带式输送机等寿命品字形托辊组压陷阻力研究.pdf

143引用格：Vol.55,No.8COALENGINEERING第55卷第8 期程炭煤doi:10.11799/ce202308026带式输送机等寿命品字形托组压陷阻力研究石浩，张皓男，周满山，张媛12（1.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590；2.力博重工科技股份有限公司，山东泰安271099)摘要：压陷阻力是输送带运行过程中主要阻力，为了减小压陷阻力，基于一维Winkler粘弹性基础模型和标准线性固体模型，推导了输送带压陷阻力的表面应力分布，提出一种新型等寿命品字形45托辊组。分析了其布置优势，并对压陷阻力进行了数值模拟，对载荷、输送带运行速度、不同托辊运行间距的影响进行了分析，并通过实验结果对数值模拟正确性进行验证。得到以下结论：等寿命品字形45托辊组的压陷阻力比标准35托辊组减少30%左右，压陷阻力大大降低，进而达到带式输送机整机节能降耗的目的。关键词：带式输送机；压陷阻力；新型托组；数值模拟中图分类号：TD528文献标识码：A文章编号：16 7 1-0 959(2 0 2 3)0 8-0 143-0 5Sag resistance of theidlers forbelt conveyorsSHI Hao,ZHANG Haonan,ZHOU Manshan,ZHANG Yuan-2(1.School of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.Libo Heavy Industries Science and Technology Co.,Ltd.,Taian 271099,China)Abstract:The sag resistance is the main resistance during the operation of the conveyor belt.In order to reduce the sagresistance,the one-dimensional Winkler viscoelastic basic model and the standard linear solid model were used to deduce thesurface stress distribution of the conveyor belt sag resistance,and a new type of 45 idler set of life product was proposed.Itslayout advantages were analyzed,and the sag resistance was numerically simulated,and the influence of the load,the runningspeed of the conveyor belt,and the running distance of different idlers were analyzed,and the correctness of the numericalsimulation was verified by the experimental results.The following conclusions were obtained:the sag resistance of the equal-life 45 idler group is reduced by about 30%compared with the standard 35 idler group,and the sag resistance is greatlyreduced,thereby achieving the purpose of energy saving and consumption reduction of the whole belt conveyor.Keywords:belt conveyor;sag resistance;new idler group;numerical simulation随着我国矿山设备节能降耗标准的不断提高，节能降耗已成为我国大型带式输送机技术发展的重要目标。输送机运行阻力主要由压陷阻力和托辊旋转阻力决定，其中压陷阻力约占整个系统运行阻力的50%2.3，造成的能量损失约占带式输送机系统运行成本的35%4-6 。国外对压陷阻力研究起步较早，L.Gladysiewica7.8提出了新理论模型，证明应力分布与输送带的横向变形共存，并研究了托辊负载分配对压陷阻力的影响。Wheeler9使用一维Winkler模型来预测托辊的压陷阻力，并运用有限元法对模型各点应力进行了模拟。在国内，王繁生10 11运用边界元法，对压陷阻力进行仿真研究。毛君等12-141采用Kelvin 模型和能耗理论推导压陷阻力系数。