X 射線安檢設備中帶式輸送機驅動部分的設計計算

李 蒙，劉 斌，孟志強

（公安部第一研究所，北京 100044）

0 引言

近年來，隨著國際恐怖活動的日益加劇，探測隱藏在行李、物品、貨物、車輛內以及人體攜帶的威脅物和爆炸物的X 射線安全檢查設備在機場、海關、鐵路、公路、公共場所的集會以及重要部門已得到廣泛應用。X射線安檢設備按照輸送方式的不同一般分為輥道輸送式和帶輸送式兩種。其中帶輸送式安檢設備占了相當大的比重。

1 輥道輸送式安檢設備與帶輸送式安檢設備的主要區別

輥道輸送式安檢設備的特點是承載力較高，一般應用在集裝箱檢測等貨運檢查的場合，但缺點是無法檢測小件貨物行李，結構較復雜，如圖1所示。

帶輸送式安檢設備特點是結構簡單，帶速穩定，圖像質量高，可檢測小件物品，但由于輸送帶強度的限制，承載能力有限，一般應用在手提行李及較輕的貨物檢測場合，如圖2所示。

圖1 輥式輸送機Fig.1 The roller conveyor

圖2 帶式輸送機Fig.2 The belt conveyor

2 驅動部分運行時的受力分析

帶式輸送機的運載驅動力由兩部分組成：①電機驅動滾筒的輸出圓周力；②驅動滾筒與輸送帶間的摩擦牽引力。而帶式輸送機的運載能力由這兩個力中較小的力決定。一般來說，帶式輸送機的驅動部分可以簡化為圖3所示。

圖3 受力分析圖Fig.3 Force analysis

圖中：T1—輸送帶緊邊拉力；T2—輸送帶松邊拉力；Φ—輸送帶在驅動滾筒上的包角。

設滾筒的圓周力為Fu，則由力矩原理可得：

從dα角內取一微分單元的輸送帶dx 來進行分析。設N為滾筒的反作用力，則：

得：

由式（1）可得：

3 打滑現象的分析及解決

考慮到輸送帶本身的強度壽命和輸送帶張力對設備其他零部件的影響，故作用在輸送帶上的張力應盡可能地小。但為保證輸送機正常地運行，輸送帶必須有足夠的預張力，以將驅動滾筒的圓周力通過摩擦傳遞給輸送帶。當預張力不足時，驅動滾筒和輸送帶之間就會發生打滑。

3.1 輸送帶不打滑的最小張力

在驅動滾筒上，圓周力Fu 通過摩擦傳遞給輸送帶，在設備運行時，保證驅動滾筒與輸送帶之間不打滑，滾筒繞出端輸送帶的最小張力T2應滿足：

式中：Fumax—滿載輸送機啟動、制動或穩定工況條件下出現的最大圓周力；u—驅動滾筒與輸送帶之間的摩擦系數；Φ—輸送帶在驅動滾筒上的包角。

一般來說，X 射線安檢設備的輸送帶包角Φ為180°～220°。驅動滾筒與輸送帶之間的摩擦系數u根據安檢設備運行時的工作條件（干態運行）和滾筒的表面材料（光滑裸露的鋼面滾筒）為0.35～0.4（此處摩擦系數代表靜摩擦系數，不代表滑動摩擦系數）。而根據具體的Φ和u的數值，由表1 就可查到（歐拉系數）的具體數值。從而計算出保證輸送帶不打滑的最小張緊力數值。

表1 歐拉系數eu φT a b.1E u l e r c o e f f i c i e n t

3.2 如何避免出現打滑現象

帶式輸送機啟動狀態分為靜啟動和輸送機空載啟動后加載被運載物，使用中常見是后者，但產品驗收時經常考量的是靜啟動。在啟動和制動過程中，輸送帶由靜止狀態逐漸加速至帶速或由帶速逐漸減速至停機，需克服運動部件的慣性。為確保在啟動制動時輸送帶不打滑，須令：

啟動加速度： aA≤0.1～0.3m/s2

制動加速度： aB≤0.1～0.3m/s2

啟動時啟動圓周力應為靜圓周力與慣性力之和，即：

制動時制動圓周力應為慣性力與靜圓周力之差，即：

Fa可表示為： Fa=（m1+m2）aA

Fb可表示為： Fb=（m1+m2）aB

式中：FA—啟動圓周力；Fa—慣性力；m1—直線移動部分質量；m2—安檢設備輸送機中驅動電機滾筒、托輥、改向滾筒等所有的轉動慣量轉換為驅動滾筒上直線移動質量。

在安檢設備的使用過程中，輸送機的停止一般為自由停車，沒有制動裝置，所以為避免帶式輸送機出現打滑現象，主要是考慮輸送機在啟動時驅動部分的情況。啟動時，驅動滾筒的啟動圓周力通常可簡化為：FA=（1.3～1.7）Fu，對于啟動圓周力還可以這樣理解，輸送機突然啟動時會產生加速拉力，易產生打滑的現象。

