懸浮式帶式輸送系統的設計優化分析

陳 林 李明霞 仇月雷 曹玉龍 張明鑫

青島華夏橡膠工業有限公司 青島 266200

0 引言

帶式輸送機是一種能在特定路徑上進行輸送的機械裝置，可在水平、垂直和有一定傾角的條件下進行運輸，并可在立體空間中進行復雜的運輸，當帶式輸送機在運輸時，其輸送路徑是不改變的，在長途運輸中可在搬運的同時與工人進行一些工作，不但可獨立運行，還可將多臺設備組合成一套傳送系統，在復雜的空間環境下進行材料的搬運。與其他的傳送裝置相比，帶式輸送機具有結構簡單、工作穩定、可靠性高、能耗低、環境友好、易于控制、管理和維護方便等優點，是一種理想的交通工具，已經廣泛應用于國民經濟的各個領域。

懸浮輸送帶是一種新的輸送技術，其利用氣浮的方式，取代了傳統的托輥，通過氣浮技術支持傳送材料。相對于常規的帶式輸送機，懸浮式帶式輸送機噪音更低，可極大地減少由輸送帶引起的噪音。傳統的輸送帶需要消耗較大一部分功率克服轉動部件之間的摩擦，而懸浮式帶式輸送機氣室內部由鼓風機進行加壓，所需要的機器效率遠低于氣力輸送機。

1 研究意義與背景調研

1.1 研究意義

帶式輸送機是一種廣泛用于煤礦、電力、冶金、化工等領域的開放式物料輸送裝置。可針對各種工況而設計，包括潮濕、干燥、泥濘、粉塵多等。伴隨著互聯網科技的發展，帶式運輸機縮短了研發、生產、制造所需要的工時，且具備更優化的功能，使得其在運輸領域的競爭力進一步增強。而在礦山機械的研究中，帶式輸送機已經成為露天礦與地下礦的重要運輸方式，如何實現制動與張緊，向智能化和自動化方向發展，是目前帶式輸送機運輸業發展的一個重要方向。

隨著我國帶式輸機技術的發展，其應用范圍也日趨廣泛，但與國外的設備技術水平仍有一定差距。故開發適合多種用途、多功能一體化的帶機產品是一個重要發展方向。為適應生產實際需求，提高生產效率，在確定最佳方案前，確定了總的優化目標：1) 總體可靠性和安全性得到改善，故障率下降；2) 其動力系統能適應各種環境條件，節能、環保。

1.2 國外發展現狀

1963年，法國第一次完成了平面轉彎式相關的帶式輸送機的設計以及投產，這也是全球首臺該類型的帶式輸送機，主要運用在地鐵建造時物料的輸入以及廢料的輸出，后廣泛用于水利、礦山等領域。法國設計投產后，美國、德國、奧地利等國家在該輸送機型號上處于領先地位，平面帶式輸送機的發展走向新的階段。

平面轉彎帶式運輸機通過使托輥向前傾斜、增加槽角和提高內部曲線來達到正確的轉向，相比其他措施有較高的經濟性，故部分的平面轉彎型帶式輸送機沿用此措施。另外，這種帶式輸送機在設計時必須保證在輸送帶拐彎處的拉力不能超過其極限強度，輸送帶在工作過程中不打滑且不產生飄帶及受力均衡3個條件。隨著此類帶式輸送機的發展，小半徑轉彎的設計是重點研究方向，即輸送帶在傾角發生變化的同時能轉彎運行。

日本某公司在1964年首次提出有關圓管帶式運輸機的概念，在1979年實現了該類型帶式輸送機的首臺制造，同時還生產了一系列的產品，后將該專利權轉讓到德國某公司。從80年代至今，我國已有2 000多臺圓筒形帶式輸送機，在單個輸送機的作用下，最大承載能力為10 km，最大承載能力為6 500 t/h。

