帶式輸送機槽形托輥壓陷阻力理論研究

王玨

（遼陽市宏偉區民生和社會保障事務服務中心，遼寧遼陽111000）

0 引言

在現代化的工業企業中，帶式輸送機是生產過程中流水作業輸送線上不可缺少的組成部分，隨著現代化生產的不斷發展和科學技術的迅速進步，帶式輸送機的應用越來越廣泛、越來越深入，成為了散料運輸的主要裝備，在社會經濟結構中扮演著越來越重要的角色。

帶式輸送機是利用驅動滾筒和改向滾筒將形成環形的輸送帶張緊，上槽形托輥和下平直托輥作為支撐輸送帶的載體，帶動滾筒驅動輸送帶運行，進行貨載的輸送。輸送帶運行時產生的主要阻力有：物料的擠壓阻力、輸送帶的彎曲擠壓阻力、輸送帶在托輥上的壓陷阻力、托輥的運行阻力，其中作用在上槽形托輥和下平直托輥上的壓陷阻力，所占的比重最大[1]。如果輸送機輸送的距離長、托輥的數量多，那么托輥即成為主要消耗功率的部件，因此推導壓陷阻力計算公式具有重要意義。

1 壓陷阻力的形成機理

輸送帶是帶式輸送機重要的部件之一，它既是承載機構又是牽引機構，因為覆蓋在輸送帶上的橡膠材料具有一定的彈性和硬度，所以當輸送帶運行到托輥上時，由于自身和貨載的重力作用，輸送帶的下覆蓋面被壓陷在托輥上，產生了壓陷阻力。壓陷持續的時間和周期相當短。

輸送帶的受力情況如圖1所示，N為托輥對輸送帶的作用力，方向為外法線方向，垂直方向的分力支撐輸送帶和物料載荷，水平方向的分力即為托輥對輸送帶的壓陷阻力。

圖1 輸送帶的受力分析

2 平直托輥的壓陷阻力

如圖2所示，輸送帶以速度v向右運動，當運行到托輥上時，產生具有滯后特性的壓陷變形，因此承載段只有A（B，其中τ為應變滯后于應力的時間差[2]。

用計算損耗能的方法推導出平直托輥的壓陷阻力理論公式為

圖2 輸送帶通過托輥時的壓陷滾動狀態

式中：G為作用在單個托輥上輸送帶的重力；B為帶寬；h為輸送帶厚度；E為彈性體彈性模量。

3 輸送帶與貨載間的應力

帶式輸送機在運載貨物過程中，松散貨載在槽形輸送帶的覆蓋形狀如圖3所示，該多邊形由托輥輪廓線和輸送貨載堆積的輪廓線組成，β為托輥槽角，φ為貨載動安息角，b為有效寬度[3]：

貨載截面面積A由A1和A2兩部分構成：

以槽形三托輥組為研究對象，在托輥處輸送帶與貨載間的應力計算分兩種情況。

圖3 貨載截面圖

1）側傾角小于輸送帶-貨載間的摩擦角[4]。此種狀態下，輸送帶、貨載間無相對滑動，輸送帶與貨載間的壓應力計算式為

式中：p為側壓系數；γ為貨載比重；z′為料層高度：z′=（yy1）·（tan β+tan φ），y1≤y≤y2；z′=（y-y1）·tan φ+（y2-y1）·tan β，y2≤y≤0。

