礦山長距離膠帶機動力特性測試及運行分析

常玉坤，唐文亮，尹華偉

（1.中電建安徽長九新材料股份有限公司，安徽 池州，247100；2.湖南大學，湖南 長沙，410004）

0 引言

隨著礦山長距離膠帶機不斷發展[1]，尤其是在大產量、高速度、大功率等方向[2]，非穩定運行工況下的動力特性對長距離膠帶機的安全、穩定、正常運轉的影響日益突出[3,4]。例如，長距離膠帶機啟動和制動過渡過程中，膠帶機中的張力變化的復雜性會嚴重影響膠帶機的壽命[5]。

本文結合長九神山石灰石礦長距離膠帶機實際[6,7]，經過現場實地考察和設計資料分析，進行結構體系自振特性測試及運行動力響應測試，研究了長距離膠帶機運行故障原因并提出相應研究措施，為長距離膠帶機的設計和良好運行提供切實的依據和參考。

1 項目概況

長九神山石灰石礦長距離膠帶機主要承擔將礦山加工后的礦石骨料運送至牛頭山港區專用碼頭的任務，設計輸送能力為13000t/h，速度為5.6m/s，水平長度為12986m，總功率為15680kW。膠帶機配置有各類托輥45380個，其中上托輥34688個，下托輥10692個，托輥軸承設計為滾珠軸承，上托輥軸承設計型號為4G308，下托輥軸承設計型號為4G307。

長距離膠帶機沿線地形地貌類型較為復雜，沿線穿越楊公嶺、牛頭山、南泉嶺和姥山等山體，布置4條隧道和2段水面段。支架結構安全等級為二級，設計使用年限為30年，桁架跨度（高度）為36 m跨度（3 m和5 m高桁架），下穿G50高速為42 m跨度（3 m高桁架），框架結構抗震等級為三級。

該長距離膠帶機自2018年底投入使用，運行過程中出現噪聲較大、振動幅度較大、運輸能力達不到設計標準和托輥故障多問題，見圖1。通過查閱分析設計資料，發現以下情況：（1）膠帶機的基礎及排架工程設計滿足相應規范；（2）膠帶機支架有大量平行四邊形結構，支架理論上為可變體系；（3）上托輥支腿采用兩個普通螺栓固定在連系梁（槽鋼）翼緣上，安裝點未采用加勁肋加固處理；（4）轉彎段的外側（高）支腿剛度明顯小于托輥橫梁剛度。

圖1 損壞托輥照片

2 長距離膠帶機自振特性測試

通過環境脈動試驗測定體系作為一個整體結構在動力荷載作用下的結構自振特性[8]，以評價結構體系的動力響應特性。

（1）脈動試驗測試點布置。測試時，在主桁架相對應位置的橫梁上布置測試點，共布置5個測試點，在各測試點安裝豎向加速度拾振器，測試點位置及編號具體見圖2。測試時以#3測試點為參照點，分4次完成測試，依次測試#3測試點和#1測試點、#3測試點（C1）和#2測試點、#3測試點（C2）和#4測試點、#3測試點（C3）和#5測試點。

圖2 動力特性測試測試點布置及編號示意圖

（2）脈動試驗測試結果。對環境隨機激勵下的測試信號進行互譜（自譜）分析，得到各測試點實測信號的頻譜特性曲線見圖3，結構前二階自振特性見表1。

圖3 實測信號頻譜特性曲線

表1 結構自振特性測試結果

（3）物流廊道整體水平自振特性測試。在跨中豎向自振特性#3測試點對應位置安裝水平加速度拾振器，#1測試點對應橫向水平振動測試，#2測試點對應縱向水平振動測試。#1測試點和#2測試點同時完成測試并對測試結果進行自譜分析，測試信號及頻譜特性曲線見圖4。由結構體系頻譜特性曲線分析結果可知橫向與縱向水平自振頻率均為4.6 Hz。

圖4 水平振動測試信號及頻譜特性

上述可知體系一階自振頻率約為4.6Hz，大于3 Hz，結構體系整體剛度可滿足正常使用要求。一階阻尼比2.041%和二階阻尼比1.429%和規范取值2.0%接近，亦無異常。

3 長距離膠帶機運行響應測試

3.1 測試點布置

#1測試點布置在豎向自振特性測試對應的#3測試點上，#2測試點依次布置在機架支腿縱向連系梁跨中、上托輥支腿和上托輥橫梁上。#1測試點、支腿縱向連系梁跨中測試點和上托輥橫梁測試點采用豎向加速度拾振器測試運行時的豎向振動響應，上托輥支腿采用橫向加速度拾振器測試運行時的縱向振動響應。