苏金虎等15 采用积分型四参量本构模型来收稿日期：2 0 2 2-10-2 4基金项目：国家自然科学基金（4197 6 0 44）；山东省自然科学基金（ZR2021ME087）；山东省中央引导地方科技发展资金(YDZX20203700004855)作者简介：石浩（198 8 一），男，山东肥城人，讲师，博士，主要研究领域为机电液一体化技术，E-mail：s h i h a o 。通信作者：张皓男（1998 一），男，山东烟台人，硕士研究生，主要研究领域为带式输送机方面的研发，Email：。式：石浩，张皓男，周满山，等带式输送机等寿命品字形托辊组压陷阻力研究J煤炭工程，2 0 2 3，55(8):143-147.1442023年第8 期研究探讨程炭煤描述压陷阻力。王珏16 依据输送带与物料的应力状态推导出压陷阻力理论公式并进行仿真研究。为了降低大型带式输送机的使用成本，达到带式输送机节能降耗的目的，建立了压陷阻力应力分布数学模型。为研究其使用效果，在不同条件下进行数值模拟，并通过实验研究对数值模拟正确性进行验证。与传统标准35托辊组比较，压陷阻力降低30%左右，进而达到带式输送机整机节能降耗的目的。1压陷阻力的理论分析压陷阻力取决于输送带的本构特性及工况参数17 ，采用一维Winkler粘弹性基础模型和标准线性固体模型18-2 0 ，运行状态下输送带与托辊之间的压陷阻力分布状态如图1所示，图中和y表示原点在托辊中心的惯性坐标轴，x和y表示原点在输送带上随输送带以相同速度V运动的动坐标轴，A、B点的绝对坐标分别为=，x=b。设输送带在y轴方向最大变形为ho，根据图1中的几何关系可以得到接触区域内输送带上的任意一点p处变形h(x)。2h=ho-（1）2RAVPHBx(x)图1托辊与输送带接触挤压模型考虑到h、h。R，可以得到h。的近似计算式ho=/2R，且运动速度V在接触过程中保持不变，所以A点，其任意时刻的绝对坐标=-Vt，整理可得接触区域上某点沿轴方向压陷变形的时间历程：Vh（t(2at-Vt2)(2)2R运用Winkler粘弹性基础模型，输送带覆盖层与托辊接触区域各点的应变可用下式计算：hV2at-Vt)(3)H2RH相应有：d:(T)Va-VT)(4)TRH由本构方程可得压力分布：g(t)Y(t-T)de(T)(5)上式相关的应力松弛系数Y（t）：q1Y(t)=qo+P1eP1Pi=n/(E,+E2)(6)q0=E,E2/(E,+E2)q1=mE2/(E,+E,)式中，E，E,为弹性元件弹性模量，MPa；n为黏性元件黏性系数。输送带压陷阻力计算公式整理可得：Vp(qi-P190)(a+Vp,)(1-e)-Vil+RH9V(2at-Vt?)(7)2RH式中，（t)为输送带表面在接触部分的向应力。2数值模拟2.1模型建立托辊组几何模型如图2 所示，根据托辊的真实数据，建立托辊模型，托辊夹角35，45(a)标准35托辊组(b)等寿命品字形45托辊组图2托辊组几何模型在等寿命前提下品字形托辊组布置的优势：中间托辊长度减小，托辊受力改善，提高托辊的运行寿命；四节托辊结构，输送带每个点的弯折变小，输送带受力得到改善，延长输送带的寿命，这一点1452023年第8 期程炭研究探讨煤对于长距离高强度输送带尤为重要；成槽从35提高为45，提高了输送带的纵向刚度，减少了垂度，从而降低振动，减少能耗，增加了输送带的接触面积，提高了运输能力；采用品字形结构，提高运行稳定性，有利于纠偏防偏。输送带简化几何模型如图3所示，结合托辊、输送带接触模型，并将托辊组简化，取消了托辊支架，模拟时直接将托辊组位置进行固定，建立了输送带数值模拟模型(a)标准35托辊组(b)等寿命品字形45托辊组图3输送带简化几何模型2.2载荷对压陷阻力的影响定义输送带为弹性体，托辊为刚形体，对托辊组进行固定，对输送带施加150 0 N/m的载荷，应力、应变分布如图4、图5所示。应力/MPa0.348300.220.070(a）标准35托辊组应力/MPa0.230.150.100.050(b)等寿命品字形45托辊组图4不同托辊组应力由图4可知，两组托辊组应力最大处位于钢丝绳芯输送带与托辊接触的位置两侧，其次在钢丝绳芯输送带折角成槽处以及两节托辊之间的应力也较大。使用传统35托辊时，输送带与托辊组间的最高应力为0.336 0 6 MPa，平均应力在0.15MPa左右；使用等寿命品字形45槽型托辊组时，输送带与托辊组间的最高应力为0.2 32 41MPa，平均应力在0.10MPa左右。因此在相同载荷下，使用等寿命品字形45槽型托辊组比传统35托辊组的压陷阻力降399.6355.2266.4177.688.80(a)标准35托辊组341.3365.4227.6151.775.80(b)等寿命品字形45托辊组图5不同托辊组应变低30%左右。