帶式輸送機支腿埋件水平荷載分析

彭程PENG Cheng

（山東能源集團新能源有限公司，濟南250014）

0 引言

帶式輸送機是目前應用非常廣泛的物料運輸機械，在煤礦、電力、化工等行業有著低成本、大運量的優勢。關于帶式輸送機本身的設計計算資料非常多，但基本是對于設備本身的滾筒、托輥、膠帶等方面的設計計算。而對于埋件受力的大小，多數設計院會參考經驗值或由設備生產廠家進行計算。但對于帶式輸送機頭架、尾架、拉緊裝置處因為受力大，設備廠和設計院多針對其進行了很多分析計算，但對于帶式輸送機的支腿埋件的受力，并沒有進行精確計算。這就使得在進行帶式輸送機配套的棧橋設計時，棧橋的受帶式輸送機支腿的作用力是不精確的。為了確保棧橋結構的安全性，設計方往往將支腿受力增大，這樣就會使整個棧橋面荷載增加，從而導致棧橋的建設成本上升。

本文針對帶式輸送機的一組機身的基本單元，對其進行平行于棧橋方向進行受力分析，并通過一組實例計算埋件水平荷載并與常規的經驗值進行比較，從而為精確提出埋件受力提供依據。這樣可以為后續土建專業優化棧橋結構設計、降低棧橋建設成本提供依據。

1 帶式輸送機簡介及研究現狀

1.1 帶式輸送機簡介

帶式輸送機是用來輸送散裝物料的主要設備，因其具有結構簡單、輸送能力大、投資費用相對較低及維護方便等特點等優勢而受到了各基礎工業領域的青睞，在國民經濟中發揮著舉足輕重的作用[1]。帶式輸送機的發展大約已經有兩個世紀的歷史，輸送帶由最初的動物皮革和纖維棉縫制，到尼龍、聚酯等織物帶，再到現在的鋼絲繩芯輸送帶，無論從材質上還是功能類型上都得到極大的發展[2]。

帶式輸送機具有很多優點：結構簡單、運送物料種類多樣、運送能力強、環境適用性好、裝卸物料方便、運行維護成本低等。這些優點決定了帶式輸送機可以應用在煤炭、冶金、建材（水泥）、電力（火電、水電）、糧食、化工、交通運輸業等工業領域、工程建設、生產工藝等方面。帶式輸送機系統的設計主要涉及常規靜態方法的選型設計、帶式輸送機的啟動、停機過程的動力學分析、轉載系統的溜槽設計以及系統鋼結構、滾筒的有限元計算和系統振動分析等[3]。這其中常規方法的選型設計1.2節中會進行簡介，轉載系統的溜槽設計針對的部件為溜槽（落煤管），滾筒的有限元計算針對的部件為滾筒，因此涉及帶式輸送機支腿的分析、計算資料較少。

目前，帶式輸送機的結構日趨成熟，常見的帶式輸送機目前應用較廣的型號為DTII型帶式輸送機及DTII（A）型帶式輸送機：DTII型帶式輸送機是由北京起重運輸機械研究所負責，組織沈陽礦山機器廠、唐山冶金礦山機械廠、自貢運輸機械總廠、沈陽起重運輸機械廠、銅陵運輸機器廠、上海起重運輸機械廠、焦作起重運輸機械總廠、衡陽運輸機械總廠、鶴崗起重運輸機械總廠成立了九廠一所聯合設計組，對原TD75型和DX型帶式輸送機兩大系列進行更新換代的實施計劃[4]。DTII（A）型則是根據DTII型帶式輸送機的應用情況、用戶使用經驗及要求，由北京期中運輸機械研究所和武漢風凡科技開發有限公司會同沈陽礦山機械集團有限公司、自貢運輸機械總廠、沈陽起重運輸機械有限責任公司、焦作起重運輸機械有限責任公司、衡陽起重運輸機械有限公司以及銅陵藍田股份有限公司銅陵運輸機器廠等6家合作單位，對DTII型帶式輸送機的部分部件品種規格進行擴充、改進了部分部件結構、修改了錯誤、推出了帶式輸送機CAD設計軟件。由于補充修改的DTII型帶式輸送機設計與原設計有較大不同，故將其定名為DTII（A）型帶式輸送機[5]。

此外，帶式輸送機還有QD80輕型固定帶輸送機、管狀帶式輸送機、氣墊式帶式輸送機、U型帶式輸送機、波狀擋邊帶式輸送機等多種形式，本文后續分析僅是針對DTII（A）型帶式輸送機進行，其余形式帶式輸送機的埋件受力分析可以進行參考。

但上文所述中有兩種帶式輸送機例外：一是管狀帶式輸送機因為其結構與其他形式帶式輸送機差別較大，且由于其運行路徑多存在空間彎曲的情況，因此受力分析相較其他帶式輸送機更加復雜，本文對此不做分析；二是大曲率轉彎的帶式輸送機因其在垂直于帶式輸送機的運行方向上存在水平作用力，與下文中討論的水平受力情況差別較大，因此也無法進行參考。

