X 射线安检设备中带式输送机驱动部分的设计计算

2013-09-13孟志强

机电产品开发与创新 2013年4期

李蒙，刘斌，孟志强

（公安部第一研究所，北京 100044）

0 引言

近年来，随着国际恐怖活动的日益加剧，探测隐藏在行李、物品、货物、车辆内以及人体携带的威胁物和爆炸物的X 射线安全检查设备在机场、海关、铁路、公路、公共场所的集会以及重要部门已得到广泛应用。X射线安检设备按照输送方式的不同一般分为辊道输送式和带输送式两种。其中带输送式安检设备占了相当大的比重。

1 辊道输送式安检设备与带输送式安检设备的主要区别

辊道输送式安检设备的特点是承载力较高，一般应用在集装箱检测等货运检查的场合，但缺点是无法检测小件货物行李，结构较复杂，如图1所示。

带输送式安检设备特点是结构简单，带速稳定，图像质量高，可检测小件物品，但由于输送带强度的限制，承载能力有限，一般应用在手提行李及较轻的货物检测场合，如图2所示。

图1 辊式输送机Fig.1 The roller conveyor

图2 带式输送机Fig.2 The belt conveyor

2 驱动部分运行时的受力分析

带式输送机的运载驱动力由两部分组成：①电机驱动滚筒的输出圆周力；②驱动滚筒与输送带间的摩擦牵引力。而带式输送机的运载能力由这两个力中较小的力决定。一般来说，带式输送机的驱动部分可以简化为图3所示。

图3 受力分析图Fig.3 Force analysis

图中：T1—输送带紧边拉力；T2—输送带松边拉力；Φ—输送带在驱动滚筒上的包角。

设滚筒的圆周力为Fu，则由力矩原理可得：

从dα角内取一微分单元的输送带dx 来进行分析。设N为滚筒的反作用力，则：

得：

由式（1）可得：

3 打滑现象的分析及解决

考虑到输送带本身的强度寿命和输送带张力对设备其他零部件的影响，故作用在输送带上的张力应尽可能地小。但为保证输送机正常地运行，输送带必须有足够的预张力，以将驱动滚筒的圆周力通过摩擦传递给输送带。当预张力不足时，驱动滚筒和输送带之间就会发生打滑。

3.1 输送带不打滑的最小张力

在驱动滚筒上，圆周力Fu 通过摩擦传递给输送带，在设备运行时，保证驱动滚筒与输送带之间不打滑，滚筒绕出端输送带的最小张力T2应满足：

式中：Fumax—满载输送机启动、制动或稳定工况条件下出现的最大圆周力；u—驱动滚筒与输送带之间的摩擦系数；Φ—输送带在驱动滚筒上的包角。

一般来说，X 射线安检设备的输送带包角Φ为180°～220°。驱动滚筒与输送带之间的摩擦系数u根据安检设备运行时的工作条件（干态运行）和滚筒的表面材料（光滑裸露的钢面滚筒）为0.35～0.4（此处摩擦系数代表静摩擦系数，不代表滑动摩擦系数）。而根据具体的Φ和u的数值，由表1 就可查到（欧拉系数）的具体数值。从而计算出保证输送带不打滑的最小张紧力数值。

表1 欧拉系数eu φT a b.1E u l e r c o e f f i c i e n t

3.2 如何避免出现打滑现象

带式输送机启动状态分为静启动和输送机空载启动后加载被运载物，使用中常见是后者，但产品验收时经常考量的是静启动。在启动和制动过程中，输送带由静止状态逐渐加速至带速或由带速逐渐减速至停机，需克服运动部件的惯性。为确保在启动制动时输送带不打滑，须令：

启动加速度： aA≤0.1～0.3m/s2

制动加速度： aB≤0.1～0.3m/s2

启动时启动圆周力应为静圆周力与惯性力之和，即：

制动时制动圆周力应为惯性力与静圆周力之差，即：

Fa可表示为： Fa=（m1+m2）aA

Fb可表示为： Fb=（m1+m2）aB

式中：FA—启动圆周力；Fa—惯性力；m1—直线移动部分质量；m2—安检设备输送机中驱动电机滚筒、托辊、改向滚筒等所有的转动惯量转换为驱动滚筒上直线移动质量。

在安检设备的使用过程中，输送机的停止一般为自由停车，没有制动装置，所以为避免带式输送机出现打滑现象，主要是考虑输送机在启动时驱动部分的情况。启动时，驱动滚筒的启动圆周力通常可简化为：FA=（1.3～1.7）Fu，对于启动圆周力还可以这样理解，输送机突然启动时会产生加速拉力，易产生打滑的现象。

