基于落料點與導料槽優化的皮帶跑偏解決方案

中圖分類號：TH222 文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2025）03-0030-05

AbstractAimingattheproblem that thesamebeltconveyor frequently experiences beltdeviationdue touneven force distributioncausedbymultiplefeedingpoitsandgudechutestructures，ichfectsproductionstabilitythisstudyivestigatedthe causes fbeltdeviationbasedonmateralfaling rajectoriesandgudechuteconfigurations.Anoptimizationwasproposed：Sttingup amaterial-onmaterialoreaccumulationplatforatthdischarging hopperfalingpoint，andimplementingguidechutes withupper wide/lower-narrow profilesandflared tail structure.AnANSYS modelwas established.ANSYSforceanalysisandcomparativetests demonstratedthat：Theoreacumulationplatformefectivelycounteractsimpactwearonthetransferbeltanddischarginghopperwear platesbyalteringmaterialfallngtrajectorytoaievecentraliedmaterialladingTeupperwide/ower-narrocutewithfaredtail canenhancematerialflowabilityandconvergenceatmultiplefeedingpointsofthesamebeltconveyor，ensuringuniformbeltforce distributionwhileeducing materialjmmingrisksinhutesidbafles.Tisoptimizationsuccesfullyesoledbeltdviationissues and extended service life of both conveyor belts and wear-resistant liners.

Keywordsbeltconveyor;materialfallng trajectories;oreaccumulationplatform;guidechute;beltdeviation;ANYS;multiple points feeding

皮帶輸送機憑借結構簡單、輸送量大、連續輸送穩定、高效率，以及自動化控制簡易等優勢，在各個領域被廣泛應用。目前，皮帶輸送機已成為礦山行業的物料運輸主要設備，且基于物料運輸與生產的需要普遍采用皮帶輸送機接力的方式。然而，在實際生產過程中，接力皮帶在落料與收料環節上因相互影響導致的跑偏問題十分常見[1-2]。如何確保上層皮帶輸送機向接力皮帶輸送機落料時，物料落料點盡可能位于接力皮帶中央位置，并使物料沖擊力集中且均勻地分布于中央緩沖裝置（托輥式緩沖床），成為防止避免接力皮帶跑偏的研究重點。

本文針對同一條皮帶輸送機因存在多個落料點與導料槽導致皮帶受力不均引發的跑偏問題，從落料和導料兩個關鍵環節進行分析，提出對應的解決方案。從物料的落料運動軌跡特性出發，提出在落料點位置安裝積礦臺，通過料打料的形式改變落料軌跡，減緩物料對接力皮帶沖擊的優化方案。從導料槽結構優化角度出發，提出采用上寬下窄 + 尾部外擴的結構，增強多收料點物料的通過性和聚攏性，均衡皮帶受力，降低側擋皮卡石風險。通過ANSYS仿真與對比實驗，該方案有效解決了落料、導料造成的皮帶跑偏問題，并為延長皮帶使用壽命、減小耐磨材料磨損與穩定生產等方面創造經濟效益。

1落料點優化

落料點優化的目的在于通過物料落料受力分析與落料軌跡方程計算，確定落料點設置積礦臺，以料打料的方式降低物料對下料斗的磨損，減緩物料沖擊和改變落料軌跡，使落料集中在接力皮帶的中央，消除皮帶受力不均引發的跑偏問題。

1.1落料點位置確定

根據不同的地理位置、場地與生產需求，可將皮帶輸送機的安裝布置方式分為水平輸送、斜坡輸送與混合輸送。本文以具有代表性的斜坡輸送為研究對象，對物料進行落料受力分析與運動軌跡方程計算，進而確定落料點位置[3-4]

1.1.1物料落料受力分析

假設物料的質量為 ?_m ，皮帶輸送機的輸送角度、運行速度、頭輪滾筒半徑分別為 β，v，R ，頭輪滾筒對物料的作用力為 F ，物料繞頭輪滾筒做圓周運動的向心力為 F1 ，向心力 F1 計算公式為見式（1），其受力分析如圖1所示。

假設不考慮空氣阻力與同一時間輸送量，根據動力學原理可得頭輪滾筒對物料的作用力 F 計算公式見式（2）。

1.1.2物料落料運動軌跡方程

根據上述物料落料受力分析與計算公式分析可得，隨著皮帶輸送機運行速度 σ_v 變化，物料落料會出現3種運動軌跡。

1）當皮帶輸送機運行速度較大時， v²/Rggt;1 ，及mgcos β

x=vtcosβ-Rsinβ

2）當皮帶輸送機運行速度匹配時， v²/Rg=1 ，及Cos β=F1 ，此時根據公式（2）可得作用力 1，物料于輸送帶與頭輪滾筒的垂直中心線位置成拋物線落料，如圖3所示。此時，物料落料運動軌跡方程為：

