输煤系统高强度气垫带式输送机及输送带的研发

李明霞，张明鑫，王长飞，李先磊

（1.青岛华夏橡胶工业有限公司，山东青岛 266228；2.中国检验认证集团山东有限公司，山东青岛 266073）

气垫带式输送机是20 世纪70 年代荷兰首先研制成功的。世界上第1 台小型气垫输送机的带宽为500 mm，机长约13 m。经过运转，取得了托辊胶带输送机难以达到的指标，如摩擦系数降低到0.02～0.002。气垫带式输送机因其所特有的承载、输送机理体现出节能性、安全性、经济性和综合社会效益等几个方面的优势，日益引起人们的重视，并逐步向长距离、大运量方向发展[1]。早在1986 年，我国输送机厂家制造的气垫带式输送机就在输煤系统得到成功应用的先例。最大输送量629 t/h 的气垫带式输送机在北京矿务局王村平庄煤矿投产运行，至今使用良好。据测试数据验证：气垫形成良好，运行阻力比托辊输送机小2～3 倍，运行平稳可靠，能带负荷启动；间断给煤（给煤量波动范围达30%）也未影响正常运行[2]。现有10 余条电厂输煤系统使用气垫带式输送机（全部国产），最大输送能力为1 000 t/h[3]。

输送带作为气垫带式输送机的核心关键部件，是气垫带式输送机必不可少的部分。由于受输送带技术限制，长距离、大运量气垫带式输送机受到限制，开展新型钢丝绳芯输送带结构设计并采取一定的柔性措施，提高钢丝绳芯输送带横纵向柔性，提高输送带成槽性，降低弹性模量，使其能成功应用到长距离、大运量输煤系统气垫带式输送机中具有重要的研究意义。

1 气垫式输送机

1.1 工作原理

气垫式输送机是用薄气膜支承输送带及其上物料的带式输送机，将托辊带式输送机的托辊用带孔的气室代替，当气源向气室内提供具有一定压力和流量的空气后，气室内的空气经盘槽上的小孔逸出，在输送带和盘槽之间形成1 层具有一定压力的气膜支承输送带及其上部物料。把按一定间距布置的托辊支承变成了连续的气膜支承，使输送带与托辊之间的滚筒摩擦变成输送带与盘槽间以空气为介质的流体摩擦，减小了运行阻力，带来了很多优点[4]。

1.2 对比优势

1）气垫式输送机由于采用气膜支撑输送带，运行阻力显著降低。一般情况下，传统带式输送机的模拟摩擦阻力系数为0.015～0.035，而气垫式输送机的模拟摩擦阻力系数为0.006～0.012。水平输送的气垫带式输送机驱动装置能耗加风源能耗比通用带式输送机减少10%～30%，节能效果比较显著。

2）由于气垫式输送机运行阻力小。输送带的张力大大降低，输送带的强度可大幅下降；同时输送带磨损显著降低，输送带使用寿命可延长1 倍以上。

3）因输送带由连续介质（空气气膜）支撑，所以物料在输送过程中非常平稳，不会发生抛撒和搅混现象，特别适用于高速运行，最高带速可达8 m/s 以上，有利于文明生产。

4）气膜具有自动对中性。输送带始终处于气室盘槽中心线（盘槽最低处）运行，输送带不跑偏，不存在因输送带跑偏造成的撕裂问题。

5）气垫式输送机在盘槽中运行，避免了输送带与人的接触，具有极好的安全性，有利于安全生产。

6）气垫式输送机结构简单，气室是固定件不易磨损；而普通带式输送机的托辊是运动件易磨损，需要经常更换。若带式输送机的使用寿命为5 年，则每千米输送机每年可节省托辊维修费用10 万元以上。

7）气垫式输送机为全密封结构，输送带和物料被完全密封，不仅有利于防雨、防尘，洁净工作环境，而且新建项目可省去基础面以上的栈桥顶盖及两侧建筑，节省基础投资。

8）气垫式输送机电机装机功率小。普通带式输送机在满负荷启动时，不但需要克服带式输送机物料的惯性阻力，而且还要克服大量托辊由静止到转动的惯性阻力以及输送带与托辊的机械摩擦阻力。这就要求普通带式输送机的驱动电机必须有较大的功率储备，否则事故停机后（输送带上堆满物料）将无法启动。机长越长、电机的功率储备就越大。而气垫式输送机启动时，输送带及物料被气膜托起，其静摩擦阻力很小，驱动电机只须克服带式输送机物料的惯性阻力。因此，驱动电机不需要很大的功率储备就能达到满载启动。

