皮帶傳送機械中導料槽的優化設計

摘" 要：針對皮帶傳送機械中導料槽的缺點和不足，對導料槽進行結構優化設計。將導料槽原有的垂直型圓柱結構，改進為三級結構。導料槽的第一級側壁，采取小角度傾斜的形態，完整形貌類似于錐臺的側面。導料槽的第二級側壁，采取大角度傾斜的形態。導料槽的第三級側壁，采取短小的垂直設計，并且和第二級傳送帶表面留有一定距離。第一級側壁采用固定連接，第一級側壁和第二級側壁、第二級側壁和第三級側壁采用可旋轉連接，增加物料沖擊過程中的靈活性。測試結果顯示，優化后的導料槽本身和第二級傳送帶表面，所受的沖擊力都更小。

關鍵詞：皮帶機;傳送機械;導料槽;傳送帶;優化設計

中圖分類號：TP278" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0127-04

Abstract： Aiming at the shortcomings and deficiencies of the guide chute in belt conveying machinery， the structure of the guide chute is optimized. The original vertical cylindrical structure of the material guide chute has been improved to a three-stage structure. The first side wall of the guide groove adopts a small angle inclined shape， and the complete shape is similar to the side surface of a frustum. The second-level side wall of the material guide groove adopts a large angle inclined shape. The third-stage sidewall of the material guide slot adopts a short vertical design and leaves a certain distance from the surface of the second-stage conveyor belt. The first level side wall is fixedly connected， and the first level side wall and the second level side wall， and the second level side wall and the third level side wall are rotatably connected to increase flexibility during the material impact process. Test results show that the optimized guide chute itself and the surface of the second-stage conveyor belt are subject to smaller impact forces.

Keywords： belt conveyor; conveyor machinery; guide chute; conveyor belt; optimization design

近年來，我國礦山開采、大型物料運送等領域都獲得了快速發展，皮帶傳送機械在其中發揮了極其重要的作用[1]。皮帶傳送機械應用的歷史非常悠久，在物料運送領域的各種設備中使用占比也非常高。之所以如此，是鑒于皮帶傳送機械的一些突出特點，比如運送原理簡單、結構設計方便，運送距離遠、運送量大和運送速度均勻可控等等[2]。對于運送距離較遠的情況，可以采用多級皮帶配合運送，從而有效解決遠距離運送中的復雜問題。當然，皮帶傳送機械也存在一些問題，如皮帶在反復沖擊的情況下使用壽命降低、兩組皮帶銜接中導料槽設計不合理導致的皮帶磨損加劇等等[3]。可見，皮帶傳送機械的關鍵在于如何提升皮帶的抗疲勞強度，這其中導料槽的優化設計是一項十分必要的工作。本文以此為切入點，在分析皮帶傳送機械原有導料槽結構缺點的情況下進行結構上的優化設計，并結合仿真分析的手段驗證優化設計的效果。

1" 皮帶傳送機械導料槽的問題分析

1.1" 皮帶的組成結構及抗沖擊性

傳送帶運輸系統中最重要的構件就是傳送帶，也稱為皮帶。根據不同的工作需要，傳送帶的材料選擇也各不相同。根據材料差異的劃分，常見的傳送帶有帆布材質的傳送帶、尼龍材質的傳送帶、EP帶材質的傳送帶、鋼絲材質的傳送帶、橡膠材質的傳送帶和聚氨酯皮材質的傳送帶等。橡膠皮帶是最常見的皮帶機材質之一，它具有良好的韌性、耐磨性和耐老化性能，同時其滑動摩擦系數較低，比較適合用于長距離輸送和重負載物料的運輸。但是橡膠皮帶也有缺點，例如溫度過高易老化、耐油性差等，因此在選擇橡膠皮帶時需要考慮具體的使用場景和要求。聚氨酯皮帶是一種新型材料，它具有較好的抗拉強度、耐磨性、耐油性和耐化學腐蝕性，尤其是在潮濕環境下仍然具有良好的使用性能。聚氨酯皮帶的優點在于其使用壽命較長，更加耐磨損，可適用于高速高負荷的輸送系統。但是其價格較貴，而且需要專門的生產工藝，因此在選擇聚氨酯皮帶時需要綜合考慮成本和實際需求。

