长距离越野带式输送机静动态分析

摘要：针对长距离越野带式输送机运输线路复杂、输送带上物料分布不均匀等特点，利用Belt Analyst分析软件，建立了5种出现概率较高的工况模型，静态分析了这5种工况下带式输送机圆周驱动力、电动机轴功率、张紧力等参数的差异，确定了最恶劣工况。同时对带式输送机启动、停车和制动期间输送带关键点张力、滚筒合力、张紧小车位移和速度、驱动滚筒紧松边张力比等参数进行了动态分析，调整了最终滚筒合力参数。经过一年多时间的运行检验，该系统各项参数满足稳定运行要求，对长距离越野带式输送机设计具有一定的参考意义。

关键词：长距离运输；越野带式输送机；Belt Analyst；静动态分析

作者：凌斌辉，汪顺民，杨需帅；长沙有色冶金设计研究院有限公司湖南长沙 410019

中图分类号：TD528+.1 文献标志码：B 文章编号：1001-3954(2022)01-0024-05

近年来，由于长距离越野带式输送机具有适应地形能力较强、运输效率较高、投资成本较低、易于实现全系统自动控制等优点，已被广泛应用于矿山、港口和化工等领域-3)。相较于中小型带式输送机，长距离越野带式输送机具有高驱动力、黏弹性变形、运输线路复杂等特点。

国内外学者在高驱动力、黏弹性方面做了大量的研究，研究认为：长距离带式输送机大多采用头尾多滚筒驱动、中间多点驱动等布置方式，多点驱动可有效降低各驱动站单点驱动力；但驱动站的布置形式、输送带弹性伸长、各驱动滚筒直径不同以及电动机转差率等因素会导致各驱动滚筒的牵引力不等，造成功率不平衡等现象；高润东等人采用转矩控制原理及主从控制策略有效解决了功率不平衡现象。

输送带属于黏弹性体，带式输送机启动时，过大的加速度会使带式输送机处于不稳定状态，产生较大的动张力，对设备和电网造成冲击，因此有必要采用软启动控制方式。通过查阅文献，目前比较常用的启动方式有液力黏性调速、液力耦合器调整、直流调速及变频调速等，各启动方式各有优缺点，需根据工艺要求及经济性等因素综合考虑。

越野带式输送机运输线路较长，沿线地形起伏，受建筑物或不利的工程地质条件所限，造成运输线路垂直方向凹凸弧和水平转弯较多，再加上带式输送机上物料分布不均匀，导致带式输送机处于多工况运行状态。各工况下带式输送机的圆周驱动力、轴功率、张紧力、输送带强度、关键点张力和水平转弯特性等差别较大，国内外学者对此少有关注，因此有必要对此展开研究。

笔者以几内亚 Boffa 铝土矿带式输送机工程为例，利用Belt Analyst仿真分析软件，建立带式输送机系统全程满载、全程空载、仅尾部下运段有物料、仅尾部下运段无物料、尾部无物料5种工况模型，从静态和动态两个维度进行分析，详细对比了不同工况下各参数的差异性，并对带式输送机启动、停车、制动时期的运行状态进行动态分析，以期对长距离越野带式输送机的设计提供一定的参考。

1 系统特点概述

几内亚 Boffa 铝土矿为露天开采，年最低气温约10℃，最高气温约44℃。物料块度<150 mm，松散密度 1.45 t/m，自然安息角35°～38°，含水率8%～10%。带式输送机设计运输能力为5 000 t/h，水平运输距离约为12.307 km，头尾整体高差-119m。沿线区域被热带稀树草原覆盖，多为杂草和灌木，具体情况如图1所示。带式输送机沿地形起伏布置，跨越Fatala河、多个沟底以及人员和动物通道；输送带上运段最大倾角4.0°，下运段最大倾角-7.79°；中间设有1个水平转弯，平面转弯半径4000m；承载段与回程段有凹凸弧64处。带式输送机凹凸弧及水平转弯位置如图2所示。

初步选定带式输送机带宽为1400 mm，带速为5.6 m/s，采用头尾多滚筒驱动。头部配置2个 1600驱动滚筒，4台变频电动机(4×1 000kW)；尾部配置1个 1600驱动滚筒，2台变频电动机(2×1000kW)。带式输送机滚筒布置如图3 所示。头部变频绞车张紧，张紧行程 39 m，张紧力 240 kN；输送带型号ST4000/10+8，物料填充率87%；尾部盘式制动，制动力矩300 kN·m。3×35°槽形承载托辑(φ178×530)，间距1.5 m；2×10°V 型回程托棍(φ178×800)，间距3.0 m，托滚速601 r/min。正常启动时间 280 s、停车时间180 s，自由制动时间 40.2s，等效模拟摩擦因数0.0205。

综合考虑带式输送机正常运行、启动及停车过程中的物料分布情况，可分为如下5种运行工况：全程满载(工况1)、全程空载(工况2)、仅尾部下运段有物料(工况3)、仅尾部下运段无物料(工况4)及尾部无物料(工况5)，如图4所示。

图4带式输送机5种运行工况

其中图4(a)、4(b)为正常运行工况，图4(c)～4(e)为带式输送机装卸载过程中可能出现的瞬时工况。由于带式输送机前端设置有连续给料设备，可不考虑仅平行上运段有物料和仅下运段有物料这2种极端工况。

2 模型分析

2.1 静态分析

2.1.1 圆周驱动力和轴功率对比

带式输送机不同工况下圆周驱动力、电动机轴功率计算结果如表1所列。根据表1数据可以发现，不同工况下，带式输送机圆周驱动力和电动机轴功率差别较大，其中工况4电动机总轴功率最大，为5 841kW，占总装机功率的97.4%；工况3电动机总轴功率最小，为1563kW，占总装机功率的26.0%。