x=vt

3）當皮帶輸送機運行速度較慢時， v²/Rglt;1 ，及mgcosβgt;F1 ，此時根據公式（2）可得作用力 Fgt;0 ，cosβlt;1 ，物料于頭輪滾筒的垂直中心線形成 θ 角的位置成拋物線落料，如圖4所示。此時，物料落料運動軌跡方程為：

x=vtcosθ+Rsinθ

cosθ=v²/Rg

1.2設置積礦臺

根據落料運動軌跡方程，代入參數計算確定落料點坐標，并在該位置用耐磨鋼板制作、安裝積礦臺5-積礦臺類似于方格盒子形狀，可起到積存物料的目的。當皮帶輸送機連續輸送的物料落入該位置時，物料與積存在積礦臺內的物料相互碰撞，減少物料對皮帶輸送機下料斗襯板的磨損，改變物料落料位置，減緩物料因落料高差對接力皮帶的沖擊，使落料集中在接力皮帶的中央位置。積礦臺設置及物料落料軌跡示意如圖5所示。

2導料槽優化

導料槽作為皮帶輸送機收料的關鍵部位，由頂部蓋板、前后防塵簾、左右側擋板、耐磨板與側擋皮組成。導料槽優化的目的在于，通過計算確定導料槽的合理高度與長度，優化傳統導料槽的結構外形，提高導料槽對物料的聚攏性，以及后方來料的通過性，避免多導料槽系統后方物料的卡阻和皮帶跑偏。

2.1導料槽結構設計優化

在傳統的導料槽基礎上進行創新的2段式結構優化設計8，即按照皮帶的運行方向將導料槽的結構設計為2段，分別為前方導料段與后方收料段。其中，前方導料段的導料槽位于皮帶運行方向的出料與收料緩沖位置，采用上寬下窄的喇叭口截面設計，主要目的是使導料槽將物料更好地集中在皮帶中央，解決因物料分散、皮帶受力不均而導致的皮帶跑偏問題。后方收料段的導料槽兩側擋板分別往外擴形成外八形狀，以增大導料槽寬度，使后方導料槽輸送的物料便于通過。傳統導料槽與結構優化后的導料槽對比，分別如圖6、圖7所示

2.2導料槽高度與長度設計優化

為降低輸送物料對導料槽側擋皮與耐磨板材的磨損，對導料槽進行阻力分析和結構尺寸優化。受力分析表明，導料槽的阻力產生可分為加速段和非加速段兩部分，且與導料槽的高度和長度存在直接關系。以槽型托輥組為例，通過礦石堆積截面推導計算可得，礦石在加速段與導料槽擋板的平均接觸高度大于非加速段與導料槽側擋板的平均接觸高度，其計算公式為9：

式中 ?I_? 為礦石體積輸送量， m³/s;V₀ 為礦石沿皮帶運行方向的初始速度， m/s;V 為礦石最終速度（帶速），m/s;B_s 為導料槽的寬度， m;I_M 為中間托輥的長度，m;α 為槽型托輥的角度， 為加速段導料槽側擋板接觸高度， m 。

由式（10）可知，導料槽礦石加速段的長度越短，計算所得的阻力越小。通過運動公式 V_t²-V₀²=2aS ，可求解礦石從進入導料槽的初始速度 V₀ 加速至帶速 V_t 的最短運行距離 S_min ，計算公式為[10-1]：

式中： g 為重力加速度，取 9.8m/s²;μ 為礦石與皮帶滑動摩持系數； _;β 為皮帶傾角， （^°） 。

考慮同一條皮帶多個導料槽收料時，后方來料對前方導料槽的沖擊，其長度需滿足公式（12）。

式中： L 為導料槽長度， m;B 為皮帶帶寬， m 。

因此，當 V=V₀ 時， S_min=0 ，取 L=B ，即加速段導料槽的長度最小值為皮帶帶寬 B 。當同一條皮帶有多個導料槽收料時，考慮后方對前方導料槽礦量的影響，加速段導料槽的長度最小值為皮帶帶寬 B ，及優化后導料槽的設計長度最小值為2倍皮帶帶寬

3 實驗結果分析

將上述落料點與導料槽優化方案應用于某礦山新建選礦廠生產實踐中，通過ANSYS仿真分析和對比實驗驗證方案的可行性、可靠性與實際效果。該選廠的皮帶輸送機性能及輸送參數如表1所示。

3.1落料點優化前后實驗結果分析

將表1參數代入落料點運動軌跡方程，經計算可得 v²/Rglt;1 ，符合第（3）種軌跡條件。假設瞬時物料質量 m=100kg ，解得物料于頭輪滾筒的垂直中心線形成角度 θ=48.7^° 的位置成拋物線下落，理論落料坐標為 （2.35m，-1.5m） 。為了驗證理論落料坐標的準確性，現場測量進行對比。對比結果證明，受皮帶輸送瞬時礦量波動的影響，理論落料坐標與實際落料坐標誤差范圍為 ±20cm 。使用Creo軟件分別建立落料點有/無積礦臺的皮帶輸送機頭輪下料斗簡化三維模型，導人ANSYS軟件中進行處理。

