輸煤系統高強度氣墊帶式輸送機及輸送帶的研發

李明霞，張明鑫，王長飛，李先磊

（1.青島華夏橡膠工業有限公司，山東青島 266228；2.中國檢驗認證集團山東有限公司，山東青島 266073）

氣墊帶式輸送機是20 世紀70 年代荷蘭首先研制成功的。世界上第1 臺小型氣墊輸送機的帶寬為500 mm，機長約13 m。經過運轉，取得了托輥膠帶輸送機難以達到的指標，如摩擦系數降低到0.02～0.002。氣墊帶式輸送機因其所特有的承載、輸送機理體現出節能性、安全性、經濟性和綜合社會效益等幾個方面的優勢，日益引起人們的重視，并逐步向長距離、大運量方向發展[1]。早在1986 年，我國輸送機廠家制造的氣墊帶式輸送機就在輸煤系統得到成功應用的先例。最大輸送量629 t/h 的氣墊帶式輸送機在北京礦務局王村平莊煤礦投產運行，至今使用良好。據測試數據驗證：氣墊形成良好，運行阻力比托輥輸送機小2～3 倍，運行平穩可靠，能帶負荷啟動；間斷給煤（給煤量波動范圍達30%）也未影響正常運行[2]。現有10 余條電廠輸煤系統使用氣墊帶式輸送機（全部國產），最大輸送能力為1 000 t/h[3]。

輸送帶作為氣墊帶式輸送機的核心關鍵部件，是氣墊帶式輸送機必不可少的部分。由于受輸送帶技術限制，長距離、大運量氣墊帶式輸送機受到限制，開展新型鋼絲繩芯輸送帶結構設計并采取一定的柔性措施，提高鋼絲繩芯輸送帶橫縱向柔性，提高輸送帶成槽性，降低彈性模量，使其能成功應用到長距離、大運量輸煤系統氣墊帶式輸送機中具有重要的研究意義。

1 氣墊式輸送機

1.1 工作原理

氣墊式輸送機是用薄氣膜支承輸送帶及其上物料的帶式輸送機，將托輥帶式輸送機的托輥用帶孔的氣室代替，當氣源向氣室內提供具有一定壓力和流量的空氣后，氣室內的空氣經盤槽上的小孔逸出，在輸送帶和盤槽之間形成1 層具有一定壓力的氣膜支承輸送帶及其上部物料。把按一定間距布置的托輥支承變成了連續的氣膜支承，使輸送帶與托輥之間的滾筒摩擦變成輸送帶與盤槽間以空氣為介質的流體摩擦，減小了運行阻力，帶來了很多優點[4]。

1.2 對比優勢

1）氣墊式輸送機由于采用氣膜支撐輸送帶，運行阻力顯著降低。一般情況下，傳統帶式輸送機的模擬摩擦阻力系數為0.015～0.035，而氣墊式輸送機的模擬摩擦阻力系數為0.006～0.012。水平輸送的氣墊帶式輸送機驅動裝置能耗加風源能耗比通用帶式輸送機減少10%～30%，節能效果比較顯著。

2）由于氣墊式輸送機運行阻力小。輸送帶的張力大大降低，輸送帶的強度可大幅下降；同時輸送帶磨損顯著降低，輸送帶使用壽命可延長1 倍以上。

3）因輸送帶由連續介質（空氣氣膜）支撐，所以物料在輸送過程中非常平穩，不會發生拋撒和攪混現象，特別適用于高速運行，最高帶速可達8 m/s 以上，有利于文明生產。

4）氣膜具有自動對中性。輸送帶始終處于氣室盤槽中心線（盤槽最低處）運行，輸送帶不跑偏，不存在因輸送帶跑偏造成的撕裂問題。

5）氣墊式輸送機在盤槽中運行，避免了輸送帶與人的接觸，具有極好的安全性，有利于安全生產。

6）氣墊式輸送機結構簡單，氣室是固定件不易磨損；而普通帶式輸送機的托輥是運動件易磨損，需要經常更換。若帶式輸送機的使用壽命為5 年，則每千米輸送機每年可節省托輥維修費用10 萬元以上。

7）氣墊式輸送機為全密封結構，輸送帶和物料被完全密封，不僅有利于防雨、防塵，潔凈工作環境，而且新建項目可省去基礎面以上的棧橋頂蓋及兩側建筑，節省基礎投資。

8）氣墊式輸送機電機裝機功率小。普通帶式輸送機在滿負荷啟動時，不但需要克服帶式輸送機物料的慣性阻力，而且還要克服大量托輥由靜止到轉動的慣性阻力以及輸送帶與托輥的機械摩擦阻力。這就要求普通帶式輸送機的驅動電機必須有較大的功率儲備，否則事故停機后（輸送帶上堆滿物料）將無法啟動。機長越長、電機的功率儲備就越大。而氣墊式輸送機啟動時，輸送帶及物料被氣膜托起，其靜摩擦阻力很小，驅動電機只須克服帶式輸送機物料的慣性阻力。因此，驅動電機不需要很大的功率儲備就能達到滿載啟動。

