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不同物料流对皮带机转载点的振动冲击分析与研究

2024-10-16 72 上传者：管理员

摘要：选煤厂带式输送机转载点处两皮带有一定高度差，受上端面煤块大小、含水量等因素影响，会对皮带机造成不同程度的振动冲击，从而影响皮带机带身及托辊的使用寿命。为探究物料流对转载点振动冲击的影响，结合现场调研及相关理论，推出落料冲击的影响因素主要为物料流粒度级别和含水量。然后利用光纤振动传感器、数据采集卡等器材和Labview测试系统进行现场试验，将落料口下方带式输送机在不同物料流冲击下的振动信号进行采集和处理，试验结果表明，不同粒度物料流对转载点振动冲击不同，小粒度物料流对转载点的振动波形峰值为大粒度物料流的20%，自功率谱波形峰值为0.625%；不同含水量对转载点振动冲击不同，含水量少的物料流对转载点的振动波形峰值为含水量多物料流的60%，自功率谱波形峰值降低为45%。研究结果可为降低皮带机转载点振动冲击提供合理的方法。

关键词：
光纤振动传感
动载荷
带式输送机
振动冲击
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近年来，针对带式输送机转载点的落料冲击过程，国内外的科研工作者们投入了大量的时间和精力，其研究的方法主要是通过建立力学模型进行理论分析后，结合仿真软件得出带式输送机落料冲击的影响因素。毛君[1]建立了带式输送机受料处的力学模型，对整个冲击过程的动载荷进行了理论推导，提出了吊挂缓冲托辊支承冲击载荷的计算方法，对冲击过程的影响因素进行了具体的分析。宋伟刚[2]编写了《通用带式输送机设计》，书中列出了托辊组中各托辊所受冲击载荷的动力学微分方程以及输送带直接缓冲、二级缓冲、三级缓冲、托辊间弹性连接缓冲这4种缓冲措施下输送带上冲击载荷的动力学微分方程，并给出了改进缓冲的主要措施。史飞龙等[3]以转运站为研究对象，通过离散元仿真得到不同时间下冲击载荷的变化情况，对设计大型带式输送机提供理论思路。王雅楠[4]以机械振动学为基础推导出转载点落料过程的皮带振动方程，结合Matlab仿真软件分析出皮带振动的影响因素。杨健[5]针对托辊间输送带所受到的冲击载荷展开研究，推导出了托辊间输送带冲击载荷数学模型。MOLNAR W等[6]研究了冲击过程中带式输送机材料内部的应力水平。GRINCOVA A等[7]采用基础统计方法和多元回归分析，对影响过程进行了数值建模。通过分析动态冲击过程，得到了输送带磨损和损坏过程的原因，为抗冲击性输送带的研究提供了一种新的方法。CHU J X等[8]基于动量定理建立散装体的冲击模型，并提出自适应抑制瞬时的过滤方法进行冲击研究的思路。ANDREJIOVA M等[9]设计试验对不同落料高度、落料质量状态下3种不同类型输送带冲击载荷的数值进行了研究，运用试验设计方法证明了落料高度、物料质量对冲击载荷有显著影响，但是无法证明输送带的材料对冲击载荷有影响，并且建立了随时间变化的数学模型。KAROL S等[10]对机场用于行李运输的输送带冲击损伤进行了研究，并提出了使用统计模型评估其在运行期间损伤概率的方法，在此基础上，针对传送带的实际操作，提出优化维护流程的建议。ANDRIANOV I V等[11]分析输送带的各种简化模型在横向振动过程中的振荡形式，并在理论分析的角度得到了各种简化模型的使用条件。

在振动传感方面，分布式光纤振动传感系统通过光纤中光的传输特性，来分析不同位置处探测光纤采集的应变、温度、振动等等物理量的变化[12]，当外界振动信息改变时就会导致光纤对应位置发生振动，从而导致光纤内部的光信号发生振幅以及相位的变化。刘宇琛[13]搭建了基于φ-OTDR的分布式光纤振动传感结构，并编写了具有采集、处理、存储以及图形化显示功能的检测系统。刘奎元[14]利用Labview编程实现振动信号的定位和波形还原。陈怡[15]以光纤围栏报警系统作为研究对象，基于Labview编程软件，将原始信号进行处理后通过时域以及频域两种分析方法对入侵信号进行了识别，实现了围栏监控功能。黄新锐[16]为了实现对小区的安全监控，在小区的围墙围栏上安装了振动光纤，并设计了配套的振动检测系统，通过对振动信号的检测实现监控功能。吴俊[17]设计出了一种多功能光纤振动监测系统，不仅具有监控、保存以及数据回放功能，还能在云端地图显示入侵的振动信号。WANG M等[18]通过数据收集、分析和处理依托振动事件的数据库建立典型环境中的关键入侵事件，发现不同的原因引起的振动幅度不同，并通过分析波形的振幅、振幅阈值、持续时间、波形密度和其他参数，区分是否检测的振动信号是入侵或威胁。YANG Y C等[19]搭建了基于强度的光纤振动传感器（Optical Fibre Vibration Sensor,OFVS）的振动检测试验，用于识别纤维增强塑料的损伤监测、振动传感和撞击定位。为了定位冲击点，将4个OFVS放置在选定的位置，并记录冲击产生的振动信号的不同到达时间，从时间延迟中确定撞击位置，通过对试验结果的分析发现OFVS准确地检测到自由和受迫振动信号。谢苗等[20]利用集中参数建模法建立采煤机振动方程，得到不同载荷下不同工况的时域频域振动规律，为其他设备振动分析提供借鉴。

