 ) 最大输送带宽度我国带式输送机为1 4 0 0m l n ，国外最大为1 8 3 0r m 。 ( 4 ) 带速由于受托辊转速的限制，我国带式输送机带速为4 m s ，国外为5 m s 以上。 ( 5 ) i 作面顺槽运输长度我国为3 0 0 0m ，国外为7 3 0 0 m 。 ( 6 ) 自移机尾随着高产高效工作面的不断出现，要求顺槽可伸缩带式输送机机尾随着 工作面的快速推进而快速自移。国内自移机尾主要依赖进口，主要有2 种：( a ) 随转载机 一起移动的由英国l o n g w a l l 公司生产的自移机尾装置。( b ) 德国d b t 公司生产的自 移机尾装置。前者只有一个推进油缸，后者则有2 个推进油缸。l o i n g w 地l 公司生产的 自称机尾用于在国内带宽1 2 m 的输送机上，缺点是自移机尾输送带的跑偏量太小，纠偏 能力弱，刚性差。德国生产的自移机尾在国内使用效果优于前者，水平、垂直2 个方向均 有调偏油缸，纠偏能力强。因此，前者还需完善，后者则需研制。但对自移机尾的要求是 共同的，既要满足输送机正常工作时防滑的要求，又要满足在输送机不停机的情况下实现 快速自移。 ( 7 ) 高效储带与张紧装置我国采用封闭式储带结构和绞车张紧为主，张紧小车易脱 轨，输送带易跑偏，输送带伸缩时，托辊小车不自移，需人工推移，检修麻烦。国外采用 结构先进的开放式储带装置和高精度的大扭矩、大行程自动张紧设备，托辊小车能自动随 输送带伸缩到位。输送带有易跑偏，不会出现脱轨现象。 ( 8 ) 输送机品种与机型品种少，功能单一，使用范围受限，不能充分发挥其效能，如 拓展运人、运科或双向运输等功能，做到一机多用：另外，我国煤矿的地质条件差异很大， 在运输系统的布置上经常会出现一些特殊要求，如弯曲、大倾角( + 2 5 0 ) 直至垂直提升 等，应开发特殊型专用机种带式输送机。 c 可靠性、寿命上的差距 ( 1 ) 输送带抗拉强度我国生产的织物整芯阻燃输送带最高为2 5 0 0n m m ，国外为 3 1 5 0n m m 。钢丝绳芯阻燃输送带最高为4 0 0 0n m m ，国外为7 0 0 0n n u n 。 ( 2 ) 输送带接头强度我国输送带接头强度为母带的5 0 6 5 ，国外达母带的7 0 7 5 。 ( 3 ) 托辊寿命我国现有的托辊技术与国外比较，寿命短、速度低、阻力大，而美国 等使用的新型注油托辊，其运行阻力小，轴承采用稀油润滑，大大地提高了托辊的使用寿 4 1 绪论 命，并可作为高速托辊应用于带式输送机上，使用面广，经济效益显著。我国输送机托辊 寿命为2 万h ，国外托辊寿命5 9 力| h ，国产托辊寿命仅为国外产品的3 0 4 0 。 ( 4 ) 输送机减速器寿命我国输送机减速器寿命2 万h ，国外减速器寿命7 万h 。 ( 5 ) 带式输送机上下运行时可靠性差 d 控制系统上差距 ( 1 ) 驱动方式我国为调速型液力偶合器和硬齿面减速器，国外传动方式多样，如 b o s s 系统、c s t 可控传动系统等，控制精度较高。 ( 2 ) 监控装置国外输送机已采用高档可编程序控制器p l c ，开发了先进的程序软件 与综合电源继电器控制技术以及数据采信、处理、存储、传输、故障诊断与查询等完整自 动监控系统。我国输送机仅采用了中档可编程序控制器来控制输送机的启动、正常运行、 停机等工作过程。虽然能与可控启( 制) 支装置配合使用，达到可控启( 制) 动、带速同 步、功率平衡等功能，但没有自动临近装置，没有故障诊断与查询等。 ( 3 ) 输送机保护装置国外带式输送机除安装防止输送带跑偏、打滑、撕裂、过满堵 塞、自动洒水降尘等保护装置外，近年又开发了很多新型监测装置：传动滚筒、改向滚筒 及托辊组的温度监测系统；烟雾报警及自动消防灭火装置；纤维织输送带纵撕裂及接头监 测系统；防爆电子输送带秤自动计量系统。