基于simulink的矿用带式输送机捕捉器断带抓捕过程研究_王超.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 随着国家对煤矿资源的大量开采， 带式输送机作 为井下重要的煤矿输送设备， 其设备综合性能的好坏 直接影响着煤矿的输送效率。 皮带作为带式输送机中 重要零件， 其使用过程中， 经常出现较大裂纹、 皮带松 弛、 皮带瞬间断裂等故障现象， 致使带式输送机只能 停止作业，严重影响着带式输送机的井下作业安全。 将抓捕器合理应用到带式输送机中， 有效实现皮带断 裂后的快速抓捕动作， 已成为当下煤矿企业重点关注 的问题。 因此， 以带式输送机结构分析为基础， 对皮带断 带原因及捕捉器性能进行分析研究， 根据捕捉器抓捕 过程的性能特点， 采用 MATLAB/Simulink 软件， 建立 了捕捉器抓捕过程数学模型及仿真模型， 开展了捕捉 器抓捕过程的仿真分析研究， 得到了抓捕器对皮带断 带后的影响规律及捕捉器的最佳设计数量。 这对提高 捕捉器的捕捉性能、 实现皮带断带后的快速制动具有 重要作用。 1带式输送机结构分析 带式输送机种类较多， 但其结构基本相同， 主要 由皮带、 主动滚筒、 清扫装置、 机架、 尾架、 拉紧装置等 组成。 其中， 拉紧装置则主要负责将皮带进行拉紧， 保 证滚筒与皮带之间具有较好的摩擦力。 而皮带则是最 容易发生结构裂纹及断裂的零件之一。 皮带发生断裂 后， 为有效避免相关事故的发生， 在带式输送机中安 装了不同数量的断带捕捉器， 通过捕捉器中液压机构 施加捕捉力， 在较短时间和较短距离内， 实现对断带 后皮带的有效抓捕。捕捉器的结构主要由液压缸、 托 辊、 支撑臂、 上 / 下闸块等部件组成， 具有捕捉性能优 越， 性能稳定可靠等特点， 已在诸多带式输送机中进 行了广泛应用。掌握捕捉器的结构性能， 提高皮带断 带后的抓捕效果， 对保证带式输送机的工作效率至关 基于 simulink 的矿用带式输送机捕捉器断带抓捕过程研究 王超 （霍州煤电集团辛置煤矿 ，山西 霍州 031412 ） 摘要 皮带作为带式输送机中重要零件， 其使用过程中的结构断裂， 将带式输送机的作业效率及井 下作业安全构成重要影响。将抓捕器合理应用到带式输送机中，有效实现皮带断裂后的快速抓捕动 作， 已成为当下研究的重点。 因此， 在皮带断带原因及捕捉器性能分析基础上， 采用 MATLAB/Simulink 软件， 开展了捕捉器抓捕过程的仿真分析研究， 得到了抓捕器对皮带断带后制动时间及制动距离的影 响规律， 且捕捉器的最佳数量可设计为 12～14 个。这对进一步开展捕捉器的改进设计、 提高捕捉器的 捕捉性能具有重要指导作用。 关键词 煤矿 ； 带式输送机 ； 捕捉器 中图分类号 TD528文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0127- 03 Study on the Catching Process of Broken Belt in the Catcher of Mining Belt Conveyor Based on Simlink WANG Chao （Huozhou Coal- ElectricityGroup CompanyXinzhi Coal Mine ，Shanxi Huozhou 031412 ） Absrtact Belt is an important part of belt conveyor. The structural breakage in the use of belt conveyor will have an important impact on the efficiency of belt conveyor and the safety of underground operation. Applying the catcher to belt conveyor reasonably and realizing the fast catching action after belt breaking effectively has become the focus of current research. Therefore, based