從結構進行分析，圓管狀帶式輸送機構成中包括了管狀帶、頭部以及尾部，雙向的物流輸送過程是這類型輸送機的特點。由于該輸送模式必須新增一個翻轉輸送帶的設備，和其他帶式輸送機進行比較，其中具備很多優勢，管狀帶式輸送機可實現密封輸料，不會造成物料的飛揚，更環保，從傾斜程度來看，能維持較大角度，在輸送過程中具備圓形的斷面，從而物流能充分和輸送帶互相接觸。更大的傾斜角，更短的輸送機長度，對應的就是更好的經濟性能。且輸送帶的上下分支纏繞成圓柱形，下面的分支可將不同的材料倒過來運送。

荷蘭在20世紀70年代第一次完成了懸浮式帶式輸送系統的制造過程，該類型的帶式輸送機在近幾年受到了越來越多的關注，許多國家都投入了大量精力在其生產開發過程中，相關的專利也達到了數十個。開始僅是在面粉類小粒度的物料當中使用到了氣墊式帶式輸送機，后隨著發展用于礦山物料運輸，例如碎礦石、煤粉等粒度大的物料，向長距離、重載的方向發展。氣墊輸送機具有如下優勢：

1）運轉阻力小能耗低 普通帶式輸送機摩擦系數f處于0.015～0.035范圍內，采用懸浮帶式輸送機進行輸送的方式，摩擦系數降低到0.006～0.012范圍內，其阻力降低30%左右。

2）能實現更大面積的物料承載 采用懸浮帶式輸送機進行輸送與普通型號輸送機進行輸送處于同一槽角的情況下，在承載面積方面相差不大，但對于懸浮帶式輸送機而言，其能夠選擇的槽角更大，當處于同一帶寬條件下時使得承載面積變大且可不使用托輥。該型號輸送機在輸送物料的過程中工況穩定且不顛簸，故可不使用托輥，提高輸送效率。

國外的帶式輸送機發展迅速，其發展趨勢分為2個方向：1)應用領域多樣化，如各類管式和不同傾角帶式輸送機；2)注重技術、設備的改進，特別是帶式輸送機的高速、長距離、高運載能力已經成為發展的主要趨勢。

1.3 國內發展狀況

當前國內帶式輸送機技術正在快速的發展，尤其是露天煤礦技術的發展，因帶式輸送機具有靈活、能適應各種環境的特點，且可簡化一些細節，許多露天礦井都使用帶式輸送機，降低采礦成本。其中，垂直提升輸送機、高強度固定、可伸縮的帶式輸送機等是我國具有代表性的帶式輸送機。

固定高強度帶式輸送機在煤礦井當中廣泛使用，在水平布置相關傾角更小的情況下能較好地使用。但由于固定高強度帶式輸送機部件及輸送帶相關強度有所約束，其對應的單機長度較短。若要使輸送帶對應的強度降下來，最高效的辦法就是將驅動裝置對應的尺寸變小，對于國內的輸送機而言，一般選擇中間裝載式以及中間直線相關的摩擦驅動來實現驅動過程，并以軟啟動作為輔助。

2 方案設計

2.1 懸浮式帶式輸送系統的工作原理

關于懸浮式帶式輸送系統方面，其具備非常多的分類策略，在分類過程中選擇物料運輸相關的不同輸送帶結構進行劃分。懸浮式帶式輸送系統是將整個傳送系統都封閉在一個獨立的空間里，利用氣膜作為輸送帶的支撐實現物料運輸。采用氣墊取代了傳統的帶式輸送機托輥，由鼓風機將空氣壓縮到氣室中，然后從托盤槽中的小孔中漏出，在輸送帶和圓盤的凹槽之間形成一道氣膜，以支持輸送帶進行輸送。

懸浮式帶式輸送系統的主要零部件是輸送帶，其作用為牽引和承載，其他重要部件包括鼓風機、滾筒拉緊裝置、驅動裝置、料漏斗等。

圖1 懸浮式帶式輸送系統示意圖

輸送帶繞經傳動滾筒和機尾換向滾筒形成一個環形帶。輸送帶的上下2個部件放在一個托輥上。張緊器的作用是使輸送帶在正常的張力下工作。在輸送材料時，輸送帶通過傳送輥與輸送帶的摩擦而移動。材料通過裝載點進入輸送帶，在輸送輥與輸送帶之間產生連續的摩擦，并在輸送帶的末端進行裝料。材料裝載于上部的載體表面，并在頂部進行卸載。

