帶式輸送機(jī)綠色設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用簡析

劉鵬　李建　張棟

摘要：帶式輸送機(jī)在電力、煤礦、港口、物流、冶金、化工等眾多行業(yè)領(lǐng)域是一種極其重要的散狀物料運(yùn)輸設(shè)備，被人們廣泛應(yīng)用。文章把綠色設(shè)計(jì)這種技術(shù)理念引入到帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，在分析帶式輸送機(jī)的經(jīng)濟(jì)屬性、能源屬性、資源屬性與環(huán)境屬性等的基礎(chǔ)上，對帶式輸送機(jī)的綠色設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論研究。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；綠色設(shè)計(jì)；關(guān)鍵技術(shù)；動(dòng)態(tài)綠色設(shè)計(jì)；虛擬樣機(jī)技術(shù)；可拆卸設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TQ172 文章編號：1009-2374（2016）16-0088-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.042

隨著科技的發(fā)展以及人類物質(zhì)文明和精神文明的不斷提高，人類意識到生存的環(huán)境日益惡化，可利用的資源日趨枯竭，經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展受到了嚴(yán)重制約，綠色設(shè)計(jì)理念被提出，并應(yīng)用到設(shè)計(jì)加工過程中。因此，綠色設(shè)計(jì)也稱生態(tài)設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)，著重考慮產(chǎn)品環(huán)境屬性并將其作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在滿足減少環(huán)境污染、減小能源消耗、零部件回收循環(huán)或再利用的同時(shí)，保證產(chǎn)品應(yīng)有的功能、使用壽命、質(zhì)量等要求。筆者針對帶式輸送機(jī)介紹了其綠色設(shè)計(jì)技術(shù)以及相關(guān)應(yīng)用，具體如下：

1 帶式輸送機(jī)的綠色設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 動(dòng)態(tài)綠色設(shè)計(jì)

輸送帶是帶式輸送機(jī)的重要部件，具有傳遞動(dòng)力及承載貨物的作用。通常輸送帶都是由帶芯和覆蓋膠層構(gòu)成。因輸送帶表現(xiàn)的力學(xué)特性較為特殊，至今人們還未完全弄清。目前公認(rèn)的帶式輸送機(jī)靜態(tài)設(shè)計(jì)方法有國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5048-1989、美國CEMA、德國DIN22101等，必須依靠增加安全系數(shù)的方法提升可靠性與安全性。對于帶式輸送機(jī)系統(tǒng)而言，不僅造成投資成本的大幅上升、鋼材與膠帶的浪費(fèi)、電能消耗的增加，還在一定程度上增加了環(huán)境的負(fù)擔(dān)。針對此種情況，急需一種綠色方法校驗(yàn)完善靜態(tài)設(shè)計(jì)，這便是帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)主要將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)當(dāng)作基礎(chǔ)，著手于輸送帶的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)，細(xì)致探究了其正常運(yùn)行、制動(dòng)與啟動(dòng)等情況下輸送機(jī)系統(tǒng)表現(xiàn)出來的動(dòng)態(tài)特性，掌握輸送帶張力的分布情況，從而設(shè)計(jì)和分析輸送機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)。這樣既提高了輸送機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性與準(zhǔn)確性，又減少了生產(chǎn)資金的投入，同時(shí)還起到了節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境的作用。

1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)主要把數(shù)字技術(shù)作為基礎(chǔ)，在一個(gè)虛擬的環(huán)境中對樣機(jī)模型進(jìn)行還原，以達(dá)到仿真模擬原型機(jī)所具有的功能的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化、性能評估及方案設(shè)計(jì)等諸多功能的設(shè)計(jì)。由于此項(xiàng)技術(shù)不需要物理樣機(jī)，只需要重設(shè)系統(tǒng)參數(shù)與改變樣機(jī)模型就能夠完成修改和預(yù)測設(shè)計(jì)方案的目的。此項(xiàng)技術(shù)具有容易協(xié)同合作、設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)成本低、資源浪費(fèi)少等諸多優(yōu)點(diǎn)，是能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)過程“無紙化”的綠色設(shè)計(jì)。

1.3 可拆卸設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)系統(tǒng)由諸多零部件構(gòu)成，若都通過銷釘或螺栓等方式進(jìn)行連接，便可輕松進(jìn)行拆卸，當(dāng)有失效零部件之后，能夠在極短的時(shí)間將其更換。帶式輸送機(jī)的零部件一般都是從功能的角度來設(shè)計(jì)，并沒有對廢棄淘汰和系統(tǒng)維護(hù)加以特別考慮。針對滾筒等主要零部件，其造價(jià)較高且為整體式設(shè)計(jì)，若出現(xiàn)損壞失效，就需要整體更換，既提高了維護(hù)成本，又造成了資源浪費(fèi)，不符合綠色設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。所以，研究可拆卸技術(shù)能夠起到降低輸送機(jī)的運(yùn)行成本、保護(hù)環(huán)境及節(jié)約資源的作用。可拆卸性研究的主要目的是零部件的重復(fù)利用、原材料的回收和產(chǎn)品的易維護(hù)易維修性。

