帶斗式提升機(jī)張緊力計算與分析研究

郭 遐，王全偉

1.布勒(常州)機(jī)械有限公司 (溧陽 213300)2.太原科技大學(xué) (太原 030000)

斗式提升機(jī)是利用安裝在畚斗帶上的畚斗，垂直提升物料的連續(xù)輸送機(jī)械，斗式提升機(jī)依靠畚斗從機(jī)座底部挖取物料，隨著畚斗帶提升到機(jī)頭，繞過頭輪后向下反轉(zhuǎn)，將畚斗中的物料拋出至出料斗。斗式提升機(jī)是糧油、食品、飼料等行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的物料輸送設(shè)備之一。它的性能好壞影響加工生產(chǎn)效率，其工作效率直接影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度和進(jìn)步。斗式提升機(jī)主要構(gòu)件——畚斗帶，決定著提升機(jī)的性能，畚斗帶的張緊力則直接影響畚斗帶的運行情況及使用壽命。

斗式提升機(jī)畚斗帶的張力受多種因素影響，它與畚斗帶材質(zhì)、畚斗類型、提升機(jī)運行速度、產(chǎn)量等因素均有關(guān)系。在提升機(jī)運行過程中，如若張力太小，容易使畚斗帶打滑，產(chǎn)生畚斗帶回溜、不能達(dá)到預(yù)期產(chǎn)能、產(chǎn)生回料等，嚴(yán)重時還會由于畚斗帶打滑、發(fā)熱，產(chǎn)生火災(zāi)等嚴(yán)重安全事故；如若張力過大，則會導(dǎo)致畚斗帶受力過大，降低畚斗帶壽命，而且如選用過大的張緊力，則需提高畚斗帶強度，并增加頭尾輪直徑，這直接增加了整體設(shè)備的成本。因此，如何選擇合適的畚斗帶張力，成為提升機(jī)設(shè)計中的關(guān)鍵步驟。在實際設(shè)計中張緊力一直沒有明確的計算方法，多是根據(jù)經(jīng)驗預(yù)估后進(jìn)行加載，加載重量或重或輕，不能合理選配張緊力。本文就皮帶張緊力進(jìn)行深入剖析，分析兩種通用計算方法，通過比對計算結(jié)果，在實際工程中進(jìn)行張緊試驗，最終得出結(jié)論。

1 畚斗帶張緊力分析

提升機(jī)在驅(qū)動裝置的作用下帶動頭輪轉(zhuǎn)動，畚斗帶通過張緊力與頭輪產(chǎn)生足夠大的摩擦力，帶動畚斗帶克服阻力，提升物料。提升機(jī)啟動時，由于上升段畚斗中無物料，畚斗需克服機(jī)座中靜止的物料，上升段畚斗逐個挖取物料，所以啟動瞬時，張力非固定值，當(dāng)上升段畚斗均充滿物料后，提升機(jī)處于正常運行狀態(tài)，畚斗帶中張緊力為定值。

由于斗式提升機(jī)為連續(xù)輸送機(jī)械，所以選用穩(wěn)定運行狀態(tài)下的載荷作為張緊力分析的主要狀態(tài)。如圖1所示，上部為驅(qū)動輪，尾輪繞入處畚斗帶張力S1最小，S1處的張力大小為保證畚斗帶與頭輪之間的摩擦力即可，驅(qū)動輪繞入處的張力S3最大，張緊力大小需滿足畚斗帶克服阻力提升畚斗、畚斗帶及物料。尾輪繞出點處張力為畚斗帶繞過尾輪時畚斗帶抗變形所產(chǎn)生的僵性阻力，以及畚斗挖物料時，物料對畚斗及畚斗帶產(chǎn)生的挖取阻力。驅(qū)動輪繞出點處張力為畚斗帶繞過頭輪后的畚斗帶中的力。

注：1. 尾輪繞入點；2. 尾輪繞出點；3. 驅(qū)動輪繞入點；4. 驅(qū)動輪繞出點。圖1 提升機(jī)運行示意圖

2 計算方法說明

2.1 估算法

估算法在實際應(yīng)用中使用廣泛，對于有經(jīng)驗的工程師，可不用通過計算，僅靠經(jīng)驗估計張緊力大小，待提升機(jī)安裝后再根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)節(jié)，此方法方便快捷，但對經(jīng)驗要求較高，且估計重量沒有理論數(shù)據(jù)支撐，經(jīng)常會出現(xiàn)張緊力過大，影響畚斗帶壽命或張緊力過小，畚斗帶打滑的情況。

2.2 逐點張力法[1-2]

2.2.1畚斗帶尾輪繞出點畚斗帶受力(S2)計算

計算公式：S2=S1+W1-2+W0

(1)

式中：S1為尾輪畚斗帶繞入點；W1-2為1點到2點處畚斗帶繞過尾輪時抗變形所產(chǎn)生的僵性阻力；W0為畚斗挖取物料時產(chǎn)生的挖取阻力。

W1-2=C×S1

(2)

式中：C為張力增大系數(shù)，對于提升機(jī)一般取0.05～0.07。

對于挖取阻力，國內(nèi)外學(xué)者做過研究并做過多次試驗，挖取阻力的大小與物料容重、進(jìn)料方式、底座物料填充量等均有關(guān)系，影響參數(shù)較多，且計算過程繁瑣復(fù)雜。國內(nèi)大部分廠家均按照以下簡化公式計算。