综上所述，针对带式输送机转载点处落料冲击易造成皮带机带身及托辊等重要部位使用周期缩短的问题，利用光纤振动传感器及Labview软件进行现场试验，对不同物料流落料过程中振动冲击进行检测与分析，以得出合理的降低落料冲击的改进方法。

1、转载点物料流振动试验

1.1物料流振动试验分析

根据对选煤厂的现场调研，物料流在选煤厂实际运输时主要有两种特征差异：(1)煤流成分中粒度级别的不同；(2)煤流中含水比例的不同。为了尽可能地保证试验结果的准确性，采用单因素分析法，在带式输送机实际工作状态下通过光纤振动传感器检测不同物料流对带式输送机的冲击波形，并对其进行对比分析，根据具有一定倾斜角度的小型带式输送机在同一工作条件下输送不同粒度的块煤以及含水量大、含水量小两种状态下的粒煤的振动波形对比，分析出不同物料流对带式输送机的冲击情况，进行试验分析的不同粒度煤炭如图1所示。

图1 不同粒度的煤炭

1.2试验原理与流程

振动检测试验主要是通过在Labview软件中搭建振动检测系统，然后通过探测光纤将带式输送机的振动信号经处理后传回到计算机的检测系统中对其进行实时显示、储存并通过振动检测系统对其进行信号处理、时域分析以及频域分析。根据以上思路，设计的带式输送机振动试验整体结构如图2所示。

图2 带式输送机检测系统整体结构

如图3所示，将探测光纤用扎带固定在带式输送机机架位置，为模拟实际运输工况，检测过程中带式输送机处于正常工作状态（负载工作）。探测光纤将带式输送机工作时产生的实际振动通过光信号传输到在振动隔离房内的信号接收器，信号接收器将光信号转化为电流信号，对电流信号进行处理得到振动信号，然后将振动信号传输到计算机的检测系统进行处理分析，通过计算机的光纤振动检测系统对振动信号进行识别、处理及分析。采集的信号可在计算机的存储文件夹中进行保存，试验完成后，将不同工况下的信号波形通过Labview信号读取模块在波形显示界面显示出来，在波形图中“右键”选择“导出”中的“导出简化图像”，将在不同物料流冲击下的带式输送机振动信号波形导出后进行对比分析。

图3 光纤固定方式及位置

试验流程如下：

1）各部分硬件搭接好后，将光纤放置在由于带式输送机工作导致振动的地面上，检测振动检测装置对细微振动的识别以及设备是否能正常检测。

2）将探测光纤用扎带固定在带式输送机机架位置。

3）对3种不同物料流冲击转载点下方带式输送机进行振动检测，通过探测光纤实际采集到光信号，并将光信号传输进信号接收器。

4）信号接收器将光信号转化为电流信号，对电流信号进行处理得到振动信号。

5）数据采集卡将光信号转换成振动信号输入计算机。

6）通过计算机中Labview测试系统，对信号进行存储和后处理，试验结束后可将存储的数据通过读取模块观察并分析带式输送机振动特性。

1.3信号采集

搭建好硬件设备和软件检测系统后，带式输送机正常运输块煤物料流，物料流从上一段带式输送机的端部滚筒转载进入到下一段带式输送机，下一段带式输送机在冲击的作用下产生振动信号，电脑对分布式光纤检测到的振动信息进行实时分析并保存到电脑指定的存储路径，可在读取模块读取保存的数据，以便观察带式输送机各时间段工作状态，保存的数据具有详细的测量时间。

2、试验结果分析

2.1不同粒度的振动对比分析

试验设备搭建完成后，光纤检测到的振动信号被落料口处带式输送机检测系统读取并在图形显示界面以振动波形显示出来，此时带式输送机正常运转过程中溜槽上方开始落料大块块煤物料流，其信号读取界面右通道显示的波形如图4所示。

图4 大块块煤物料流振动波形

由图4可知，带式输送机空载状态下检测到的振动波形基本保持在零附近，当块煤物料流落料到带式输送机时，由于物料流瞬间冲击导致振动波形发生剧烈抖动，运行平稳后，波形基本保持在一定范围内正常波动，检测装置的硬件满足使用要求。检测的振动波形掺杂了其他震源的干扰，需要对其进行滤波处理。

将现场测量的振动信号数据导入到落料口处带式输送机检测系统后，由于现场另一条带式输送机生产线以及其他设备产生的振动信号等对检测信号的干扰，还需要对现场测量的振动信号进行滤波处理，以便减少无关信号对测量信号的干扰，选用低通的巴特沃斯滤波器对采集的振动信号进行滤波处理，滤波后通过汉宁窗对信号进行截断做加窗处理，信号处理后界面如图5所示。