1.4 模塊化通用性設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)的主要零部件采用模塊化通用性設(shè)計(jì)，可以減少設(shè)計(jì)開發(fā)周期和加工周期。滾筒輪轂的系列化可減少制造加工成本，適當(dāng)擴(kuò)大滾筒的通用性，以節(jié)約維護(hù)成本，減少備品備件種類。模塊化通用性設(shè)計(jì)可與可拆卸設(shè)計(jì)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)零部件的重復(fù)利用和易維護(hù)易維修性，得到效益最大化。

2 帶式輸送機(jī)的綠色設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

2.1 開發(fā)案例

以一部煤礦井下主運(yùn)帶式輸送機(jī)為例，在綠色設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對其進(jìn)行再開發(fā)研究。此輸送機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)如下：

運(yùn)輸物料為原煤，運(yùn)量Q=2000t/h，物料堆積密度ρ=0.9t/m3，輸送長度L=1200m，帶寬B=1400mm，運(yùn)輸傾角δ=1°～3°，帶速v=3.15m/s，鋼絲繩芯輸送帶ST1250，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為400kW×2。帶式輸送機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示：

2.2 分析系統(tǒng)方案的動(dòng)態(tài)情況

把有關(guān)參數(shù)代入系統(tǒng)模型之中，然后對動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行分析。經(jīng)過步長是0.1s，時(shí)長是100s的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果具體如圖2與圖3所示。

分析輸送帶的速度曲線后可以發(fā)現(xiàn)，輸送機(jī)根據(jù)可控速度曲線進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，在剛剛啟動(dòng)的時(shí)候，速度會出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)爬行一段時(shí)間后，速度開始變得平穩(wěn)；在運(yùn)行80s以后，速度與設(shè)定帶速相符合，速度曲線比較合理。

分析輸送帶的張力曲線后可以發(fā)現(xiàn)，輸送機(jī)在剛剛啟動(dòng)的時(shí)候，需要克服沿程摩擦力及系統(tǒng)慣性，當(dāng)張力達(dá)到最大值經(jīng)過震蕩之后，張力曲線達(dá)到穩(wěn)定工作值，此時(shí)輸送機(jī)已經(jīng)完成了啟動(dòng)，系統(tǒng)拉緊力達(dá)到正常拉緊值，由圖3可知，張力曲線的后段出現(xiàn)了短暫波動(dòng)，然后在液壓拉緊的作用下恢復(fù)平衡狀態(tài)，從而使輸送機(jī)開始穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)輸送機(jī)的零部件

根據(jù)輸送機(jī)的實(shí)際選型設(shè)計(jì)方法，來對零部件設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。我們可以應(yīng)用虛擬樣機(jī)這項(xiàng)技術(shù)對拉緊裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、托輥及滾筒等進(jìn)行仿真優(yōu)化及性能測試，同時(shí)還要對裝配體進(jìn)行合理的虛擬裝配處理，在一個(gè)虛擬裝配的環(huán)境下，完成裝配處理、干涉檢測及造型檢查等工作，進(jìn)而順利完成序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、可裝配性分析等。如圖4是虛擬托輥架的裝配圖，通過CAE軟件充分對輸送機(jī)的支腿、滾筒軸、中間架與架體等主要部件做力學(xué)分析，然后模擬現(xiàn)場的實(shí)際工況，輸出相應(yīng)的位移與應(yīng)力圖，為設(shè)計(jì)人員提供參考依據(jù)。針對那些與要求不相符合的零件應(yīng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對于有較大結(jié)構(gòu)余量的部件要進(jìn)行優(yōu)化處理，并且應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)模擬分析主要零部件，得出其振型與頻率，之后再制定一些方案以使系統(tǒng)震動(dòng)得到控制，進(jìn)而減少污染、降低噪聲，使系統(tǒng)可以安全可靠地運(yùn)行。

2.4 評價(jià)綠色設(shè)計(jì)方案

針對輸送機(jī)所做的綠色評價(jià)極其特殊，其中很多評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)是無法進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)算和描述的，并且具有很強(qiáng)的模糊性，所以針對輸送機(jī)而言，應(yīng)該利用模糊評價(jià)法來評價(jià)綠色度。此外，綠色度的評價(jià)指標(biāo)具有極其明顯的層次，容易進(jìn)行相應(yīng)的劃分，所以我們可以應(yīng)用層次分析法來做適當(dāng)?shù)木G色評價(jià)。

3 結(jié)語

總之，文章重點(diǎn)研究了帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)楣P者的條件與水平有限，研究出來的結(jié)果尚有不足，但綠色設(shè)計(jì)必將成為礦山機(jī)械設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢。因此關(guān)于輸送機(jī)有關(guān)的綠色設(shè)計(jì)，也需要我們在未來的工作當(dāng)中不斷進(jìn)行研究。輸送機(jī)綠色設(shè)計(jì)理念和技術(shù)要發(fā)展和完善，眾多新課題需要我們?nèi)ヌ剿骱脱芯浚M(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)減少環(huán)境污染、減小能源消耗的環(huán)境保護(hù)的目的。

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