2.2 驅動裝置的優化設計

2.2.1 驅動方式比較

如圖2所示，分別為單電動機驅動輸送帶運輸和雙電動機驅動輸送帶運輸，雙驅動的優點為工況穩定，可運輸較大質量的物料，不易出現打滑等失效形式，且可使輸送帶有較大的張緊。缺點為整個裝置質量大，且輸出沒有較大的提高，會出現電流不穩定的情況，不容易操作。單電動機驅動的優點為驅動功率雖較小，但質量輕，需求能源少，運輸較平穩，缺點為會出現輸送帶松弛造成打滑。根據本設計，采用易操作的單電動機的驅動方式，對于造成輸送帶松弛的情況設置拉緊裝置，可較好地改善這一不良影響。

圖2 電動機驅動示意圖

2.2.2 驅動單元的優化

輸送帶材料選擇NN-150，最開始時選擇6層，輸送帶每一層的質量為1.15 kg/m2，上層膠厚度為3 mm，下層膠厚度則為1.5 mm，每毫米厚膠的質量為1.19 kg/m2。

傳統方式下的電動機的選型

選擇電動機型號為Y250M-4；液力偶合器型號為YOXⅡz450；減速器型號為DCY280-31.5；制動器型號為YWZ5-315。

本文在此類傳統驅動形式之下進行優化改造，將驅動單元更換為智能永磁驅動，具有效率高、低能耗、低噪聲、維護簡單、啟動力矩大、運行穩定的特點。通過試驗比較，得出了常規傳動方式的節能效果約為75%，而采用永磁傳動的節能效果達到93%，經過綜合分析，節能效果達到20%。圖3顯示了永磁電動機相對于異步電動機的效率。

圖3 電動效率曲線對比圖

采用永磁電動機與變頻調速裝置構成的智能永磁傳動系統，其起動力矩可達額定功率的220%，其起動力矩僅為額定功率的55%，在負荷條件下難以正常起動，需加大電動機容量來實現正常啟動。永磁及異步電動機的扭矩特性曲線如圖4所示。

圖4 電動轉矩特性曲線對比圖

2.2.3 控制單元部分的優化

常規的帶式輸送機傳動裝置采用高壓異步電動機，高壓接觸器直接控制，在接觸器關閉的情況下，帶式輸送機開始工作，而在高壓接觸器關閉的情況下停止工作。原來的驅動模式沒有速度調節，且啟動次數有限，不能經常起動，所以對控制裝置進行改進，對永磁直流驅動系統進行電路改造優化后的系統控制單元如圖5所示。

圖5 優化后的系統控制單元

經過改造和優化后，采用變頻調速器對永磁電動機進行控制，既能起動、停機，又能速度調節，而在永磁直流驅動系統中，高壓接觸器僅是其較高級的功率輸出元件。

2.2.4 傳動部件的優化

傳統的輸送帶由減速器將電動機與滾筒相聯接，由減速器將高壓異步電動機的輸出速度減慢，再由傳動鼓的旋轉帶動輸送帶旋轉，完成物料的輸送。該傳動方式中間傳動鏈多，造成傳動效率低，能耗大；此外，在振動作用下，還易造成減速齒輪軸的變形，從而造成軸承松動，齒輪嚙合不平穩，噪聲大等問題。同時，在負載情況下啟動時會對減速器的齒輪造成沖擊，甚至出現斷齒等故障，一旦出現問題將嚴重影響企業的生產效率。

為解決傳統傳動方式的缺點，將采用永磁電動機直驅技術，改造后的控制單元可調節永磁電動機的轉速，既可以大大提高傳動效率，又可以保證高可靠性，降低了系統的維修工作量，避免了對系統的沖擊，同時啟動響應迅速、力矩大，可在負荷狀態下直接起動。

