带式输送机制动张力的计算方法_韩伟.pdf

第 51 卷 2023 年第 2 期提运编辑赵琨21带式输送机制动张力的计算方法韩伟中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司辽宁沈阳110015摘要：上运或水平带式输送机使用摩擦式制动装置后，带式输送机由稳定运行工况过渡到逆止工况或减速制动工况，输送带张力也有了相应的变化，张力对带式输送机安全可靠运行、部件选型优化至关重要。结合 2 个工程实例，通过研究不同工况下逆止力与不打滑条件计算方法、制动力与不打滑条件计算方法，得出不同工况下张力的计算方法，并用 Overland Conveyor Belt Analyst 仿真软件对相关计算过程及结果进行验证。关键词：带式输送机；不打滑条件；制动；逆止；减速中图分类号：TD528+.1 文献标志码：A文章编号：1001-3954(2023)02-0021-05Calculation method for braking tension of belt conveyorHAN WeiShenyang Design&Research Institute Co.,Ltd.of China Coal Technology&Engineering Group,Shenyang 110015,Liaoning,ChinaAbstract：As the belt conveyor converts from the stable operation mode to the backstop mode or deceleration braking mode after the friction braking device being applied to the upward or horizontal belt conveyor,the belt tension changed accordingly.The tension is crucial to the safe and reliable operation of the belt conveyor and the selection of components.In combination with two engineering cases,the paper researched the calculation method for backstop force and non-slip conditions,and the calculation method for braking force and non-slip conditions in various operation modes,and obtained the calculation method for the tension in various operation modes.Moreover,simulation software Overland Conveyor Belt Analyst was applied to verify the calculation process and results.Key Words：belt conveyor;non-slip condition;braking;backstop;deceleration 基金项目：中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司科技创新项目“半移动式带式输送机的机头站、机尾站技术研究与设备研发”(NKJ001-2022)作者简介：韩伟，男，1977 年生，工程师，主要从事露天煤矿地面生产系统工艺设计与带式输送机设计工作。带 式输送机通过摩擦传递启动圆周力和制动圆 周力，在启动、稳定运行、逆止、减速制动等 4 种工况，均应满足输送带与滚筒的不打滑条件及输送带的垂度条件。上运或水平带式输送机使用摩擦式制动装置时，根据使用目的不同，制动装置可发挥 2 个重要作用：逆止停止、减速停车，分别对应逆止工况、减速制动工况。文献 1-2 提出了不同的逆止力计算方法，文献 351,57,90 除提出不同的逆止力计算方法外，还规定了制动力、不打滑条件的计算方法，并要求在大型及复杂带式输送机制动停机时对其不打滑条件进行验算。笔者研究了工况相对简单的带式输送机在逆止工况、减速制动工况验算不打滑条件的必要性及不同工况张力的变化情况。1逆止工况按文献 4 要求，发生逆转的上运大型带式输送机，应同时装设制动装置和逆止装置；其他发生逆转的上运带式输送机，应装设制动装置或逆止装置。按文献 5 要求，上运带式输送机应当装设制动器和逆止器。笔者认为在上运带式输送机中，制动装置不用于减速停车时，可以起到逆止作用，防止输送机倒转。此时，若要安全停机，制动装置的额定制动力需满足设计要求，且输送带与传动滚筒绕出点张力应满足不打滑条件。DOI:10.16816/ki.ksjx.2023.02.010第 51 卷 2023 年第 2 期提运编辑赵琨221.1逆止力的计算根据文献 390 可知，逆止力FT=Fst-FH，(1)式中：Fst 为提升阻力，N；FH 为主要阻力，N。制动装置承受的额定逆止力FM=k2 FT，(2)式中：k2 为工况系数，取 1.5 2，停机不超过 3 4 次时取小值，其他工况取大值390。计算提升阻力时，需要根据生产工艺，考虑会出现的不利工况。对于凹弧地形，最不利工况为上坡段物料满载，其余段物料空载，如图 1 所示。此时，计算物料的提升阻力需考虑一个上坡段的提升高度。对于波浪起伏的地形，在半连续生产工艺中的极端情况下，最不利工况为所有上坡段物料满载，其余段物料空载，如图 2 所示。此时，计算物料的提升阻力需考虑所有上坡段物料的提升高度之和。对于全程带料的工况，即使地形波浪起伏多次，地形中上坡段与下坡段的物料、输送带的提升阻力(提升阻力值上坡段为正，下坡段为负)也都相互抵消，则带式输送机尾部受料点与头部卸料端高差即为提升高度。