由图5可知，两组托辊组垂度分布基本一致：在有托辊承载处，垂度基本为0；在输送带两侧由于负载与钢丝绳芯输送带之间存在夹角，载荷并非作用于两侧的法线方向上，所以形变并不严重；输送带中间处两组托辊之间垂度最大，该处无托辊承载，载荷垂直于输送带表面，下垂最严重。等寿命品字形45托辊组由于中间托辊长度减小，托辊受力大大改善，这种托辊等寿命设计原则，大大提高托辊的运行寿命，这对于长距离高强度输送带尤为重要。2.3运行速度对压陷阻力的影响带式输送机的运行速度对压陷阻力的影响也很明显，目前，大多数的研究者认为压陷阻力随着速度的增加而增大2 1，不同速度应力曲线如图6 所示。图6的仿真结果曲线也很好地验证了这一点。但从仿真结果可看出，速度与压陷阻力成非线性关系。6000+45托辊组35托辊组5500/50004500400010.51.01.52.02.53.03.5速度/(m:s)图6不同速度应力曲线托辊组布置形式对于压陷阻力有较大影响，根据数值模拟可知，在相同带速和载荷下，等寿命品字形45托辊组的压陷阻力比标准35托辊组降低30%左右，其压陷阻力有着明显的减小，可以极大地降低运行过程中能耗的损失。2.4托辊间距对压陷阻力影响设置托辊间距1.2 m，施加150 0 N/m的载荷，分析钢丝绳芯输送带应力的分布状况。相同载荷、1462023年第8 期研究探讨程炭煤1.2m托辊组布置间距下的应力分布情况如图7 所示。由图7 可知，传统35托辊组此时应力最大值为0.131531MPa，平均应力在0.0 5MPa左右；等寿命品字形45槽型托辊组输送带应力最大值为0.13186MPa，平均应力在0.0 4MPa左右。采用等寿命品字形45槽型托辊组后，托辊组前后有效间距增大将有助于减小压陷阻力，降低能耗，同时增加托辊寿命。0.13186Max0.102550.0732530.0439520.014651OMin(a)等寿命品字形45槽型托辊组0.23241Max0.180760.129120.077470.025823oMin(b)传统35托辊组图7 1.2 m托辊间距不同托辊组应力分布(MPa)图7 与图4托辊间距为2 m相比，应力最大值较小，可知托辊间距越大，压陷阻力越大，增大了运行过程的能耗。这是因为间距增大作用在单个托辊上的质量也随之增大。减小托辊的间距虽然降低了单个托辊上的压陷阻力，但是与此同时，带式输送机所需托辊的数量就要增加，不仅增加整个输送带的压陷阻力，也要增多托辊的经济成本。3实验研究与应用3.1实验研究输送带在两侧的斜托辊上的变形是相同的，因此为了方便可以只研究一边的变形2 3，试验台示意如图8 所示。滑轮重物电子秤支撑架输送带图：实验台示意图将定滑轮固定在行车的挂钩上，滑轮位置可调，调节滑轮的位置使绳垂直。通过电子称上的差值可以得到压力。用重物块压住输送带，支撑架的三根圆管会高出地面，与实际中不符，因此用厚度与圆管直径相等的木板垫在输送带底下，以此模拟传统35托辊组，等寿命品字形45槽型托辊组因有四节托辊且下方两托辊为“V”字形，故用带有折角的木板垫在输送带底下，模仿下方两节托辊进行试验。实验开始前不放输送带，此时电子称显示数据300kg。然后放输送带按照上述方法放到支撑架上，记录电子称的显示数值a，从而得到绳拉力F=(300-）g，侧面说明了压下阻力大小。在输送带一侧放不同重量的重物块模拟施加不同的载荷，结果如图9所示。随着重物质量的增加，绳的拉力逐渐变大。在重物质量相同时，等寿命品字形45槽型托辊组比传统35托辊组的压陷阻力降低30%左右。30003545N/2000100000100200300重物质量/kg图9质量与力关系图对比数值模拟结果结果可知：实验值稍大于数值模拟结果，但误差很小。引起误差的原因主要有：实验中输送带质量不均匀、行车受变频调速的影响；模拟中输送带覆盖层与实际存在误差。3.2应用实例力博重工科技股份有限公司在美国西弗吉尼亚州建造一条长距离弯曲带式输送机。该项目实施过程中采用等寿命品字形45槽型托辊组，如图10 所示，采用等寿命品字形托辊后，有效降低了设计过程中阻力值的大小，并优化了装备的选型图10寿命品字形45槽型托辊组4结论1）基于一维Winkler粘弹性基础模型和标准线性固体模型，推导了输送带压陷阻力的表面应力分布。提出了一种新型等寿命品字形45托辊组，并分147（责任编辑赵巧芝）2023年第8 期程炭研究探讨煤析了新型托辊组的布置优势。2）通过对输送带压陷阻力进行仿真分析和实验可知：与法向应力相比，接触区域的切向应力完全可以忽略不计；压陷阻力与载荷成非线性关系；压陷阻力总体随着速度的增加而增大，但会有波动；等寿命品字形45托辊组的压陷阻力相比标准35托辊组的降低30%左右，压陷阻力大大降低，进而达到带式输送机整机节能降耗的目的。参考文献：1袁海鹏。带式输送机多样化及发展趋势的研究J煤矿机械，2 0 2 1,42(11)：45-47.2徐传洪带式输送机运行阻力分析与研究【D青岛：山东科技大学，2 0 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