皮帶一般是分層結構，其內部為具有一定支撐能力的帶芯材料，外部則是具有較好彈性和保護性能的材料，如圖1所示。

雖然皮帶的外部材料具有很好的彈性，但是在物料下落沖擊和運輸磨損的反復作用之下，皮帶的外層還是存在嚴重的疲勞效應，也經常因此而導致使用壽命下降。

1.2" 組合皮帶機的兩組皮帶配合

在遠距離運輸或存在較大高度差的時候，一組皮帶不足以完成任務。這時候，就需要通過兩組或多組以上皮帶的銜接配合完成物料的輸送要求。多組皮帶銜接配合構成的皮帶機，稱為組合式皮帶機。組合式皮帶機又有緊密連接型和松散連接型，緊密連接型是一組皮帶和下一組皮帶緊密連接在一起，中間不經過太長的空隙過渡，因此也不需要外加額外的過渡裝置或過渡機構，物料可以從一組皮帶自然傳遞到下一組皮帶。松散連接型組合，是一組皮帶和下一組皮帶之間存在較遠的距離，無法直接實現物料的自然過渡。如果不經過特殊處理，物料傳遞的過程中如果經過兩組皮帶之間的距離，就會直接掉落。因此需要采取專門的過渡機構或過渡處理，才能完成兩組皮帶之間的配合。本文中，考慮的兩組皮帶之間的配合，屬于更為復雜的一種情況。兩組皮帶之間的間距不是在同一水平面上，而是存在高度上的落差。

對于存在較大高度差的兩組皮帶之間的配合，將處在更高位置的皮帶稱為一級傳送帶，將處在相對較低位置的皮帶稱為二級傳送帶。物料從位置更高的一級傳送帶向相對位置較低的二級傳送帶輸送，因為兩組皮帶高度上的差距，在銜接配合處會形成物料的自由落體運動。因為自由落體運動中重力加速度的存在（9.8 m/s2），從而會導致物料對二級傳送帶形成沖擊。在物料自由落體下落過程中，為了防止物料飛散，經常采用導料槽作為銜接部件。導料槽形式上屬于上下開口、周圍密封的腔體，用于銜接上下兩組傳送帶，同時對物料形成輸導、防散落的作用，其形式如圖2所示。

1.3" 導料槽的原始結構及問題

在本文的研究工作中，皮帶傳送機械中的導料槽使用了最為簡單的垂直圓柱結構，并且是直上直下的圓柱結構。顯然，這樣的導料槽結構，設計、加工和裝配都比較方便。直上直下的圓柱結構，雖然可以防止物料的散落，實現從一級傳送帶到二級傳送帶的傳送，但也存在比較嚴重的問題。這種問題主要是導料槽沒有發揮出其他作用，使得物料完全以垂直的方式傾瀉在二級傳送帶上。因為自由落體的作用，傾瀉過程中物料對二級傳送帶形成了沖擊效果。如果垂直下落的距離過大，就會導致沖擊能量過大，從而對二級傳送帶的表面產生嚴重影響。雖然傳送帶外部使用彈性材質的材料，但在物料的反復沖擊下，仍然會導致較大的破壞作用。多次使用后，二級傳送帶的表面就會出現疲勞效應，進而導致使用壽命降低。

本文中皮帶傳送機械導料槽的原始結構，如圖3所示。

2" 皮帶傳送機械導料槽的優化設計

導料槽作為溜槽系統和皮帶機的樞紐，處于帶式輸送機物料運輸的核心位置，其效率高低直接影響著物料的通過能力。導料槽的主要功能是，將從漏斗落下的物料在達到帶速之前集中到輸送帶的中部，約束物料不往外灑落。但實際上傳統的導料槽結構并不能很好地達到使用要求，會出現母板卡塊、磨損、變形及擋皮處灑漏料問題。隨著離散元仿真技術的發展，仿真軟件被運用到礦石物料運輸的場景中，通過分析顆粒的運動狀態和幾何體所受沖擊、磨損的情況，可確定現有導料槽問題所在。通過對相應結構進行改造，能夠顯著提高導料槽的完好率和通過能力。

考慮到圖3中給出的導料槽原始結構存在的問題，本文進行優化設計，優化設計的結構如圖4所示。

優化設計的總體原則是改變導料槽原有的垂直圓柱結構，同時形成3個層次的分級設計。導料槽的第一級側壁，采取小角度傾斜的形態，完整形貌類似于錐臺的側面。導料槽的第二級側壁，采取大角度傾斜的形態，完整形貌也類似于錐臺的側面。導料槽的第三級側壁，采取短小的垂直設計，完整形貌類似于圓柱。

在優化的導料槽結構之下，當物料從第一級傳送帶垂直落下時，其中一大部分會先同導料槽第一級側壁發生沖擊，但因為下落距離短，對導料槽第一級側壁的沖擊作用不大。其后，物料又與導料槽第二級側壁發生沖擊，同樣因為下落距離短，對導料槽第二級側壁的沖擊作用也不大。通過這樣2個帶有坡度的分級側壁配置，大大減小了物料下落對二級傳送帶的沖擊作用。因此，導料槽的第三級側壁就采用了小直徑的垂直結構。隨著三級側壁結構的直徑不斷縮小，物料落到二級傳送帶時也更加集中，有效地避免了物料的散落。