9）對于上運輸送的工況，逆止安全可靠；對于下運輸送的工況，停機后輸送帶無下滑現象。

1.3 氣墊式輸送機分類

氣墊帶式輸送機的結構型式分為半氣墊型（僅上分支輸送帶以氣墊支承）和全氣墊型（上、下分支輸送帶均采用氣墊支承）2 類。

1）半氣墊型。敞開式結構的上部承載結構為氣室，下部仍然采用回程托輥。該結構為國內使用較為廣泛的結構，主要適用于室內和有輸送機走廊的場合。密封式結構是在敞開式結構的基礎之上，在氣室上方加防雨罩并加上密封條密封起來。輸送過程中物料不受環境及氣候的影響，用于露天防雨及輸送易飛揚的粉狀物料如煤粉、水泥以及糧食等場合，半氣墊加罩型（密封式）氣墊機如圖1。

圖1 半氣墊加罩型（密封式）氣墊機

2）全氣墊型。敞開式結構是在承載和回程分支采用全氣墊支承。它能充分體現氣墊機的優點，但設備造價較高，質量較重，全氣墊型（敞開式）氣墊機如圖2。密封式結構是在敞開式結構的基礎之上，在氣室上加密封罩。

1.4 氣墊式輸送機運行阻力分析

氣墊機傳動滾筒上所需圓周力FM系主要阻力FH、附加阻力FN、特殊阻力FS和傾斜阻力FSt之和。

對于均勻而連續加載的氣墊帶式輸送機，可按下列公式計算：

圖2 全氣墊型（敞開式）氣墊機

式中：δ 為輸送機傾角，（°）；qG為每米長度輸送物料的質量，kg/m；qB為每米長度輸送帶質量（kg/m）；qRO為承載分支每米長度托輥轉動部分質量，kg/m；qRU為回程分支每米長度托輥轉動部分質量，kg/m；fA為氣墊的運行阻力系數；fi為托輥的運行阻力系數；L為輸送機長度，m；LA為氣墊機氣室段支承的長度，m；Li為氣墊機托輥段支承的長度，m；g 為重力加速度，9.81 m/s2；ρ 為物料的堆積密度，kg/m3。

式中：IV為體積輸送量，m3/s；ν 為帶速，m/s。

對于長距離氣墊機（一般長度大于80 m），附加阻力明顯小于主要阻力，因此可以引入一個取決于氣墊機長度的附加阻力系數C，可按下式簡化計算：

式中：C 為附加阻力系數，其值須大于1.02；H為加料段與卸料段之間的高度差，m。

對于傾角<18°的氣墊機，可以認為cosδ≈1，進行簡化計算[5]。

1.5 氣墊輸送帶選型要求

結合氣墊輸送機運行阻力分析，與普通帶式輸送機對比，氣墊帶式輸送機整機運行阻力下降。根據氣墊輸送機氣膜形成理論研究和行為分析[6－7]，氣墊輸送機節能運行的前提必須保證輸送帶與盤槽之間形成穩定的氣膜。為了保證輸送帶與盤槽之間形成穩定的氣膜，則輸送帶的成槽性要求高，與盤槽底面能緊密貼合。所以在氣墊輸送帶選型中通常會選用骨架材料層數少，厚度小的織物芯輸送帶。

對于長距離、大運量煤炭系統，要求輸送帶強度高，而由于織物芯輸送帶的層數限制，且織物芯輸送帶會在使用過程中在牽引張力的的作用下產生較大的不可恢復性伸長，產生設備打滑，影響傳動滾筒驅動，不能滿足長距離輸送要求。高強度織物芯輸送帶由于骨架材料剛性太大，成槽性差，會導致輸送帶無法與盤槽間形成穩定的氣膜，在氣墊式輸送機中的應用受到限制。普通鋼絲繩芯輸送帶由于質量大、橫向剛性大問題，也無法和盤槽間形成穩定的氣膜，使氣墊式輸送機在長距離、大運量、高強度輸煤系統的應用受到限制。