on the analysis of the causes of belt breakage and the perance ofthe trap, the simulation analysis ofthe capture process of the trap is carried out by using MATLAB/Simulink software. The influence rule of the trap on the braking time and braking distance after belt breakage is obtained, and the optimal number of traps can be designed as 12- 14. This will play an important guiding role in further improving the design of the catcher and improving the catchingperance ofthe catcher. Key words coal mine ; belt conveyor ; catcher 127 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 重要。 2皮带断带原因分析 带式输送机在使用过程中， 整体结构经常会发生 各类故障问题， 其中， 皮带的磨损严重、 结构裂纹、 断 带等故障现象时有发生， 是带式输送机中的主要故障 问题。因此， 对其发生断裂的原因进行了分析。 1 ） 带式输送机在运行过程中，经常会由各类碎 石、 煤块等杂质掉入至运行的皮带中， 导致皮带的拉 紧度瞬间增大， 在长时间的拉紧状态下， 皮带出现了 断裂故障； 2 ） 目前， 带式输送机中的皮带主要采用硫化接头 方式进行连接。而在接头连接时， 未对连接所需的温 度、 压力等参数进行合理的控制， 且连接工艺的不正 确选择， 导致连接头在长期运行过程中出现了较大裂 纹、 断裂等故障； 3 ） 带式输送机中的齿轮减速器是实现皮带转动 的重要部件， 其长期运行中， 会出现齿轮磨损严重及 断裂现象， 间接导致了皮带发生断裂现象； 4 ） 带式输送机启动和停车瞬间， 皮带会受到较大 的瞬间作用力，加上输送机偶尔会加载状态下启动， 导致皮带受到的瞬间作用力更大， 造成了皮带了断裂 故障； 5 ） 皮带运行过程中， 其所运输的煤炭重量时常会 发生变化， 存在煤炭分布不均匀现象， 加上皮带经常 处于超载模式的工作状态， 致使皮带因受力不均匀而 出现了断裂现象。 因此， 有效降低皮带的断裂概率， 提高其运行效 果成为当下的研究重点。 3捕捉器性能要求 针对带式输送机皮带断裂问题， 设计开发了一种 断带捕捉器结构。 该捕捉器主要起到对皮带发生断裂 故障时进行捕捉的作用， 以有效避免因皮带断裂而引 发相关安全事故。 因此， 捕捉器在设计过程中， 需满足 如下性能要求。 1 ） 能针对皮带产生裂纹、 断裂及逆运转时启动有 效的捕捉作用； 2 ） 带式输送机正常运行时， 捕捉器不产生额外的 附加作用力， 不对皮带造成附加的磨损及阻碍作用； 3 ） 皮带发生断裂故障时， 捕捉器能对不同装载状 态下的输送机及不同角度的皮带进行有效捕捉； 4 ） 捕捉器需具有较高的捕捉作用力， 其作用范围 较宽，以实现对不同运转程度下的皮带进行快速捕 捉； 5 ） 整体结构简单， 操作及维修方便， 具有较高的 性能可靠性和稳定性， 能较好的满足带式输送机恶劣 环境下的使用需求。 4捕捉器抓捕过程模型建立 4.1模型建立 所设计的捕捉器在工作过程中， 主要通过液压缸 的驱动作用， 使捕捉器产生一定大小的捕捉力， 以实 现对皮带的抓捕动作。因此， 在捕捉器抓捕数学模型 建立过程中， 当液压缸中上闸块对输送带进行压紧作 用时， 可将其简化为弹性体， 由此得到了抓捕器作业 过程中的力学平衡方程 M （K- x ） md 2x dt2 Bdx dt ExF（1 ） 式中 x为碟簧移动变量，单位 mm； M为蝶簧刚 度， 单位 N/mm； K 为蝶簧预压缩量， 单位 mm； B 为粘 性阻尼系数， 单位 N s/m； E 为皮带切向弹性模量， 单 位 N； F 为回油腔压力， 单位 N。 