而我国现有的打滑、堆煤、溜煤眼满仓保护， 防跑偏、超温洒水，烟雾报警装置的可靠性、灵敏性、寿命都较低。 1 2 4 煤矿带式输送机技术的发展趋势 乱设备大型化、提高运输能力 为了适应高产高效集约化生产的需要，带式输送机的输送能力要加大。长距离、高带 速、大运量、大功率是今后发展的必然趋势，也是高产高效矿井运输技术的发展方向。在 今后的几年内输送量要提高到3 0 0 0 4 0 0 0t h ，还速提高至4 6 r n s ，输送长度对于可伸 缩带式输送机要达到3 0 0 0 m 。对于钢绳芯强力带式输送机需加长至5 0 0 0 m 以上，单机驱 动功率要求达到1 0 0 0 1 5 0 0 k w ，输送带抗拉强度达到6 0 0 0 n r a m ( 钢绳芯) 和2 5 0 0 n n u n ( 钢绳芯) 。尤其是煤矿井下顺槽可伸缩输送技术的发展，随着高产高效工作面的出现及 煤炭科技的不断发展，原有的可伸缩带式输送机，无论是主参数，还是运行性能都难以适 应高产高效工作面的要求，煤矿现场急需主参数更大、技术更先进、性能更可靠的长距离、 大运量、大功率顺槽可伸缩带式输送机，以提高我国带式输送机技术的设计水平，填补国 内空白，接近并赶上国际先进工业国的技术水平。其包含7 个方面的关键技术：( 1 ) 带式输 送机动态分析与监控技术；( 2 ) 软起动与功率平衡技术；( 3 ) 中间驱动技术；( 4 ) 自动张紧技术； ( 5 ) 新型高寿命高速托辊技术；( 6 ) 快速自移机尾技术；( 7 ) 高效储带技术。 b 提高元部件性能和可靠性 设备开机率的高与低主要取决于元部件的性能和可靠性。除了进一步完善和提高现 有元部件的性能和可靠性，还要不断地开发研究新的技术和元部件，如高性能可控软起动 西安理工大学工程硕士学住论文 技术、动态分析与监控技术、高效贮带装置、快速自移机尾、高速托辊等，使带式输送机 的性能得到进一步的提高。 c 扩大功能，一机多用化 拓展运人、运料或双向运输等功能，做到一机多用，使其发挥最大的经济效益。开 发特殊型带式输送机，如弯曲带式输送机、大倾角或垂直提升输送机等。 1 3 研究的目的和意义 随着国民经济的迅猛发展，矿山高产高效面不断增多，高带速、大运量、长运距、高 可靠性的大型带式输送机设备逐渐成为时代发展的需求。 由于普通带式输送机长度小( 小于6 0 0 m ) ，带速低( 小于2 米，j 陟) ，运量小，装机功 率小，一般采用单驱动加限矩型偶合器等方式即可满足设计要求；而对于大功率强力带式 输送机，若仍采用通用方法来进行设计选型，虽然能通过加大安全系数、多点转载等方式 来解决设计要求，但是存在潜在的危险，同时很难设计出性能价格比高的产品；因此，分 析皮带机的动态特性、选择适当的起动方式、及功率分配形式，对解决大功率、长运距强 力带式输送机的设计、选型、制作具有重要意义。 本课题从研究大型固定皮带机的选型设计出发。以大型强力皮带机关键部件的设计制 造为起点，充分利用国内外先进的技术和经验，力争设计制造出一种技术先进、性能经济 可靠、使用维护方便的大型强力带式运输设备 1 4 论文主要工作 通过对带式输送机的动态特性分析，力图完成大功率强力带式输送机设计和部分关 键零部件的结构设计，在此基础上对究矿集团兴隆庄煤矿8 3 0 0 岩巷的大功率、强力带式 输送机进行了设计、选型。分下列几个步骤进行 ( 1 ) 对带式输送机进行了动态分析； ( 2 ) 对兖矿集团兴隆庄煤矿8 3 0 0 岩巷大功率、强力带式输送机进行了设计选型。 ( 3 ) 同时，对大功率强力带式输送机的关分键部件，结合煤矿井下实际工况，进行了 优化设计。从而设计出了更加适用于煤矿井下性能稳定，可靠性高的设备。 