為了簡化ANSYS模擬試驗條件，兩種模型網格劃分采用同樣的標準，且材料均選用密度為 7.85× 10^-6kg/mm³ 的鋼材。無積礦臺下料斗共劃分4727個網格單元，假定物料落料運動軌跡正前方下料斗耐磨板受到來自物料 0.01Pa 的沖擊， g 為 9.8m/s² 。有積礦臺下料斗共劃分5512個網格單元，假定物料按照落料運動軌跡使積礦臺底面同樣受到 0.01Pa 的垂直沖擊，且下料斗整體 ，積礦臺尺寸為1 040mm×300mm×300mm 。通過ANSYS模擬分析得到落料點有/無積礦臺下料斗的總應變云圖[2-13]，分別如圖8與9所示。

圖8落料點無積礦臺時總應變云圖

落料點優化前/后下料斗總應變云圖對比表明，優化后的下料斗應力變形顯著降低，且物料沖擊位置發生了改變，對下料斗正面耐磨板起到了保護作用，延長了其使用壽命。實際應用證實，積礦臺內堆積物料能夠有效減緩落料沖擊，且在物料之間形成相互碰撞的破碎效果。在積礦臺的作用下，落料趨于集中在接力皮帶的中央，大幅改善了因落料引起的皮帶跑偏和耐磨板損耗問題，進一步驗證了該方案的可行性和實用性。

3.2導料槽優化前后對比試驗分析

基于某礦山新建選廠中間礦倉4條安裝與使用條件相同的平行皮帶輸送機開展對比試驗。其中，2條采用傳統導料槽，2條采用優化后導料槽，且每條皮帶輸送機尾部均配置5個導料槽。經過為期1個月的運行監測，統計側擋皮卡石和跑偏次數繪制對比點線圖見圖10與圖11。

導料槽對比實驗數據表明，傳統導料槽的跑偏次數約為優化后導料槽的2倍，卡石次數約為優化后導料槽的3倍，驗證了優化后導料槽的實用性和可靠性。

4結語

本文針對多收料點皮帶輸送機因落料沖擊與導料槽結構缺陷引發的皮帶跑偏問題，提出了應對的優化方案：1）在下料漏斗的落料點設置料打料積礦臺，緩沖物料沖擊磨損，修正落料軌跡至皮帶中心；2）采用上寬下窄 + 尾部外擴導料槽結構，提升多收料點物料聚攏性與通過性，均衡皮帶受力，降低側擋皮卡石風險。在理論分析和優化設計的基礎上，通過ANSYS仿真和對比實驗，驗證了該方案能有效解決皮帶跑偏問題，同步可延長皮帶及耐磨襯板壽命，為同類工程提供了優化范式

參考文獻

[1]王冬.皮帶機膠帶跑偏原因分析及解決方法研究[J].機械管理開發，2018，33（3）：192-193.

[2]李瑞光.帶式輸送機跑偏問題分析與改進研究[J].機械管理開發，2022，37（9）：108-109.

[3]宋鳳蓮，巫世晶，吳慶鳴.帶式輸送機頭部滾筒卸料運動軌跡方程的研究[J].水利電力機械，2002，24（2）：48-49.

[4]劉建濤.基于振動篩落料點的電動滾筒位置選擇[J].水泥工程，2015，8（4）： 55-57.

[5] 馬文選.降低帶式輸送機下料口村板磨損的方法[J].礦山機械，2009，37（14）： 84.

[6] 牛創，楊杰，李文莉.利用拋物曲線進行機頭溜槽防磨損和降噪的改造[J].華北水利水電學院學報，2012，33（4）：74-75.

[7]吳志剛.帶式輸送機輸送帶選型優化及導料槽結構改造研究[J]山東煤炭科技，2021，39（11）：124-125.

[8]王玉明.礦用皮帶機運輸帶優化及導料槽結構改造研究[J].機電工程技術，2020，49（6）：188-189.

[9]宋偉剛，楊彥賀.帶式輸送機導料槽阻力的計算方法[J].起重運輸機械，2011，7（5）：5-9.

[10]馬美英，溫富成.合理確定帶式輸送機的導料槽長度[J].煤礦機械，2004（9）：14-16.

[11]劉文亮，張曉偉，董秋艷.連續皮帶機膠帶跑偏原因與力學分析[J].水利水電技術，2006，37（3）：26-27.

[12] 宗榮珍，薛黨勤，李文民.基于ANSYS的帶式輸送機機架結構分析[J].礦山機械，2008，36（11）：66-68.

[13] 王燕燕，張軍峰.基于ANSYS的振動給料機給料槽有限元分析及結構改進[J].起重運輸機械，2009，9（7）：38-41.