为实现简化模型的分析强度，提高仿真精度， 对 模型中的非线性负载进行了忽略， 即对平衡方程进行 了模型简化， 简化后公式为 M （K- x ） mS2xBSxexF（2 ） 因此， 采用 MATLAB/Simulink 软件， 对简化后的 数学模型进行仿真模型的建立， 得到了捕捉器抓捕过 程的仿真模型， 如图 1 所示。 图 1捕捉器抓捕过程仿真模型 4.2仿真结果分析 4.2.1皮带位移、 速度变化分析 通过仿真分析， 得到了带式输送机皮带断带过程 中的位移、 速度的变化曲线， 如图 2 所示。由图可知， 在 0 到 0.9s 中， 皮带发生了断裂， 其位移及速度呈逐 渐增大趋势， 0.9s 之后， 皮带的位移缓慢上升趋势， 而 速度则呈逐渐降低趋势， 在 2.7s 时， 皮带的下滑位移 达到最大， 而速度则将为零。 分析其原因为 在此过程 128 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 中， 抓捕器正在对断带后的皮带进行抓捕作业， 导致 皮带的下滑速度逐渐降为零， 在 2.7s 时， 抓捕器实现 了对皮带的完全抓捕。 整个抓捕过程总所消耗的时间 为 1.6s， 皮带下滑 12mm 后， 实现完成抓捕。由此可 知， 抓捕器能在较短时间范围内对皮带进行有效的制 动抓捕， 可较好的实现对皮带断带的作业保护， 具有 一定的可行性。 图 2皮带断带后位移、 速度变化曲线 4.2.2捕捉器数量的影响分析 虽捕捉器对皮带断带具有较好的抓捕作用， 但 不同数量的抓捕器，对皮带的抓捕制动时间和距离 具有不同的抓捕效果。抓捕器数量越少， 虽节约了成 本， 但也降低了对皮带的抓捕制动力， 延长了制动时 间。因此， 结合该仿真模型， 分析了不同抓捕器数量 对皮带制动时间和距离的影响分析，其仿真结果如 图 3 所示。由图可知， 皮带断带后所需的制动时间和 制动距离随捕捉器数量增多呈先迅速降低，再缓慢 减小的变化趋势， 其中， 捕捉器数量为 8、 9 时， 皮带 所需的制动时间和制动距离相对最高；若在此配置 下， 将会对机带式输送机的作业安全构成重要威胁。 而捕捉器数量为 12、 14 个范围内时，皮带所需的制 动时间和距离则变化较小。因此， 根据此分析结果， 结合工程实际，可将带式输送机中的捕捉器数量设 计在 12～14 个范围内，既能对皮带实现较好的捕捉 制动作用， 并满足带式输送机的作业需求， 又可有效 节约设备的经济成本。 图 3不同捕捉器数量对制动时间和制动距离的影响图 5结论 以带式输送机结构分析为基础， 对皮带断带原因 及捕捉器性能进行分析研究， 根据捕捉器抓捕过程的 性能特点， 采用 MATLAB/Simulink 软件， 建立了捕捉 器抓捕过程数学模型及仿真模型， 开展了捕捉器抓捕 过程的仿真分析研究， 得出如下结论 1 ） 抓捕器能在较短时间、 较短下滑位移范围内对 皮带进行有效的制动抓捕， 较好的实现对皮带断带的 作业保护； 2 ） 皮带断带后所需的制动时间和制动距离随捕 捉器数量增多呈先迅速降低， 再缓慢减小的变化趋 势； 3 ） 将捕捉器数量设计在 12～14 个范围内， 既能对 皮带实现较好的捕捉制动作用， 又能有效节约带式输 送机的经济成本。 4 ） 该研究对提高捕捉器的捕捉性能， 实现皮带断 带后的快速制动具有重要作用， 对刮板输送机捕捉器 的改进设计具有指导价值。 参考文献 [1] 白晓渊.带式输送机断带捕捉器建模与动态仿真[J].机械 管理开发,2018,33 （12） 84- 86. [2] 李博. 带式输送机断带捕捉过程的动态仿真[D].西安科技 大学,2015. [3] 陈标. 矿用带式输送机断带捕捉器设计与系统仿真[D].西 安科技大学,2013. [4] 杨济浓. 带式输送机捕捉器抓捕过程及控制系统的研究 [D].西安科技大学,2012. [5] 彭飞,王振兵,李关章.带式输送机断带保护装置的设计[J]. 煤矿机械,2011,32 （09） 18- 19. 作者简介 王超 （1990-） ， 男， 山西省曲沃县人， 2013 年毕业于山西 大同大学机械设计制造及自动化专业， 助理工程师， 现从事 煤矿机电技术工作。 （收稿日期 2019- 8- 23） 129 ChaoXing