3 強度校核

3.1 輸送帶最大張力及其校核

輸送帶張力從整體上來看，其長度是會產生變化的，影響輸送帶張力長度變化的要素有很多方面，為了確保輸送機在上午能正常運轉，輸送帶張力一定要符合以下2點：

1）在處于任一負載的狀況下，在輸送帶上產生的張力需要使所有傳動滾筒上的圓周力是借助摩擦力的作用被傳送到輸送帶上，故輸送帶和滾筒之間需確保不會出現打滑的情況；

2）輸送帶上所需的拉力不應過低，以便使輸送帶在兩組托輥之間的垂度小于某一特定的數值。

不打滑情況下輸送帶最小張力為

輸送帶層數為

按文獻[1]表選取層數標準值為4，即Z1=4層

3.2 輸送帶垂度與強度的校核

1)輸送帶垂度校核

根據文獻[2]得

其中h/a0應該<0.01

輸送帶可滿足最大下垂度的限制，符合使用要求。

2)輸送帶強度校核

由前文所述得

σ應比輸送帶材料的縱向扯斷強度小

輸送帶材質符和輸送帶強度設計準則。

4 主要零部件設計計算

傳動滾筒是輸送帶的主要動力部件，在輸送帶中扮演著重要角色。其功能是將輸出軸提供的扭矩傳遞到輸送帶上。根據不同使用場合，對傳動滾筒的設計也有不同的要求，其接頭應使用硫化處理的橡膠覆面。用于阻燃和防爆條件下必須進行的相應調整。

在本設計系列中，滾筒根據其承載能力可分為輕型、中型、重型3類；根據滾筒的直徑，可將滾筒分為500 mm、630 mm、800 mm和1 000 mm。同樣型號的滾筒直徑也可根據中心長度和軸直徑進行選擇。

根據傳動滾筒的表面形狀，將2種類型的傳動滾筒分為表面光滑的鋼質傳動滾筒，覆蓋有人字形圖案的橡膠傳動滾筒和覆蓋有菱形花紋的傳動滾筒3種主要形狀。裸露的輕質鋼表面適合于低功率、低帶寬和干燥運輸的長距離工作環境；而人字形橡膠面是由一層光滑的滾筒表面上具有回旋形凹槽的橡膠層制成的，摩擦力大，防水、防滑性能好，但其有方向性；采用菱形橡膠涂料可用于雙向傳送。在這3種表面形狀中，具有人字形形狀橡膠表面的輸送帶可壓縮到與滾筒接觸的凹槽中，由于上述原因，根據本設計的工作環境，選用此種滾筒。

4.1 滾筒參數計算

1）傳動滾筒參數為

可求得

2）傳動滾筒的選型

在輸送帶的設計中，通常選擇較大滾筒直徑對于帶式輸送機是有利的，但如果直徑增大，則滾筒的質量、驅動、減速比都會隨之增大。故應按照滾筒上的帶寬、帶速、合力及扭矩查表確定滾筒的直徑。