因此，可采用延長啟動時間的方法來減小加速拉力，即減小啟動圓周力。具體到安檢設備上可以考慮增加變頻器控制電機的啟動時間或者在電機上增加軟啟動的方式來避免打滑現象的發生。而且通過減小啟動圓周力對輸送帶的使用壽命，設備整機的使用壽命都會有所提高。

3.3 保證輸送機承載量的考慮

由式（3）可知，在不出現打滑現象的條件下如果要提高輸送機的承載量，可通過增加輸送帶預張緊力、增大驅動滾筒直徑、增大輸送帶與驅動滾筒之間的包角、選用不同的滾筒表面材料及輸送帶表面織物紋向以提高它們之間摩擦系數等方法來實現。而過分增加輸送帶預張緊力則會對輸送帶的使用壽命和整機的使用壽命都會有影響。所以在驅動部分的設計中，要充分考慮輸送帶額定的表面張緊力的數值，盡量選用數值較大的輸送帶，并在設計允許的情況下盡量增加輸送帶與驅動滾筒之間的包角，考慮在驅動滾筒的表面增加花紋等方式增大滾筒與輸送帶表面的摩擦，以提高X 射線安檢設備輸送機的承載量。

4 驅動電機的選用及功率的計算

傳動功率P 表示為：P=FuV

其中V為帶速。而電機的功率PM 表示為：

PM=P/η

式中：η—效率，按經驗值一般取 0.78～0.95。而在電機的參數中，通常會有扭矩的參數M，而根據這個參數可以算出在突然啟動時電機所能提供的最大圓周力，從而校驗我們的額定載荷。

實例計算：

（1）某大型貨物檢查X 安檢設備的額定載荷指標為1.5噸。由于此機型尺寸比較大，要求運載能力比較高，所以選用了外置驅動電機加減速器帶動驅動滾筒進行驅動的方式。根據輸送機的高度和驅動滾筒的加工工藝性，初步設計滾筒的直徑為180mm，皮帶與滾筒表面和輸送機托板表面的摩擦系數u 均為0.35，考慮到輸送機在啟動時的情況，計算出啟動圓周力FA為：

FA=1.7 Fu=1.7×15000×0.35=8925（N）

所選用的電機和減速器提供的扭矩參數M 應至少為：

8925×0.09=803.25（N·m）。

結構設計中根據調偏滾筒的位置計算出皮帶在驅動滾筒上的包角Φ為197.55°。

根據式（3）可以計算出T2應至少為341.8N。

即在1.5 噸載荷的條件下電機突然啟動時如果皮帶不出現打滑，則皮帶在張緊時松邊的拉力應在350N 以上。根據此計算結果可設計該輸送機的張緊結構。

在輸送機運行的過程中，取η為0.8，可以計算出電機功率PM為：

PM=P/η=Fu V/η=15000×0.35×0.2/0.8=1312.5（W）

由以上計算的數值最終選取了符合設計需求的外置減速電機，并通過對電機本身的使用系數校核和設備實際測試均能滿足使用要求。

（2）在某手提行李X 射線安檢設備中，可選用的電機有兩種，一種是A 型金屬齒輪滾筒電機，另一種為B 型尼龍齒輪滾筒電機。其中A 型電機的額定功率為0.18 kW，扭矩為49.8N·m，而B 型電機的額定功率為0.11 kW，扭矩為26.4N·m。而兩種電機的直徑都為113mm，線速度都為0.2m/s。取皮帶與電機表面和輸送機主體表面的摩擦系數u為0.35，結構設計中皮帶在驅動滾筒上的包角Φ為206.7°。設M為扭矩，R為半徑，根據電機啟動時的情況，計算可得：

FA=1.7 Fu=M/R，可得：Fu=M/1.7R

由上面可以計算出A 型滾筒電機能提供的最大載荷為1481.4N 即148Kg。而B 型滾筒電機所能提供的的最大載荷為785.3N 即 78.5Kg。根據式（3）可以計算出 T2 應至少為 Fu/4 才能保證電機在突然啟動時不發生皮帶打滑現象。

由于B 型滾筒電機的減速齒輪材料為尼龍，而A型滾筒電機的減速齒輪材料為鋼，所以B 型電機的噪聲要比A 型小，但是A 型電機運輸載荷較大，所以可以根據使用環境和載荷量的不同來選用不同型號的電機。

5 結論

在安檢設備帶式輸送機的設計中還涉及降噪、安全防護、輸送帶防跑偏、降低維護成本等諸多問題，本文僅對其中的輸送機驅動部分設計中進行了討論，在設計過程中，只需用幾個較簡單的計算，即可在設計的初期就確定該設備的輸送帶表面張力，額定輸送載荷數值和所需選用的電機指標。從而為整機的結構設計打下良好的基礎。

[1]張鉞.新型帶式輸送機設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，2001.

[2]王鷹.連續輸送機械設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2001.