2）側傾角大于輸送帶-貨載間的摩擦角。此種狀態下，輸送帶、貨載間有相對滑動，輸送帶與貨載間的壓應力計算式為

式中，f為帶料間動摩擦因數。

在托輥處，單位長度橫向長為dy的一段輸送帶所受貨載的壓力為

4 槽形托輥的壓陷阻力

因為輸送帶在托輥上運行時產生的動態載荷對帶與托輥間的相互作用不產生很大影響，所以作用到托輥上的重力可視為貨載和輸送帶自身的重力。

作用到托輥上的貨載質量與托輥所受壓力的關系為

式中，l為托輥間距。

將σβ代入式（6）得

設Q為裝料量，則根據貨載截面面積有

將式（7）、式（8）代入式（1）中得到槽形托輥壓陷阻力理論公式為

5 影響因素分析

通過推導出的槽形托輥壓陷阻力理論公式（9），分析其與影響因素之間的關系如下：

1）輸送帶下覆蓋膠越厚，壓陷阻力越大。輸送帶覆蓋膠厚度是依據材料進行選擇的，覆蓋膠厚度的增加有利于提高輸送帶的耐沖擊與抗磨損性能，為使輸送帶的整體性能全面提高，應相應地提高覆蓋膠厚度，從而提高輸送帶的使用壽命。但是下覆蓋膠過厚使壓陷阻力增大，因此在滿足輸送帶使用壽命的條件下，應盡量將下覆蓋膠厚度設計成最小來降低壓陷阻力。

2）帶式輸送機托輥直徑越大，則壓陷阻力越小。這可以理解為：托輥直徑大，帶與托輥的接觸面積大，壓陷程度小，因此壓陷阻力就小。但是托輥直徑也不是越大越好，因其還受其它條件限制，托輥直徑越大，托輥的運行阻力就越大，因此在設計帶式輸送機時，應將以上兩個條件結合起來考慮，綜合確定托輥的直徑。

3）壓陷阻力隨裝載量的增大而增大。

4）壓陷阻力隨輸送帶單位長度質量增大而增大。在輸送機的回程段，作用在托輥上的力只有輸送帶的質量。

5）托輥間距越大，壓陷阻力越大。這是因為間距大了作用在單個托輥上的質量也隨之增大。減小托輥的間距雖然可以降低單個托輥上的壓陷阻力，但是與此同時輸送機全長上托輥的數量就要增多，不僅整個輸送帶受到的壓陷阻力增加了，托輥的經濟費用也要增多。

6）托輥槽角越大，壓陷阻力越大。輸送帶上的貨載一定，槽角大則物料堆積厚，物料與輸送帶間產生相對滑動，作用在托輥上的壓力加大，導致壓陷阻力增大，但是槽角小的話，容易撒料。

7）輸送帶越寬，壓陷阻力越小。貨載量一定，帶窄容易撒料，帶越寬則輸送帶上貨載越分散，分布在托輥上的壓力小，因此壓陷阻力就小。但是輸送帶寬的話，輸送帶的質量必然增大，導致壓陷阻力的增大，所以在設計時結合這兩點來確定帶寬值。

8）橡膠材料彈性模量越大，壓陷阻力越小。當受到外力作用時，對于彈性模量大的橡膠材料，應變滯后應力的時間短，因此滯后損耗小，即壓陷阻力小。損耗因子可用來表示橡膠材料的滯后性能，而損耗因子與彈性模量有關。輸送帶在長期的使用中，受到氧、臭氧、光、熱、應力（應變）等環境條件的影響而產生老化現象，輸送帶的表面出現龜裂后彈性減小，壓陷阻力逐漸增大。一般說來，彈性模量較大的橡膠材料耐老化的性能不是很好，因此在選擇橡膠材料時應綜合考慮。

9）壓陷阻力先隨帶式輸送機運行速度加大而減小，當小到一定值后開始隨帶速的增大而增大。在進行具體數值分析時，通過計算可得到壓陷阻力達到最小值時的輸送機運行速度。帶速對壓陷阻力影響的情況較復雜些，因為它與裝載量有關。裝載量是一定的，輸送帶運行慢時堆積的貨載多，運行快時堆積的貨載少，但是作用在每個托輥上輸送帶的重力是始終不變的，對壓陷阻力的影響貫穿全程，當輸送帶運行加快時膠帶自重和帶速的共同作用對壓陷阻力的影響較大。

6 結語

本文以帶式輸送機上槽形托輥為研究對象，基于平直托輥的壓陷阻力理論公式，推導出了槽形托輥壓陷阻力理論公式，并分析了壓陷阻力與其影響因素之間的關系。以上的論述可供技術研究人員參考，有待在實踐中得到驗證。