表1不同工况下圆周驱动力和轴功率

2.1.2 张紧力对比

输送带张力须满足以下要求：在稳定运行、启动和制动工况下，输送带与传动滚筒间不打滑。稳定运行时，输送带在两相邻托棍组间的最大垂度取1%，此时，带式输送机传动滚筒绕出点的输送带张力

承载段垂度要求

式中：F2为传动滚筒绕出点输送带张力，N；F_Tr为稳定运行时传动滚筒的圆周力，N；u为传动滚筒与输送带间的摩擦因数；φ为输送带在传动滚筒上的围包角，(°)；q_G为输送带单位长度上的物料质量，kg/m；qB为输送带单位长度质量，kg/m；a₀为上分支托棍组的间距，m；h_rmax为输送带两相邻托棍组间的垂度，取1%。

各工况下输送带最小张力要求如表2所列。由表2可知，各工况点最小张力要求差别较大：工况4最小张力要求值最大，为225.0 kN；工况3最小张力要求值最小，为71.6kN。

表2 不同工况下输送带最小张力要求

2.1.3 输送带安全系数对比

带式输送机满载稳定运行时输送带安全系数需大于 7.00，各工况下带式输送机启制动时输送带安全系数需大于5.00，不同工况下输送带安全系数如表3所列。

表 3不同工况下输送带安全系数

由表3可知，带式输送机满载稳定运行时(工况1)，输送带安全系数为 7.50>7.00；工况 4，输送带启动安全系数最低为6.34>5.00，亦满足设计要求。

2.1.4 平面转弯分析

带式输送机运输线路设置一处水平转弯段，根据规范要求，水平转弯段最小曲率半径需同时满足水平转弯段力的平衡条件、输送带外缘许用应力限制条件、输送带不离开侧面托辑的限制条件的要求。调整水平转弯段承载托棍组槽角为45°，上下托棍内侧抬升角为5°，设定转弯半径为4 000 m，平面转角为 30.07°，计算各工况下输送带偏移量。计算结果显示，除工况4(见表4)在运行时输送带偏移量稍大外(31.8 mm<122.5 mm)，其余工况输送带偏移量很小，且各工况下水平转弯段输送带张力都能满足1% 的垂度要求。

2.2 动态分析

带式输送机静态分析是将输送带视为刚体进行动力学分析，可满足短距离、小运量的带式输送机的设计精度要求。而长距离越野带式输送机运输距离长，运输线路复杂，多点驱动功率平衡难，输送带的黏弹性体特性对输送机影响较大，因此有必要在静态分析的基础上，对带式输送机的启动、停车、制动过程进行动态分析。

以头部驱动滚筒为主控制，其余驱动滚筒为从控制，从动电动机转矩跟踪主电动机。

(1)关键点张力滚筒、承载段、回程段等关键点张力如表5所列。带式输送机启动瞬间，头部驱动滚筒处输送带张力最大，为830.90 kN，此时输送带安全系数为6.73＞5.00。制动停车过程约12s时，承载段 4195.06m处输送带张力最小，为50.60 kN，此时输送带垂度为1.15%<2.00%。

表5 启、停、制动时关键点张力

(2)张紧小车位移和速度 满载停机过程中，张紧小车最大位移为-1.81 m(往张紧滚筒收缩方向移动)，张紧小车最大速度为 -0.04 m/s；满载启动过程中，张紧小车最大位移为2.98 m(往张紧滚筒张紧方向移动)，最大速度为0.13 m/s；满载制动停机过程中，变频绞车由于自身制动器处于制动状态，变频绞车不动作，对应张紧小车也不动作，即断电满载停机过程中张紧小车速度和位移均为0。

(3)紧松边张力比 计算带式输送机启动、停车、制动时，各驱动滚筒紧松边张力比最大值如表6所列。3个驱动滚筒紧松边张力比均小于系统允许值4.04，其中驱动滚筒3(尾部驱动滚筒)紧松边张力比最大为2.43，说明3个驱动滚筒在启动、停车、制动时均不会打滑。

表6启、停、制动时各驱动滚筒紧松边张力比最大值

(4)滚筒合力 带式输送机启动、停车、制动时，各滚筒最大合力与正常运行时各滚筒最大合力的比值如表7所列。可以发现，在启动、停车、制动时大部分滚筒合力比正常运行时大。例如改向滚筒3在制动时的最大合力是满载稳定运行时滚筒合力的2.115倍。因此在提供设备采购技术要求时，需根据动态分析结果做出相应调整。

表7启、停、制动时各滚筒合力与正常运行时各滚筒合力比

3 结论

(1)通过对带式输送机进行静态分析可以发现：不同工况下带式输送机关键点张力、圆周驱动力、电动机轴功率、张紧力、输送带安全系数、凹凸弧半径、水平转弯特性等参数均有明显差别，从本案例的工艺条件来看，工况4(仅尾部下运段无物料运行)为系统运行最恶劣工况。

(2)通过对带式输送机启动、停车、制动过程进行动态分析检验，各关键点张力、输送带强度、张紧力、驱动滚筒紧松边张力比等参数均满足设计要求，但各滚筒合力均较稳定运行时增大，需调整最终滚筒的合力参数。

(3) Boffa 铝土矿长距离越野带式输送机自 2019年建成以来，经过一年多时间的运行检验，运输能力达到设计要求(5 000 t/h)，系统各项参数均稳定在允许范围内，为企业创造了良好的经济效益。

作者简介：凌斌辉，男，1988 年生，硕士，工程师，主要研究方向为矿山机械。

来源：矿山杂志2022年第1期

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