因此，可采用延长启动时间的方法来减小加速拉力，即减小启动圆周力。具体到安检设备上可以考虑增加变频器控制电机的启动时间或者在电机上增加软启动的方式来避免打滑现象的发生。而且通过减小启动圆周力对输送带的使用寿命，设备整机的使用寿命都会有所提高。

3.3 保证输送机承载量的考虑

由式（3）可知，在不出现打滑现象的条件下如果要提高输送机的承载量，可通过增加输送带预张紧力、增大驱动滚筒直径、增大输送带与驱动滚筒之间的包角、选用不同的滚筒表面材料及输送带表面织物纹向以提高它们之间摩擦系数等方法来实现。而过分增加输送带预张紧力则会对输送带的使用寿命和整机的使用寿命都会有影响。所以在驱动部分的设计中，要充分考虑输送带额定的表面张紧力的数值，尽量选用数值较大的输送带，并在设计允许的情况下尽量增加输送带与驱动滚筒之间的包角，考虑在驱动滚筒的表面增加花纹等方式增大滚筒与输送带表面的摩擦，以提高X 射线安检设备输送机的承载量。

4 驱动电机的选用及功率的计算

传动功率P 表示为：P=FuV

其中V为带速。而电机的功率PM 表示为：

PM=P/η

式中：η—效率，按经验值一般取 0.78～0.95。而在电机的参数中，通常会有扭矩的参数M，而根据这个参数可以算出在突然启动时电机所能提供的最大圆周力，从而校验我们的额定载荷。

实例计算：

（1）某大型货物检查X 安检设备的额定载荷指标为1.5吨。由于此机型尺寸比较大，要求运载能力比较高，所以选用了外置驱动电机加减速器带动驱动滚筒进行驱动的方式。根据输送机的高度和驱动滚筒的加工工艺性，初步设计滚筒的直径为180mm，皮带与滚筒表面和输送机托板表面的摩擦系数u 均为0.35，考虑到输送机在启动时的情况，计算出启动圆周力FA为：

FA=1.7 Fu=1.7×15000×0.35=8925（N）

所选用的电机和减速器提供的扭矩参数M 应至少为：

8925×0.09=803.25（N·m）。

结构设计中根据调偏滚筒的位置计算出皮带在驱动滚筒上的包角Φ为197.55°。

根据式（3）可以计算出T2应至少为341.8N。

即在1.5 吨载荷的条件下电机突然启动时如果皮带不出现打滑，则皮带在张紧时松边的拉力应在350N 以上。根据此计算结果可设计该输送机的张紧结构。

在输送机运行的过程中，取η为0.8，可以计算出电机功率PM为：

PM=P/η=Fu V/η=15000×0.35×0.2/0.8=1312.5（W）

由以上计算的数值最终选取了符合设计需求的外置减速电机，并通过对电机本身的使用系数校核和设备实际测试均能满足使用要求。

（2）在某手提行李X 射线安检设备中，可选用的电机有两种，一种是A 型金属齿轮滚筒电机，另一种为B 型尼龙齿轮滚筒电机。其中A 型电机的额定功率为0.18 kW，扭矩为49.8N·m，而B 型电机的额定功率为0.11 kW，扭矩为26.4N·m。而两种电机的直径都为113mm，线速度都为0.2m/s。取皮带与电机表面和输送机主体表面的摩擦系数u为0.35，结构设计中皮带在驱动滚筒上的包角Φ为206.7°。设M为扭矩，R为半径，根据电机启动时的情况，计算可得：

FA=1.7 Fu=M/R，可得：Fu=M/1.7R

由上面可以计算出A 型滚筒电机能提供的最大载荷为1481.4N 即148Kg。而B 型滚筒电机所能提供的的最大载荷为785.3N 即 78.5Kg。根据式（3）可以计算出 T2 应至少为 Fu/4 才能保证电机在突然启动时不发生皮带打滑现象。

由于B 型滚筒电机的减速齿轮材料为尼龙，而A型滚筒电机的减速齿轮材料为钢，所以B 型电机的噪声要比A 型小，但是A 型电机运输载荷较大，所以可以根据使用环境和载荷量的不同来选用不同型号的电机。