為滿足長距離、大運量輸煤系統的需要，需要設計新型鋼絲繩輸送帶，優化橡膠柔性，降低內應力，大幅度提高成槽性，使鋼絲繩芯輸送帶與盤槽間形成穩定的氣膜，在保證整體帶體強度的前提下有效降低輸送帶的整體質量和運行阻力，使鋼絲繩芯輸送帶適宜于輸煤系統用氣墊帶式輸送機。

2 HHE 鋼絲繩芯氣墊輸送帶設計

青島華夏橡膠研發的HHE 鋼絲繩芯氣墊輸送帶，采用了專業化結構和特殊性能設計，具有帶體強度高、帶體薄、質量輕、疲勞壽命長、耐磨、壓陷變形小[8]等顯著優勢，解決了高強度輸煤系統輸送帶與盤槽間無法形成穩定氣膜的行業難題。

2.1 輸送帶骨架結構優化和排布設計

普通鋼絲繩芯輸送帶設計，骨架材料鋼絲繩直徑大，鋼絲繩排布間距大，適用于托輥式輸送機，在惡劣工況條件時，托輥給鋼絲繩帶來強制外力損傷時，可盡量保證鋼絲繩的完好，減少鋼絲繩斷裂風險。

氣墊用輸送機無托輥，使用氣膜支撐輸送帶，不會出現因托輥導致的鋼絲繩斷裂風險，采用小直徑多根鋼絲繩排布方式，是輸送帶整體受力更均布，輸送帶自身質量分布更均勻，有利于氣墊式輸送機氣膜的形成。

以ST3500 和HHE3500 為例，鋼絲繩直徑下降42%，鋼絲繩根數提高163%，鋼絲繩直徑和鋼絲繩根數見表1。

表1 ST3500 和HHE3500 參數對比

2.2 輸送帶用鋼絲繩特殊設計

普通輸送帶用鋼絲繩每根鋼絲繩最多由133 股編織而成，單股鋼絲直徑大，使用的材質為普通型號優質碳素結構鋼，捻距大，導致鋼絲繩整體剛性大。

HHE 輸送帶用鋼絲繩采用定制設計，每根鋼絲繩最多用190 股編織而成，單股鋼絲直徑小，使用的材質為更高型號的優質碳素結構鋼，經熱處理后，單絲強度大，彈性好。捻距小，鋼絲繩整體柔性優異。ST3500 和HHE3500 參數對比見表1。

2.3 輸送帶輕量化設計

在煤炭載入輸送帶上時，煤炭在水平方向一般無速度，會與輸送帶形成相對運動，從而產生摩擦磨損。在設計使用壽命相同的條件下，通過配方設計提高HHE 輸送帶耐物料摩擦磨損性能，通過結構設計降低輸送帶運行中的磨損，根據氣墊輸送機特性優化覆蓋層厚度，以達到降低覆蓋層厚度、輸送帶輕量化的目的。

HHE 鋼絲繩芯輸送帶使用高耐磨和超高耐磨覆蓋膠。普通的ST 鋼絲繩輸送帶覆蓋膠DIN 磨耗≤200 mm3，而HHE 鋼繩芯帶高耐磨覆蓋膠DIN磨耗≤90 mm3，覆蓋膠耐磨性能提高了55%；HHE鋼繩芯帶超高耐磨覆蓋膠DIN 磨耗≤60 mm3，覆蓋膠耐磨性能提高了70%[9]。

ST 輸送帶鋼絲繩根數少，鋼絲繩間距大，每根鋼絲承受應力大，鋼絲部位凸出于表面，壓陷變形量大，磨損加重。使用一段時間后，鋼絲繩部位的覆蓋膠磨損嚴重，鋼絲繩先從帶面露出。

HHE 輸送帶優化內部鋼絲繩排布，鋼絲繩根數增多，鋼絲繩間距減小，壓陷變形量小，減少鋼絲繩凸出與物料的磨損。

以ST3500 和HHE3500 對比為例：帶寬1 800 mm，安全系數為8。ST3500 每米質量65 kg，每根鋼絲繩承受拉力平均值為6 731 N；HHE3500 每米質量45 kg，每根鋼絲繩承受拉力平均值為2 557 N。HHE3500對比ST3500 質量下降31%，每根繩承受的拉力平均值下降62%，使輸送帶受力分布均勻性有了顯著性提高。

2.4 膠料柔性設計和橫縱向彈性模量檢測

為滿足氣墊式輸送機能形成穩定氣膜的要求，除鋼絲繩特殊設計提高柔性外，對鋼絲繩芯膠和覆蓋膠的柔性也進行了定制設計。

通過采用大分子本身有較高柔性的高彈性橡膠并用，提高芯膠和覆蓋膠的彈性和柔性。補強體系采用硬質炭黑、軟質炭黑和納米層狀硅酸鹽材料并用，既提高橡膠的物理機械性能，又保證了橡膠的柔性。增塑體系采用石油系增塑劑和煤焦油系增塑劑并用，降低橡膠分子鏈間的作用力，增加膠料的可塑性、流動性、黏著性，賦予硫化膠較高的彈性和柔性，較低的生熱，提高耐寒柔性。