1 5 论文结构 论文共分五章，各章主要内容如下： 第1 章：绪论 主要介绍了国内外带式输送机的发展及现状，简述了本论文的研究内容。 第2 章：带式输送机的动态力学分析 主要阐述了带式输送机的动态特性，分析带式输送机的启动过程、等效转动惯量的计 算方法及几种常见启动加速度的控制曲线，对皮带机启动过程中不同加速度控制曲线下动 6 1 绪论 载进行了深入的研究，为下一步的大功率带式输送机的选型设计奠定了理论基础。 第3 章：大功率强力带式输送机设计选型 主要对兖矿集团兴隆庄煤矿8 3 0 0 岩巷大功率、强力带式输送机设计选型进行了深入分 析，在静力学计算、动态分析的基础上，提出了两种功率分配方式，完成了强力皮带机关 键部件的结构设计工作及电气控制系统的配置工作。成功解决了大功率强力皮带机设计选 型问题。 第4 章：输送机的投产与效益分析 分析了输送机投产后的经济与社会效益。 第5 章：结论与展望 对本论文完成的工作进行简要的总结，并指出进一步研究的方向。 7 西安理工失学工程硕士学位论文 2 带式输送机的动态力学分析 2 1 带式输送机的动特性 为使带式输送机安全可靠地运行，其结构系统必须具有良好的静、动特性。传统的 设计比较注重静特性计算，而对动特性考虑得比较少。带式输送机的动特性或动力学现象 主要反映在如下几方面p | ： ( 1 ) 纵向振动：这是一种沿输送带纵向产生的振动现象，是由于输送带为粘弹性体， 在外界扰动力( 驱动力、制动力、阻力等) 作用下产生的一种振动，这是带式输送机动 力学现象的最主要部分之一，输送机的技术经济指标影响也最大。它通常产生于运行的过 渡过程中，如启动、制动等。 ( 2 ) 横向振动：这种振动现象是由于输送带平放在托辑上时，产生了一定的悬垂度而 构成的薄板振动体系，振动方向为铅垂面内。当系统设计不当时会产生共振或振幅较大的 振动，对设备危害极大。 ( 3 ) 输送带跑偏：这是一种在输送带平面内，即输送带与托辊的线接触方向上，有一 定的干扰力影响而产生的振动，这种振动可能会引起输送带的跑偏、撒料等现象。 ( 4 ) 受料冲击：在给输送带装料的过程中，物料要以一定的动能或势能形式冲击输送 带，这种现象即受料冲击。 ( 5 ) 运行冲击：输送带和物料在运行过程中，在铅垂面内和水平面内会产生变形，当 经过托辊时，必然以一定的冲击影响托辊和输送带。 在带式输送机设计、选型和使用中，只考虑其静特性是不够的，在许多情况下，动 特性分析往往是决定带式输送机是否技术合理、安全可靠、经济可行的关键。下列现象往 往是因未考虑动特性分析而造成的。 ( 1 ) 带式输送机启动过猛，引起输送带张力急剧升高，拉紧装置工作不稳定，使输送 带安全系数大大降低。 ( 2 ) 带式输送机启动不起来。 ( 3 ) 输送带在驱动滚筒上打滑或打颤。 ( 4 ) 输送带在托辊上运行不稳定，引起物料撒落、输送带跑偏、托辊使用寿命降低。 ( 5 ) 输送常被物料砸破，引起输送带保护层受损，带芯破坏。 ( 6 ) 系统设计不合理、系统安全系数过高，致使设备庞大，成本过高，经济指标不合 理。 带式输送机动力学及设计任务就是了解带式输送机的动力学现象和机理，掌握动力 学的基本规律，根据设计要求，能进行系统的静、动特性分析，实现在设计阶段预测和优 化输送机的动态特性，进而实现对起、制动过程的控制和优化。 带式输送机可以认为是由许多零部件组成的机电系统，要达到全面的分析动力学的 2 带式输i 芝机动态擘分析 目的，必须要考虑如下部件之间的数学模型：输送带本身、输送带和拉紧装置、输送带和 托辊、驱动滚筒和物料、联轴器等。 2 2 带式输送机启动过程的分析 带式输送机作为一个复杂的机电系统，负载重、带速高，在启动和停车的过渡过程中， 输送带中将产生很大的动张力，可能导致输送带的整体或局部滑动，引起输送带传动面及 驱动滚筒衬垫强烈磨损和发热，使输送带与滚筒间粘着系数降低，甚至难于继续启动和运 行。