图5 信号处理后波形图

在对信号处理的过程中，将振动信号中的高频部分滤除而通过低频部分，将采集到的边缘和噪声所对应的高频部分减弱，达到振动信号除噪的效果。由振动信号处理前后的对比可知，此处选用的滤波器效果良好。由图5可知，加窗处理后主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小，从而减小泄漏和波动，并且选择性也大幅度提高，加窗处理模块处理良好。滤波和加窗处理后，当带式输送机运行平稳后，输送机的振动信号波形图幅值峰值在2×10-2左右。

为较清晰地观察幅值的变化，一般需要用到频域分析中的幅频谱分析，频谱分析是最常用和最重要也是最基础的频域分析方法。通过调用Labview里的快速傅里叶函数对测量出的时域振动信号进行处理得到功率谱振动信号，可明显观察到振动波形的幅值变化，然后调用自功率谱分析，将处理后的频谱信号做自功率谱分析，观察其幅值变化，带式输送机正常工作状态下其功率谱波形图和自功率谱波形图峰值大概为2.5×10-4，对比幅值峰值变化可以分析异常振动波形，频域分析图分别如图6所示。

同等工作状态下小块块煤物料流的振动波形如图7所示。将检测后的各部分波形与大块块煤物料流波形进行对比，为了简化对比过程，对滤波后的波形以及在功率谱波形进行对比分析。输送机运送小块块煤物料流状态下测得幅值比运输大块块煤物料流状态下幅值有一定的降低。在信号处理后进行波形对比，峰值由原来的2×10-2降低为4×10-3；对比两种状态下功率谱波形图，带式输送机小块块煤物料流冲击时其功率谱波形图峰值为2.5×10-7，其幅值峰值数值远远小于输送大块块煤物料冲击振动的峰值数值3×10-4，但是，对比不同粒度物料流的滤波振动波形频率，未发现有变化规律。

2.2不同含水量的振动对比分析

由于块煤本身的粒度级别比较大，无法模拟物料流中在大含水量状态下转载过程的冲击，为了尽可能模拟实际工况，对带式输送机正常工作状态下转载运输含水量大的粒煤颗粒以及含水量小的粒煤颗粒时下方带式输送机的振动进行检测，得到不同含水量的粒煤物料流状态下带式输送机的振动波形，如图8和图9所示。对比不同含水量粒煤物料流冲击状态下的滤波后波形图、加窗后的波形图以及功率谱波形图，可以得到不同水分占比下的冲击情况，得到不同成分占比下煤炭物料流冲击的影响效果。

图6 功率谱波形

图7 小块块煤物料流波形分析

由图8与图9对比可知，在输送机运送含水量小的粒煤物料流时检测系统检测到的振动幅值比运输含水量大的粒煤物料流幅值有一定程度上的降低。在信号处理后进行波形对比，峰值由原来的5×10-3降低为3×10-3；对比两种状态下功率谱波形图，带式输送机受到含水量小的粒煤物料流冲击时其功率谱波形图峰值由5.5×10-7变化到2.25×10-7，其幅值峰值数值基本处于含水量大的粒煤物料流峰值数值的一半，但是，对比不同含水量物料流的滤波振动波形频率，未发现有变化规律。

图8 含水量小的粒煤波形

图9 含水量多的粒煤振动波形图

3、结论

通过对选煤厂的物料流特征进行现场调研，得到转载点振动冲击的主要影响因素：物料流粒度级别和含水量。通过对不同粒度及不同含水量物料流在转载点落料时进行振动检测试验，得到以下结论：

1）降低块煤物料流粒度级别后，振动波形峰值由原来的2×10-2降低为4×10-3；功率谱波形图峰值由原来的3×10-4降低为2.5×10-7。因此，在其他条件相同的情况下，减少物料流中的粒度级别能有效地缓解对带式输送机的冲击。

2）改变粒煤物料流的含水量后，带式输送机受到含水量小的粒煤物料流冲击时其功率谱波形图峰值为含水量大的功率谱波形图峰值的1/2左右。因此，在其他条件相同的情况下，减少物料流中的含水量能在一定程度上缓解对带式输送机的冲击。

通过实验数据可知，含水量对带式输送机的冲击振动的影响小于粒度级别，故为了降低落料冲击力应优先考虑降低物料流中块煤的大小，在允许的条件下降低物料流中的含水量。

参考文献:

[1]毛君.吊挂缓冲托辊支承受料处动载荷的研究[J].阜新矿业学院学报,1987(1):106-113.

[2]宋伟刚.通用带式输送机设计[M].北京:机械工业出版社,2006:270-284.

[3]史飞龙,王尧,张洋,等.转运站系统受料输送带物料流冲击力分析[J].煤矿机械,2016,37(5):93-95.

[4]王雅楠.带式输送机受料段特性分析与结构改进[D].淮南:安徽理工大学,2017:4.