W0=K2×q物

(3)

式中：K2為挖取比例系數(shù)，參照表1選取；q物為物料線載荷。

表1 K2挖取系數(shù)取值

2.2.2畚斗帶驅(qū)動輪繞入點畚斗帶受力(S3)計算

驅(qū)動輪繞入點處張力為尾輪繞出點處張力加尾輪繞出點到驅(qū)動輪繞入點處負(fù)載產(chǎn)生的阻力，分別為畚斗帶、畚斗及畚斗中的物料的重力產(chǎn)生的阻力[3]，計算公式如下：

S3=S2+W2-3

(4)

式中：W2-3為尾輪繞出點到驅(qū)動輪繞入點負(fù)載產(chǎn)生的阻力。

W2-3=(q物+q斗+q帶)×H

(5)

式中：q斗為畚斗線載荷；q帶為畚斗帶線載荷；H為提升機(jī)頭輪尾輪間距離。

2.2.3畚斗帶驅(qū)動輪繞出點畚斗帶受力(S4)計算

驅(qū)動輪繞出點處張力不能采用Si=C×Si-1，因為驅(qū)動輪繞入點與驅(qū)動輪繞出點處的頭輪為驅(qū)動輪，驅(qū)動滾筒是符合歐拉公式[4]，所以驅(qū)動輪繞出點的張力可由尾輪繞入點的張力逆時針方向來進(jìn)行計算，計算公式如下：

S4=S1+W4-1(6)

式中：W4-1為驅(qū)動輪繞出點到尾輪繞入點負(fù)載產(chǎn)生的阻力；

W4-1=(q斗+q帶)*H

(7)

計算完后用歐拉公式進(jìn)行驗算最初設(shè)置的S1是否滿足要求，計算公式如下：

S3≤S4×eμα(8)

式中：取值參照表2。

表2 選取表

如果驗算后S3與S4不滿足歐拉公式，則調(diào)整1點處設(shè)定的S1值，直至S3與S4滿足歐拉公式。尾輪張緊力計算公式如下：

S=S1+S2

(9)

逐點張力法中對各個節(jié)點分析時，要充分考慮物料特性、設(shè)備線速度、畚斗材料等，要對各個節(jié)點張緊力分析透徹，計算結(jié)果比較接近實際情況，但計算中系數(shù)較多，且系數(shù)對結(jié)果影響偏大。

2.3 公式法

公式推導(dǎo)過程比較復(fù)雜，直接將公式列出[5]如下：

式中：Q為輸送量，t/h；G為張緊力，N；KA為功率系數(shù)，取1.2～1.4；Db為尾部滾筒直徑，m；H為提升機(jī)頭尾輪軸間距，m；η為尾輪滑板與側(cè)板摩擦導(dǎo)致的重力損失系數(shù)。取0.10～0.25；q為畚斗帶(畚斗)每米質(zhì)量，kg/m；v為畚斗帶運行線速度，m/s；e為自然對數(shù)底數(shù)，e=2.718…；f為畚斗帶與滾筒間摩擦系數(shù)；α為畚斗帶在頭輪上的包角，rad。

公式法已簡化，只需按公式法中參數(shù)代入即可算出張緊力大小，但其中不同物料和阻力對張緊力的影響已不能從公式中體現(xiàn)，所以對于在不同物料和線速度情況下，張緊力不能準(zhǔn)確計算。

3 應(yīng)用實例及驗證比較

以AHEL800型號提升機(jī)為例，該設(shè)備頭輪直徑800 mm，帶寬750 mm，畚斗帶重量15.6 kg/m2，畚斗重量1.2 kg，畚斗容積5.4 L，雙排斗，畚斗數(shù)量5.5個/m，要求產(chǎn)量400 t/h，輸送物料為小麥，容重0.75 kg/dm3，運行速度2.8 m/s，高度49 m，尾輪重量約695 kg。取畚斗帶張力增大系數(shù)0.06，挖取比例系數(shù)3.5，功率系數(shù)取1.2，重力損失系數(shù)取0.15。

(1)按逐點張力法計算

設(shè)定S1=300 kg經(jīng)計算,S=S1+S2=300+456.9=756.9 kg。

(2)按公式法計算

根據(jù)上述兩種算法，計算結(jié)果偏差不大。實際運行中，尾輪張力設(shè)定760 kg，設(shè)備運行平穩(wěn)，運行3年無畚斗帶損壞。

為了驗證兩計算結(jié)果，另選其他幾個型號提升機(jī)，在相同條件下，用此兩種方法計算比較情況見表3。

表3 張力比對表

3 結(jié)論

通過以上計算比較及本公司實際選用張緊力結(jié)果看，逐點張力法隨著型號增大，張力計算結(jié)果增加較快，公式法則緩慢增加。由于兩個計算方法中均有不同數(shù)量的選擇系數(shù)，而選擇系數(shù)對計算結(jié)果影響較大，故用一種計算方法得出的結(jié)果不能覆蓋到全系列產(chǎn)品(尤其跨度比較大的系列產(chǎn)品)。為了選用準(zhǔn)確方便，需分別用兩種計算方法計算，對計算結(jié)果進(jìn)行比較，初選張緊力，在設(shè)備帶料運行時再做細(xì)微調(diào)整，盡量做到張緊力剛好滿足設(shè)備需求即可，避免張緊力過大影響畚斗帶使用壽命。