输送带在动张力的作用下，还会使其安全系数降低，张紧装置负荷显著增大，产生很 大的附加位移和冲击，甚至损坏机件。因此，在设计输送机系统时，采用动态分析方法， 从分析弹性波在输送带中的传播规律入手，计算过渡过程的动载荷及带式输送机的启动、 制动时问，减少输送带中的动应力，改善输送机的启、制动及运行条件。 2 2 1 带式输送机的启动 带式输送机的启动过程总体分为三个阶段1 7 】：初动阶段，由牵动整条输送带所需的时 间决定：静阻力施加于驱动滚筒的阶段，由静阻力从最后一个托辊组反射回驱动滚筒所需 的时间决定；以及输送机启动到额定速度的阶段。 输送机的启动过程是一个不稳定的工况，由于所采用的交流电机特性的影响，输送带 中的动张力往往在启动过程中达到最大值。输送带是一个粘弹性体，在驱动力的作用下会 产生粘弹性变形，由于不稳定而产生动张力，同时输送带在启动前各部分的静阻力各不相 同，是一个逐级启动的过程。对输送带中的某一带段来说，只有它两端的拉力差大于它所 受的静阻力时，才会启动。在启动的一瞬间，静阻力变为动阻力，带段开始运动。在这一 过程中，由于静阻力到动阻力的突变，使输送带产生振动，导致输送带截面内的动张力上 升。 带式输送机的启动过程中，输送带的张力在初张力的基础上增加，驱动装置输入的 驱动力作用在下述的三个方面，即：驱动装置的加速；作用在驱动滚筒绕入点的输送带上； 推动回程输送带。工程计算表明，推动回程输送带的驱动力所占比例较小，驱动力主要作 用在前两部分上，其中作用在输送带上的部分需要通过头部输送带在波的传播过程中逐 渐向后传播，当输入的驱动力突变时，对输送带会产生冲击，产生峰值张力，它和输送机 的长度，运行阻力，输送带的力学性质等因素有关。最有效的调整办法是通过软启动装置 改变驱动装置的机械特性，使输入平稳变化，以消除峰值张力。 2 2 2 输送带中弹性波的传播速度 可以将输送带看作具有库仑阻尼力的线弹性模型，来考察弹性波沿托辊组支承的输 送带的传播速度。输送带是均质系统，对其任意截面施加的扰动，将以弹性变形的形式， 沿输送带传播。输送带中弹性波的传播速度为： 9 西安理工大擘工程硕士学位论文 c = 括( m s ) ( 2 1 ) 式中见输送带被研究区段的载荷密度( k g m ) 。输送带的折算弹性模量 弹性波沿输送带的传播速度，是带式输送机动力过程的主要特征参数之一，它很大 程度上决定了输送带动力的幅值。构成输送带动张力的弹性波有三种：人工波，反射波和 透射波。反射波发生在密度不同的两种介质的边界上，向着扰动源( 传动滚筒) 返回运动。 透射波是越过边界并远离扰动源的弹性波。入射波是上述两种波的波源，从扰动源向外传 播。 托辊组间的输送带是由垂度y = 警表示的抛物线，这时由密度和变形决定 的折算弹性模量为： e ：里! l ( 2 2 ) 丘2 q 2 0 l ? + 1 2 s i e o ( 2 2 j 式中 s 一所考查的输送带的平均张力 吼一带上线密度( 在承载区段上吼= 靠+ 如，回空段上以= 吼) “一一带上物料的线密度 “输送带的线密度 一托辊组间距 r 输送带纵向动力弹性模量 将式( 2 2 ) 代入( 2 1 ) 式，可得输送带中的弹性波的传播速度： q = 乒跞 2 2 3 输送带内的振荡 ( m s )( 2 3 ) 对于输送带在启动前，由于拉紧装置提供了拉紧力，输送带处于拉紧状态。驱动滚 筒开始旋转时，输送带紧边的张力在增加，松边的张力在减小。这两个变化都以波的形式沿 输送带传播。随着驱动滚筒的继续转动，振荡波继续传播。由于输送带中有较大的张力， 拉紧装置会有明显的伸长。高张力波继续传播，拉紧装置继续伸长或放绳，松、紧边张 力波相遇，造成剧烈振荡。