通過輸送帶中鋼絲繩結構及排列設計、輕量化設計、膠料柔性設計，使HHE 鋼絲繩芯輸送帶的彈性模量有了明顯下降，使鋼絲繩芯輸送帶的橫向和縱向柔性都有了進一步的提高，適用于氣墊輸送帶的要求，擴展了氣墊式輸送機在長距離、大運量工況的應用領域。

由ST 和HHE 縱向、橫向彈性模量對比檢測圖（圖略）得到的ST 和HHE 彈性模量對比表見表2。根據實測數據，進行對比分析，HHE 縱向彈性模量比ST 下降21.7%；HHE 橫向彈性模量比ST 下降54.8%。彈性模量實測數據對比結果充分證明，HHE縱向和橫向柔性都優于ST。

表2 ST 和HHE 彈性模量對比表

2.5 HHE3500在氣墊式輸送機應用測試

為驗證HHE 氣墊輸送帶使用效果，搭建長度為9.5 m 的氣墊式輸送機試驗臺。輸送帶型號為HHE3500，帶寬為1 800 mm。運載物料為煤炭。載重2 000 kg。

啟動設備供氣后，輸送帶與盤槽間形成穩定氣膜。使用電子拉力計對其啟動時拉力和運行時拉力進行檢測，啟動拉力和運行拉力實測記錄表見表3。

表3 啟動拉力和運行拉力實測記錄表

實測啟動時拉力平均值為128.6 N，計算得摩擦系數為0.006 3；運行時拉力平均值為79.9 N，計算得摩擦系數為0.003 9。遠低于傳統托輥帶式輸送機模擬摩擦系數0.015～0.035，在啟動和運行阻力方面，節能效果顯著。

2.6 花紋類型設計

雖然氣墊式輸送機的輸送傾角可比普通帶式輸送機大3°～ 5°，但是在超過各種物料最大輸送傾角的輸送機設計時，仍需要考慮使用花紋氣墊輸送帶。織物芯花紋輸送帶，由于鑲嵌花紋導致非工作面平整度差，使其無法與盤槽之間形成穩定的氣膜，不適用于氣墊式輸送機。

HHE 鋼絲繩芯花紋輸送帶，由于骨架材料挺性好，只要花紋類型選擇得當，花紋膠彈性和柔性好，鑲嵌的花紋就不會導致非工作面平整度下降，可以與盤槽之間形成穩定的氣膜，可適用于氣墊式輸送機。

經過多個花紋篩選和試用，優化出花紋類型，經測試，HHE 鋼絲繩花紋輸送帶柔性好，實測成槽度為0.38。為驗證HHE 花紋氣墊輸送帶使用效果，搭建長度為12 m 的氣墊式輸送機試驗臺。輸送帶型號為HHE1 600，帶寬1 200 mm。啟動設備供氣后，輸送帶與盤槽間可形成穩定氣膜。

3 應用案例

青島華夏橡膠工業有限公司生產的帶寬1 800 mm，HHE3500 為代表的HHE 鋼絲繩芯氣墊輸送帶，成功應用于輸送量達到4 500 t/h 的節能環保大運量輸煤氣墊帶式輸送系統中（氣墊輸送機為河南天隆輸送裝備有限公司制造）。目前，國外輸煤系統的氣墊帶式輸送機最大運輸量為2 500 t/h，HHE 鋼絲繩芯氣墊帶式輸送機煤炭運輸量已達4 500 t/h。帶寬1 200 mm，HHE1600 鋼絲繩芯花紋氣墊輸送帶成功應用于大傾角輸煤系統中。

4 結語

氣墊式輸送機是在傳統托輥帶式輸送機上的再一次跨越，使物料的帶式運輸由傳統的開放型轉變為封閉化、輕量化、集約化運輸，提高了設備運行穩定性，大大降低了輸煤系統現場粉塵、噪音污染，符合國家綠色產業發展方向。自主開發的HHE 氣墊輸送帶充分應用鋼絲繩技術革新和新型納米材料技術，是ST 輸送帶的升級換代產品，解決了以往高強度輸送帶帶體重、成槽差、剛性大、無法與盤槽間形成穩定氣膜的問題，為氣墊帶式輸送機提供了高強度、輕量化的配套輸送帶，助推氣墊帶式輸送機在長距離、大運量輸煤運輸領域的應用。