1.2 DTII（A）型帶式輸送機設計過程簡介

DTII（A）型帶式輸送機典型整機結構包括頭部漏斗、頭架、頭部清掃器、傳動滾筒、安全保護裝置、輸送膠帶、承載托輥、緩沖托輥、導料槽、改向滾筒、拉緊裝置、尾架、空段清掃器、回程托輥、中間架、電機、液力耦合器、制動器、減速機及聯軸器。此外，有些DTII（A）型帶式輸送機會根據功能需求增加犁式卸料器、卸料車、防雨罩、水洗裝置、翻轉裝置、壓帶輪等裝置。這其中犁式卸料器、卸料車僅在卸料點存在，防雨罩僅在露天布置的帶式輸送機中可能進行布置，壓帶輪布置與帶式輸送機的凹弧段，水洗裝置及翻轉裝置也僅在帶式輸送機中的某幾處進行布置。因此后續受力分析中暫且不對這些部件進行考慮。

DTII（A）型帶式輸送機設計過程一般按照下列步驟進行：

①獲取DTII（A）型帶式輸送機的設計條件：

1）運送物料的屬性：物料密度、粒度、濕度等特性。

2）DTII（A）型帶式輸送機的最大輸送能力。

3）擬建地理位置及環境情況。

4）受料點數量、位置及形式。

5）卸料位置及形式。

6）輸送機布置位置，輸送機長度、提升高度和傾角等。

7）驅動裝置布置形式，是否需要制動器。

②輸送能力：根據設計條件初選帶式輸送機寬度及運行速度，并根據初選的帶式輸送機帶寬、運行速度校核輸送量是否滿足設計要求。

③根據設計條件選擇輸送帶寬度。

④圓周驅動力計算。

帶式輸送機的圓周驅動力主要包括主要阻力、附加阻力、主要特種阻力、附加特種阻力以及傾斜阻力。每種阻力均可在DTII（A）型帶式輸送機設計手冊中查到具體計算公式，這樣可以通過計算圓周驅動力得到驅動電機驅動帶式輸送機運轉所需要的輸出功率。

⑤輸送帶張力的計算。

傳動滾筒的扭矩是通過滾筒與膠帶之間的摩擦傳送到輸送帶。因此輸送帶必須維持一定的張力數值才能保證輸送帶與傳動滾筒之間不打滑。同時，輸送帶在托輥與托輥之間為了保證物料在輸送過程中不會因為輸送帶平鋪而撒料，輸送帶需要保持一定張力值才能維持托輥之間張緊不下垂。

通過計算輸送帶不打滑及不下垂兩項條件，并根據帶式輸送機的布置形式對運轉的每個特性點進行逐點張力法進行分析，可以得到帶式輸送機在每個特性點上的張力值。

⑥傳動滾筒軸功率的計算：通過圓周驅動力計算出傳動滾筒的軸功率。

⑦逆止力計算及逆止器選擇：逆止力最大的情況為上升段滿載剩余段空載，根據帶式輸送機布置計算出所需的逆止力并通過逆止力選擇適合的逆止器。

⑧電動機功率計算：考慮減速器效率、傳動效率等影響計算得出電動機功率，根據電機功率對驅動裝置組合進行選擇。

⑨輸送帶選擇：根據輸送帶張力、物料堆積密度選擇合適的輸送帶形式（如織物芯帶、鋼絲芯帶等）以及輸送帶層數。根據選擇的輸送帶計算輸送帶厚度、單位長度質量、總質量等。

⑩拉緊力計算：根據前面計算的輸送帶特性點張力確定拉緊裝置的拉緊力，并選取帶式輸送機的張緊形式，一般拉近形式有垂直拉緊、車式拉緊以及液壓拉緊等。最后根據輸送帶形式計算拉緊裝置的拉緊行程。

?計算凹凸弧段尺寸并校核啟動制動工況下輸送帶不打滑。

?帶式輸送機設備的整機設計計算結束后，根據部件的受力情況計算選擇頭部漏斗、頭架、頭部清掃器、承載托輥、緩沖托輥、導料槽、改向滾筒、拉緊裝置、尾架、空段清掃器、回程托輥、中間架等輔助配件。

1.3 DTII（A）型帶式輸送機設備設計完成后埋件的受力計算

根據以上設計計算選出的合適的頭架、尾架等部件后，頭尾架的埋件、拉緊裝置、驅動裝置埋件可以根據部件的尺寸、受力情況進行分析計算。下文主要對機身部分的埋件受力情況進行分析。在埋件受力確定以后，棧橋設計人員根據埋件受力情況進行棧橋本體的設計。