在输送机正常工作时，每当负载变化，类似情况就会变化 振荡的危害主要表现在： a 对输送带选型的影响 输送带费用一般要占整机费用的4 0 左右，输送带设计人员常按正常张力选择输 送带强度。考虑到振荡问题，在设计输送带时，其安全系数就要取得偏大，造成很大的 i o 2 带式输送机动态擘分析 浪费；会破环输送带接头，造成断带事故。 b 对输送物料的影响 启动时，如果输送带振荡过于剧烈，将引起物料滚动或滑动。 c 改变输送带正常的运行速度 j 下常传递所需的紧边与松边张力比会挺失，尤其在拉紧装置远离驱动装置时更是如 此，从而使输送带在滚筒上打滑、摩擦发热，使输送带的运行速度发生变化。 d 对机械部件的影响 输送带会打击滚筒和托辊，造成机架、滚筒、主轴、轴承、拉紧装置等机械部件的 损坏对带有凸弧段的输送机，槽形托辊损坏更为严重。 为了将振荡减小至最低程度，我们必须选择合理的驱动装置，实现软启动，即通过 控制输送机启动的加速度值，来确保输送机的平稳启动，并达到额定速度；同时使启动 电流与其动张力控制在允许的范围内。 2 2 4 启动过程的动载荷分析 带式输送机阻转矩大小与传输速度无关，属于恒转矩负载。在非稳定运动状态下， 输送带除受静张力作用之外，还受速度变化引起的附加动张力的作用。动张力与静张力 的叠加，引起输送带在驱动滚筒处张力的平均分配，导致输送机的不平稳运行，甚至引 发输送带接头的失效及滚筒及其它部件的损坏，破坏输送机的正常运转。 在对带式输送机启动过程的动载荷进行分析时采取如下假定：驱动滚筒与输送带为 摩擦接触；输送带在滚筒上无滑动：阻力系数与输送带的运行速度及张力无关：输送带 变形服从胡克定律。输送带为均质体系，需用偏微分方程描述其动力过程。在输送机非 稳定的运动状态下，输送带的动张力由下式确定： 岛= c p v( 2 4 ) 其中v 为输送带截面的位移速度( 启动时此速度与输送带的即时速度一致) ，由于假 定输送带与驱动滚筒之间无滑动，求得启动时驱动滚筒外缘的圆周速度，可确定输送带 的动张力。 考虑到带式输送机若采用固定式拉紧装置，则e = 常数，& 为输送带奔离点的张力， 得到： ，h ， m o 三+ 屏c j ，+ p f c x v = f o w y m ，i d v p # ，+ p # ，= a f + p v m 。瓦p 乒t 、p l t 一。 一 k ( g o ) 2 p i 2 2 ；两 m 。一等效到滚筒外缘上驱动装置的质量 西安理工大学工程硕士学住论文 七一减速器惯性矩的系数。k = 1 2 1 3 一电动机机械特性曲线斜度系数 f 一减速器的速比 ( g d ) ：一电动机转子的飞轮转矩 n 一输送带承载分支的载荷线密度 以输送带回空分支的载荷线密 c r 输送带承载分支张力波的速度 巳输送带回空分支张力波的速度 d 一滚简直径 够一驱动装置的剩余力，舻= 矗一形 由初始条件f = o 时v = o ，微分方程( 2 5 ) 的解为： 嵋) 2 万者二万【e x p 掣! 等盟湖 ( 2 6 ) 根据公式( 2 4 ) 与( 2 6 ) ，可以求得输送带趋人点与奔离点的动张力分别为： ( 归垒丝导( e i _ 1 ) ( 2 7 ) 妨( f ) = 竿_ 1 ) a = 母一c r p ，一c 。p i 公式( 2 7 ) 表明，输送带空载分支的动张力波为压力波。 空载启动时，屏= 以，输送带两区段边界上发生的反射波可忽略不计。输送带趋 人点与奔离点的动张力分别为： 墨“) ：华( p - 1 ) ( f ) = 竺笋( p 钆) ( 2 8 ) a = b c ? p ? 一c i p 。 对于带固定拉紧装置的输送机，其启动时间冬可由式( 2 6 ) 求得： 铲万毒瓦加+ 业气笋趔】 ( 2 ，) 2 式中a f t 输送机空载启动时，驱动装置的剩余力，a f = r 一矽 o f 一弹性波沿空载输送带承载区的传播速度 2 带式输送机动态学分析 所一空载输送带承载区的载荷线线密度 rr f 一弹性波返回驱动滚筒所经历的时间f = 2 ( - 。 