導料槽第一級側壁采取完全固定的形式，不能轉動或移動。這樣的配置是確保導料槽整體的相對穩定性。第二級側壁和第一級側壁，采用了可旋轉的連接，使得第二級側壁具有一定的靈活性，可以減小物料對第二級側壁的沖擊破壞。第三級側壁和第二級側壁，也采用可旋轉的連接，第三級側壁在受到物料反彈沖擊時，也具有一定的靈活性，可以減少沖擊和破壞。第三級側壁與第二級傳送帶之間，留存一定的空隙。這樣的設計，可以避免導料槽和第二級傳送帶之間的剛性摩擦。導料槽側壁一般采用硬質橡膠材料，雖然彈性較大，但也具有一定的硬度，如果直接和第二級傳送帶刮擦，也會導致第二級傳送帶表面的破壞。雖然這樣的設計留有了一定的空隙，但經過前兩級側壁的承載，物料的沖擊和反彈效果已經大幅度減弱，不會經過空隙大幅度迸濺，可以被外側的第二級傳送帶接住，不使物料飛散。

3" 皮帶傳送機械導料槽的性能測試

在前面對皮帶傳送機械中的導料槽進行了結構優化設計，進一步展開性能測試。首先來觀察，導料槽擋皮在模擬時間內收到的沖擊力統計，結果顯示導料槽擋皮在9 s的模擬時間內，受到連續不斷地顆粒沖擊。因導料槽擋皮是橡膠材質，受到大的持續沖擊力易彎曲變形和磨損，繼而引發顆粒從擋皮和皮帶之間空隙外溢。在現實作業條件下即表現為導料槽兩側變形引發灑落料，理論模擬的結果和實際灑落情況是基本相符的。沖擊力分析的仿真曲線，如圖5所示。

圖5中，橫坐標代表了時間，單位為s;縱坐標代表了導料槽側壁所受到的沖擊力的大小，單位是N。從圖中的沖擊力曲線變化情況可以看出，在皮帶輪運輸的過程中，物料通過導料槽垂直下落到下一級皮帶，會對導料槽第三級側壁產生間歇性影響，因此一共出現了6組沖擊力波峰，分別是：3.9～4 s的第一波峰，沖擊力大小為0.004 N;4.8～4.9 s的第二波峰，沖擊力大小為0.008 N;5.2～5.4 s的第三波峰，沖擊力大小為0.003 N;5.5～6.1 s的第四波峰，沖擊力大小為0.039 N;6.6～6.8 s的第五波峰，沖擊力大小為0.011 N;8.1～8.3 s的第六波峰，沖擊力大小為0.002 N。除了這6組波峰的情況，其余時間范圍內，導料槽的第三級側壁均不受沖擊力影響。而這6組波峰，最大的沖擊力也僅為0.039 N，充分證明了本文的設計大大減小了物料下落對導料槽的沖擊，即本文的結構優化設計是合理有效的。

進一步通過仿真實驗，觀察導料槽優化后的仿真效果。與舊導料槽仿真模擬設置相同的顆粒設備參數和接觸模型，對新型導料槽灑落料情況進行仿真分析。通過導出的數據圖像可以看出，絕大部分物料匯聚到皮帶中心，僅有微量的細小顆粒會從導料槽母板與皮帶之間空隙漏出，但是會被第二層導料槽擋皮密封遮擋。不同于其他轉接塔導料槽處物料會順皮帶方向向前沖擊，塔物料經拋料滾筒拋出，撞擊溜槽并經折射，最終朝與皮帶運行相反方向向后沖擊皮帶。其中，一部分物料顆粒從收口母板和導料槽母板之間空間通過。另一部分與收口后方空間大小相當的物料塊會卡滯在此處造成皮帶、托輥損傷以及導料槽側板變形外翻，這與實際作業中發生卡塊的問題是相符的。

4" 結論

皮帶傳送機械運送原理簡單、結構設計方便，運送距離遠、運送量大、運送速度均勻可控，這些突出的特點，使其特別適合物料運輸。在運送距離較遠的情況下，可以采用多級皮帶配合運送，從而有效解決遠距離運送中的復雜問題。在具有垂直落差的多級傳送帶配合中，導料槽是非常重要的組件。針對原有導料槽的缺點和不足，本文進行了導料槽的結構優化設計，并通過性能測試加以驗證。結果表明，本文設計的導料槽結構，有效地減小了物料下落過程中的沖擊，可以大幅度地提升皮帶傳送機械的使用壽命。

參考文獻：

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作者簡介：趙學義（1986-），男，工程師。研究方向為機械工程。