2 埋件水平受力分析

DTII（A）型帶式輸送機中間部分自上而下包括：物料、上帶面、上托輥及托輥支架、中間架、下帶面、下托輥及托輥支架、支腿。本文以單個中間架為一組基本單元（包括中間架范圍內的物料、上下帶面、上托輥、下托輥、兩組支腿）對其進行受力分析。上托輥為普通槽型托輥，下托輥為平托輥，不考慮上托輥、下托輥為調心等特殊托輥的情況。同時為簡化語言，計算中如不做特別說明，水平方向、力、荷載指沿棧橋斜面方向的方向、力、荷載，垂直方向、力、荷載指垂直于棧橋斜面方向、力、荷載，棧橋斜面與水平面夾角為α。帶式輸送機基本單元受力簡圖如圖1。

由圖1可知，帶式輸送機垂直方向受力可以將基本單元看做一個整體在重力作用下產生對棧橋的垂直下壓力，壓力大小等于基本單元重力在垂直方向的分量。

圖1 帶式輸送機基本單元受力簡圖

水平方向受力自上而下的分析過程如下：

①以物料作為分析對象：物料水平方向受力為重力水平方向分量Gsina及皮帶給物料摩擦力Fst。物料水平方向有：

②以上帶面作為分析對象：水平方向受力有兩側皮帶給本段皮帶的張力差F驅上（這個力可以看做驅動給本段皮帶的驅動力）、物料給皮帶的摩擦力Fst、每個上托輥給皮帶的摩擦力f1（忽略皮帶自重）。因此，對于上帶面水平方向有：

③以下帶面作為分析對象：水平方向受力有兩側皮帶給本段皮帶的張力差F驅下（這個力可以看做驅動給本段皮帶的驅動力）、每個上托輥給皮帶的摩擦力f2（忽略皮帶自重）。因此對于下帶面水平方向有：

④將中間架、上托輥、下托輥、支腿看做一個整體，由上面分析可知該整體在水平方向上受力有該整體重力在水平方向分量Gsina、皮帶給上托輥的摩擦力f1、皮帶給下托輥的摩擦力f2、支腿受力在水平方向分量F。

由于該整體一直為靜止狀態，所以水平方向受力之和為0。同時，不管皮帶運行處于加速、減速或勻速狀態，整體水平方向受力不受影響。

3 基本單元中埋件水平受力計算

下面選取DTII（A）型帶式輸送機一組參數進行實際計算，以對比計算值與經驗值之間的區別。本文選擇的帶式輸送機參數如下：帶寬1400mm，托輥直徑159mm，帶高1500mm，帶式輸送機傾角為15°，上托輥為35°槽型托輥，上托輥布置間距1200mm，下托輥為平托輥，下托輥布置間距為3000mm，中間架選擇重型系列中間架，中間架長度為6000mm，支腿為重型，I型支腿與II型支腿各一組。以一組中間架為例（此中間架范圍內不含犁式卸料器、拉進裝置、等其他部件）：

其中qRO為承載托輥旋轉產生阻力，托輥前傾的摩擦阻力。

qRU為回程托輥旋轉產生阻力。

根據DTII（A）型帶式輸送機設計手冊中詳細計算公式，帶入帶寬B=1400mm，帶式輸送機傾角a=15°，托輥直徑φ=159mm，上托輥間距1200mm，下托輥間距3000mm得：

F=Gsina+f2-f1=（87.8*5+46*2+230+60.5+99.3）*9.8*sin15°+17.63-51.84=2301.33N，其中Gsina=2335.54N遠大于f1（51.84N）、f2（17.63N）。

假設F均勻作用于兩對支腿，單個支腿埋件水平受力為F/4=575.34N。設計院、設備廠此處經驗值一般為2kN左右，計算值（575.34N）對比經驗值（2000N）減少了約71%，因此棧橋在設計過程中完全有可能通過減少對水平方向荷載的計算從而將棧橋的建設成本降低。

4 結論及展望

針對帶式輸送機支腿埋件受力情況，本文以一組DTII（A）型帶式輸送機機身的基本單元為對象進行了受力分析，并帶入帶寬1400mm的一組參數進行實例計算。埋件水平荷載的計算值對比經驗值減小了很多，因此本文的計算對于減小埋件荷載有一定的參考意義。

本文的工作也有一些缺陷需要在后續工作中進行彌補：一是本文目前僅對于帶式輸送機機身的基本單元進行分析，對于帶式輸送機的一些特殊部位如凹凸弧段、有清掃器或拉緊裝置的部位都沒有進行分析；二是基本單元分析中對于各個支腿的荷載分配不均勻的情況沒有考慮，載荷分布的不均勻系數需要在實際應用中通過進一步的實驗收集得到。

目前帶式輸送機正朝著大型、長距離方向進行發展，對于一臺帶式輸送機機身所占的比例也越來越大，機身所配套的棧橋也越來越長。因此帶式輸送機的設計計算不應僅僅對于關鍵部位進行挖掘，對于帶式輸送機機身也值得設計人員投入更多精力進行分析研究。通過對帶式輸送機機身部分的分析研究，對于整個帶式輸送機輸送系統的輕量化、經濟化都有十分重要的意義。