滾筒直徑為

按照軸的設計結構，軸段I與剛性聯軸器相聯接，剛性聯軸器的孔徑為120 mm。

4.2 結構設計

本文制定了一套裝配方案，確定各軸段長度和直徑的依據為軸向定位。

軸段I與剛性聯軸器相連，長度為167 mm，直徑d1=120 mm；

軸段II安裝調心滾子軸承24182，長度為85 mm，直徑d2=146 mm；

軸段III為軸承定位，長度為56 mm，直徑d3=148 mm；

軸段Ⅳ為過渡段，長度為92 mm，d4=150 mm；

軸段Ⅴ安裝傳動滾筒接盤，長度為150 mm，d4=150 mm；

軸段Ⅵ定位接盤，長度為960 mm，d6=160 mm；

軸段Ⅶ安裝傳動滾筒接盤，長度為150 mm，d7=150 mm；

軸段Ⅷ為過渡段，長度為92 mm，d4=150 mm；

軸段Ⅸ為軸承定位，長度為56 mm，d3=148 mm；

軸段Ⅹ安裝調心滾子軸承24182，長度為85 mm，d2=146 mm；

4.3 求軸上載荷

根據軸的機構設計作出計算簡圖，根據扭矩圖和彎矩圖，得出了 B段是一種具有同樣應力的危險段。圖6為軸的受力示意圖，圖7為彎矩圖。

圖6 軸的受力示意圖

圖7 彎矩圖

4.4 零部件強度校核計算

1）軸的強度校核根據當量彎矩得

則B點的當量彎矩為

方向為正。

軸的計算應力為

計算結果表明該軸滿足強度要求。

2）軸承校核

傳動軸上的軸承為24128型號的調心滾子軸承，軸承部分設計參數如表1所示。

表1 24128型號軸承部分參數

合成反力

結合軸承壽命為

可知該軸承符合設計要求。

3）鍵的校核

普通平鍵靜聯接校核為

由計算可知鍵的強度滿足要求。

4.5 鼓風機參數計算

經鼓風器壓縮后的氣流經氣孔流入輸送帶的底部，在輸送帶上形成氣墊薄膜，完成物料的輸送。所以，氣墊的壓力必須大于輸送帶以及物料的總質量和，才能正常工作，由于鼓風機同時向上下2個氣室加壓，故計算氣室的工作空氣流量。

1）上下氣室的空氣壓力 考慮到空氣經過氣孔時會有壓力損傷，據伯努利方程對上下氣室的截面進行計算

式中：P為上氣室壓力，θ為氣孔傾斜角度，A為輸送帶和清掃器間的接觸面積，n為槽孔的個數，d氣孔直徑，K0為壓力儲備系數。

最終簡化求得

2）氣室的空氣流量

考慮氣墊場中的空氣流動為均勻流量和恒定流動，假設空氣為X、Y方向的二維流動，邊界條件為Z=0，Uy=0，根據微分方程得空氣在Y和X方向上的流量為

3）鼓風機壓力、流量和功率

5 三維建模及仿真

5.1 三維建模

本設計三維建模軟件采用Soildworks，本設計為水平布置的懸浮式帶式輸送系統，卸料裝置在頭部，給料在尾部，且布置方式為水平，將各零件通過裝配，得到最后的總裝配圖。為加快計算速度，簡化了三維模型，如圖8所示。

圖8 帶式輸送機裝配和簡化模型

5.2 有限元分析

對該簡化模型進行流體分析，得到如圖9、圖10所示的模擬結果。

圖9 氣縫產生的氣墊場云圖

圖10 不同氣縫尺寸產生的氣墊場壓力對比圖

由圖9可知，壓力呈現中間大兩側小的趨勢，根據數據可以看出，仿真所得到的最大壓力值大于氣墊最大壓力，可以滿足支撐輸送帶和輸送物料的要求。

為了提高氣墊壓力，對不同尺寸的氣縫進行仿真對比，氣縫寬度分別為1.14 mm、1.5 mm、2 mm，仿真結果如圖10所示。

通過對不同寬度的氣縫進行仿真分析，氣縫寬度為1.14 mm時，壓力最大為3 712.76 Pa，壓力最小為101.34 Pa，氣縫寬度為1.5 mm時，壓力最大為6 220.12 Pa，壓力最小為179.05 Pa，氣縫寬度為2 mm時，壓力最大為7 312.67 Pa，壓力最小為389.27 Pa。結果表明：當其他條件相同時，氣墊的壓力隨氣縫寬度的增加而增加。在滿足加工和不浪費能源的情況下，可適當地加大氣縫寬度以提高氣墊工作的穩定性。

6 結論

本次設計采用布置方式為水平布置，該布置因高度落差造成物料飛揚，存在破壞環境、浪費物料等問題。本文主要對輸送機圓周力的計算、最大張緊力的計算、以及驅動裝置的設計計算等進行了說明，其中，對軸的危險部分進行了檢驗，對軸承和鍵進行了校核，滿足了設計的使用需求。

在此基礎上對傳統帶式輸送機進行了調研和分析，結合本文設計的帶式輸送機進行了優化改造，主要對動力系統進行了設計與實施。由于懸浮式帶式輸送系統能耗大，故障多，已不能適應生產需要。通過對動力系統的改造，并對其進行了總體優化，最終確定了用永磁電動機直接驅動代替傳統的多級減速器。優化后的懸浮式帶式輸送系統能減少10%以上的能源消耗；另外，增加氣縫的寬度可提高氣墊的空氣壓力，有利于提高物料輸送過程中的穩定性。為有關單位的物料運輸機的研制工作提供了有益借鑒。