3.2 運行速度為5.0 m/s

#1測試點和機架支腿縱向連系梁跨中測試點測試結果見表2和圖5。所有測試點加速度拾振器標定值在測試時均設為mv(1.0 m/s2)，實際標定值#1測試點對應加速度拾振器為328.5 mv(1.0 m/s2)，本次測試機架支腿縱向連系梁跨中測試點對應加速度拾振器為283.7 mv(1.0 m/s2)，因此須做相應換算。上托輥支腿測試點測試縱向水平振動響應測試結果見表3，上托輥橫梁測試點測試豎向振動響應測試結果見表4。

圖5 #1測試點和支腿縱向連系梁跨中測試點時域分析結果和自譜分析結果

表2 #1測試點和機架支腿縱向連系梁跨中測試點動力響應測試結果

表3 上托輥支腿測試點動力響應測試結果

表4 上托輥橫梁測試點動力響應測試結果

3.3 運行速度為5.6 m/s

#1測試點和上托輥支腿縱向連系梁跨中測試點測試結果見表5和圖6。所有測試點加速度拾振器標定值在測試時均設為mv(1.0 m/s2)，實際標定值#1測試點對應加速度拾振器為328.5 mv(1.0 m/s2)，本次測試#2測試點對應加速度拾振器為283.7 mv(1.0 m/s2)，因此須做相應換算。上托輥橫梁測試點測試豎向振動響應測試結果見表6。

圖6 #1測試點和上托輥支腿縱向連系梁跨中測試點時域分析結果和自譜分析結果

表5 #1測試點和上托輥支腿縱向連系梁跨中測試點動力響應測試結果

表6 上托輥橫梁測試點動力響應測試結果

4 運行問題分析研究

4.1 運行振動幅度大

礦山長距離膠帶機運行速度在5.0～5.6 m/s時，激勵頻率在8.3～9.3 Hz之間，與體系二階自振頻率f2=8.562 Hz接近，運行激勵頻率與體系二階固有頻率比值處在0.97～1.09之間，處在共振頻率比值區段0.75～1.25內，支架發生了與結構二階自振頻率的選擇性共振，導致運行振動幅度偏大?？刹扇≡龃笸休佒睆?，改變托輥間距或采用不等間距布置等方法避免共振，其實質是改變膠帶機運行激勵頻率和不同激勵點的激勵相位。

4.2 托輥故障多

長距離膠帶機上部中間托輥損壞約占總損壞托輥的60%[9]，上部兩側托輥損壞約占總損壞托輥的15%，下部托輥損壞約占總損壞托輥的10%，分析主要原因如下。

（1）托輥輥筒內存在大量銹渣，銹渣進入滾筒軸承后，加速軸承磨損和損壞。安裝期托輥均為室外堆存，托輥淋雨，軸承和輥筒內進水，導致筒壁生銹和軸承進水加速軸承磨損和損壞。

（2）輥筒端蓋（輪腹）和軸承座設計過于簡單，導致端蓋與托輥筒身分離。軸承設計均為滾珠式且不帶任何密封件，潤滑油充填不足及潤滑油中雜質導致軸承磨損散架。

（3）膠帶機上托輥為承載分支托輥，其間距在標準段和轉彎段均為1.5m，雖然為2榀托輥，但不能等效為2組托輥，使得轉彎段托輥承載力不足。轉彎段托輥受力較復雜，由于受力不均導致有些托輥要承受更大內力，且存在軸向復合內力。

5 結論與建議

（1）礦山廊道膠帶機在運行速度為5.0～5.6 m/s時，支架加速度響應最大值達到6.26 m/s2，發生在運行速度為5.0m/s時的上托輥橫梁上，由于測試時測試點布置在橫梁靠支腿部位，如布置在橫梁跨中則還會更大。

（2）礦山廊道長距離膠帶機運行速度在5.0～5.6 m/s時，運行激勵頻率與結構固有二階頻率接近，頻率比在0.97～1.09之間，處在共振頻率比值區段0.75～1.25范圍內，出現共振導致振動幅值偏大。

（3）對支架縱斷面和水平面的平行四邊形結構采用在角點處焊接槽鋼隅撐進行加固處理，對托輥節點連接進行加固處理，適當增大易損部位托輥直徑等措施有助于避免共振和降低運行噪聲。