计算主要阻力时，模拟摩擦因数的取值是关键。满载启动时，输送带克服主要阻力、附加阻力、特种阻力等阻力，产生了滚筒启动圆周力。越不利工况，产生的阻力值越大，因此在计算启动圆周力时的模拟摩擦因数取值也应越大(取值范围为 0.0160.030)342。而逆止工况则不同，根据式(1)可知，主要阻力越小，逆止力就越大。为了增加计算结果的安全系数，逆止工况下计算主要阻力时，模拟摩擦因数 f 的取值应较小(取值范围为 0.0120.016)330，且附加阻力和特种阻力不参与计算。1.2逆止工况的不打滑条件逆止工况选用制动装置是为了防止输送机倒转。虽然制动装置的额定制动力满足设计要求，但输送带与滚筒之间打滑同样会引起输送机的倒转。逆止工况下，输送带与传动滚筒的绕出点需要保持一定的张力，才能确保输送带与滚筒不打滑。装有制动装置的传动滚筒逆止工况受力模型如图 3 所示，A、B 两点分别为输送带与传动滚筒的绕入点、绕出点，其张力分别为 F1、F2。根据不打滑条件原理公式350 得FT=F1-F2，(3)其中，逆止工况不打滑条件最小张力FF211=Te，(4)式中：e 为尤拉系数；为输送带与传动滚筒的摩擦因数；为输送带在传动滚筒上围包角，rad，代入公式时均按弧度计算。1.3逆止工况的工程实例计算及验证某带式输送机的参数为：机长为 600 m，提升高度为 100 m，运量为 2 900 t/h，带速为 5 m/s。该输送机简化物理模型如图 4 所示。图中 A 为输送带与 2 号传动滚筒的绕入点，其张力为 F1-2。1 号传动滚筒围包角为 140(2.45 rad)，e=2.08；2 号传动滚筒围包角为 200(3.49 rad)，e=2.85。在带式输送机设计或改造中，由于安装空间或安装条件受限，只能在双滚筒双驱动上安装 1 个制动装置，作用于 2 号传动滚筒。1.3.1张力计算满载启动工况下，根据带式输送机参数计算可得，启动圆周力 FTrA=240 kN(模拟摩擦因数 f=0.025)；由于采用双滚筒双驱动，单个滚筒的启动圆周力即为 120 N。由文献 349 不打滑条件计算公式得满载启动工况满足条件的最小张力 F2=65 kN，进而图 1凹弧地形不利工况(左侧为机头方向)Fig.1 Adverse operation mode of concave arc terrain(left side is head direction)图 2起伏地形不利工况(左侧为机头方向)Fig.2 Adverse operation mode of undulating terrain(left side is head direction)图 3传动滚筒受力模型Fig.3 Force model of transmission drum1.1 号传动滚筒2.2 号传动滚筒3.张紧滚筒图 4上运带式输送机简化物理模型Fig.4 Simplified physical model of upward belt conveyor第 51 卷 2023 年第 2 期提运编辑赵琨23可得：F1-2=F2 +FTrA2=185 kN，F1=F1-2+FTrA2=305 kN。逆止工况下，由式(1)得 FT=132 kN(模拟摩擦因数 f=0.016)。由式(4)得 F2=72 kN，进而可得：F1-2=F1=F2+FT=204 kN。1.3.2动态仿真验证在工程中可使用 Overland Conveyor Belt Analyst 进行动态仿真分析，按工程实例在仿真软件中输入机长、提升高度、运量、带速、托辊旋转质量、输送带质量等参数建立仿真模型。在软件中设置张力 F2 为 65 kN(启动工况不打滑条件)。在动态分析软件的停机模块，生成 2 号传动滚筒的打滑-时间曲线，如图 5 所示。图中横坐标为停机时间，纵坐标为滚筒与输送带绕入点与绕出点张力比值；纵坐标 2.85 处的横线即为设计的许用尤拉系数。可以看出，01阶段，带式输送机由稳定工况向自由停车工况过渡；15阶段为自由停车工况，没有产生逆止力；约 6 s 之后为逆止工况，逆止力导致 F1-2 变大，当 F1-2/F2 的比值大于设计的许用尤拉系数时，滚筒与输送带打滑；6 15曲线波动是由于输送带为弹性体所致，张力增加时，输送带会有一定的延伸量。调整动态仿真参数，设置张力 F2 为 72 kN(逆止工况不打滑条件)。在动态分析软件的停机模块，生成可安全停车的 2 号传动滚筒的打滑-时间和张力-时间曲线，分别如图 6、7 所示。图 7 中横坐标为停机时间。可以看出，01 s 阶段，带式输送机由稳定工况向自由停车工况过渡；15 s 阶段为自由停车工况，没有产生逆止力；约 6 s 之后进入逆止工况，逆止力导致 F1、F1-2 增大；14曲线波动是由于输送带为弹性体所致。通过计算及仿真结果可知，即使制动装置的制动力满足设计要求，若输送带与滚筒之间打滑，也不符合安全停车的设计要求。滚筒许用合力、许用转矩也应按逆止工况计算。多驱动单元情况下，单个制动装置承担逆止作用时，若逆止力大于单个驱动单元的启动圆周力，则需按逆止工况不打滑条件进行验算。2减速制动工况上运或水平带式输送机在自由停车时间过长、输送系统断电、电动机故障等情况下，上游带式输送机停机时间大于下游带式输送机停车时间，会导致转载点积料。减速制动工况采用摩擦制动装置调节停车时间，可避免积料。制动并不是通过制动驱动单元让其减速达到制动目的，而是通过增加摩擦阻力，抵消带式输送机运动体的惯性力，从而达到减速停车目的。因此，在制动过程中，输送带需要同时满足启动工况和制动工况的不打滑条件与垂度条件。2.1减速制动力计算减速停机工况制动装置的受力情况与逆止工况相同，受力模型如图 3 所示。根据文献 351,57-58，减速制动力FB=Fa-Fu=(mL+mD)aB-Fu，(5)FB=F2-F1，(6)其中，根据制动工况不打滑条件，输送带与传动滚筒的绕入点需保持最小张力F1=FB11e，(7)式中：Fa 为带式输送机运动体的总惯性力，N；Fu 为总的运