7 + 三) c rc i 一额定带速 综上所述，带式输送机启、制动时的软特性控制方法，可采用延长启、制动时间， 并连续均匀加、减速方法来实现。输送机的安全性与经济性通常与启动或制动时的动 载荷有关，因此，减小速度的变化律及其启制动时引起的动载荷，避免输送带在启动 时与驱动滚筒产生滑动，限制驱动装置的加速力矩，使启动时间大于弹性波面环绕输 送带的传递时间。 2 3 带式输送机的等效转动惯量 带式输送机的动态连续模型是多阶的复杂的微分方程组，且包括复杂边界条件， 对其完整的动力学方程解析求解几乎不可能。为此，在对带式输送机的研究过程中对 其进行简化，忽略输送带的粘弹特性，对输送机进行动力学分析。 带式输送机的简化模型和受力分析简图如图2 1 和图2 2 所示，其中图2 2 中( a ) 、c o ) 、 ( c ) 分别为尾部滚筒、托辊和驱动滚筒的受力分析简图。 图2 - i 带式输送机的简化模型 f i g 2 一lt h es i i l i p b f i e dm o d e lo f l l tc o n v e y o r f 2 f 3 f l 图2 2 受力分析简图 f i g 2 2t h es i m p l i f i e do f t h er e c e i v e df o r c e 西安理工夫擘工程硕士擘位论文 在对带式输送机的转动惯量进行计算时，依据的原则是通过计算带式输送机各部 件折合到驱动滚筒的转动惯量，求出带式输送机的等效转动惯量进行研究 2 3 1 带式输送机转动惯量的折算原则 由机械原理可知，单自由度机构可简化为具有等效质量或等效转动惯量的等效构件， 其上作用有等效力或等效力矩。此时，等效构件的运动规律与其在机构中的运动规律完全 相同。 带式输送机的简化模型如图2 1 所示，它有驱动滚筒、托辊、尾部滚筒和输送带组成。 忽略输送带的粘弹特性。将带式输送机的各部件的转动惯量等效计算到带式输送机的驱动 滚筒上，求出带式输送机的等效惯量。根据带式输送机的简化模型，带式输送机的转动惯 量包括：托辊的转动惯量、输送带的转动惯量，驱动滚筒的转动惯量和尾部滚筒的转动惯 量。将其全部折算到带式输送机的驱动滚筒处。 2 3 2 带式输送机转动惯置的计算 已知驱动滚筒的半径为，质量为码，尾部滚筒的半径为，质量为，托辊的半 径为r 3 ，质量为m ，输送带与物料的整体质量为鸭。其中，= r 2 设驱动滚筒的张力为鼻，转矩为嵋，角速度为m ，；尾部滚筒的张力为最，转矩为 鸩，角速度为q ，托辊的张力为e ，转矩为坞，角速度为q ，皮带的等效质量为， 加速度为a 驱动力矩为 f 。 根据回转刚体的运动方程可得： m ：，掣 ( 2 1 0 ) 讲 根据学顿第二定律可得： f = 珑= 研，。m q 2 吐r 2 。c 0 3 r 3 a 当以输送带为研究对象时，输送带受到的张力e 由式( 2 1 0 ) 与式( 2 1 1 ) 可得： 只= 肌4 a ；扰4 q m 4 = 山q = 只 = ，。q 以= m 4 2 b 当以托辊为研究对象时，托辊的受到的张力只 根据式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 与式( 2 1 2 ) - j 得： 以q = m ，= 只 1 4 ( 2 1 1 ) ( 2 ，l z ) 2 带式输送机动态学分析 q = q 吩 r = j ，c o l r i | 畦 设托辊的个数为n ，则托辊所受到的总张力为只 c = 嵋= 鸠q 孑 c 当以尾部滚筒为研究对象时，尾部滚筒受到的张力为e 根据式( 2 1 0 ) 、式( 2 i i ) 与式( 2 1 2 ) 可得