9）对于上运输送的工况，逆止安全可靠；对于下运输送的工况，停机后输送带无下滑现象。

1.3 气垫式输送机分类

气垫带式输送机的结构型式分为半气垫型（仅上分支输送带以气垫支承）和全气垫型（上、下分支输送带均采用气垫支承）2 类。

1）半气垫型。敞开式结构的上部承载结构为气室，下部仍然采用回程托辊。该结构为国内使用较为广泛的结构，主要适用于室内和有输送机走廊的场合。密封式结构是在敞开式结构的基础之上，在气室上方加防雨罩并加上密封条密封起来。输送过程中物料不受环境及气候的影响，用于露天防雨及输送易飞扬的粉状物料如煤粉、水泥以及粮食等场合，半气垫加罩型（密封式）气垫机如图1。

图1 半气垫加罩型（密封式）气垫机

2）全气垫型。敞开式结构是在承载和回程分支采用全气垫支承。它能充分体现气垫机的优点，但设备造价较高，质量较重，全气垫型（敞开式）气垫机如图2。密封式结构是在敞开式结构的基础之上，在气室上加密封罩。

1.4 气垫式输送机运行阻力分析

气垫机传动滚筒上所需圆周力FM系主要阻力FH、附加阻力FN、特殊阻力FS和倾斜阻力FSt之和。

对于均匀而连续加载的气垫带式输送机，可按下列公式计算：

图2 全气垫型（敞开式）气垫机

式中：δ 为输送机倾角，（°）；qG为每米长度输送物料的质量，kg/m；qB为每米长度输送带质量（kg/m）；qRO为承载分支每米长度托辊转动部分质量，kg/m；qRU为回程分支每米长度托辊转动部分质量，kg/m；fA为气垫的运行阻力系数；fi为托辊的运行阻力系数；L为输送机长度，m；LA为气垫机气室段支承的长度，m；Li为气垫机托辊段支承的长度，m；g 为重力加速度，9.81 m/s2；ρ 为物料的堆积密度，kg/m3。

式中：IV为体积输送量，m3/s；ν 为带速，m/s。

对于长距离气垫机（一般长度大于80 m），附加阻力明显小于主要阻力，因此可以引入一个取决于气垫机长度的附加阻力系数C，可按下式简化计算：

式中：C 为附加阻力系数，其值须大于1.02；H为加料段与卸料段之间的高度差，m。

对于倾角<18°的气垫机，可以认为cosδ≈1，进行简化计算[5]。

1.5 气垫输送带选型要求

结合气垫输送机运行阻力分析，与普通带式输送机对比，气垫带式输送机整机运行阻力下降。根据气垫输送机气膜形成理论研究和行为分析[6－7]，气垫输送机节能运行的前提必须保证输送带与盘槽之间形成稳定的气膜。为了保证输送带与盘槽之间形成稳定的气膜，则输送带的成槽性要求高，与盘槽底面能紧密贴合。所以在气垫输送带选型中通常会选用骨架材料层数少，厚度小的织物芯输送带。

对于长距离、大运量煤炭系统，要求输送带强度高，而由于织物芯输送带的层数限制，且织物芯输送带会在使用过程中在牵引张力的的作用下产生较大的不可恢复性伸长，产生设备打滑，影响传动滚筒驱动，不能满足长距离输送要求。高强度织物芯输送带由于骨架材料刚性太大，成槽性差，会导致输送带无法与盘槽间形成稳定的气膜，在气垫式输送机中的应用受到限制。普通钢丝绳芯输送带由于质量大、横向刚性大问题，也无法和盘槽间形成稳定的气膜，使气垫式输送机在长距离、大运量、高强度输煤系统的应用受到限制。

为满足长距离、大运量输煤系统的需要，需要设计新型钢丝绳输送带，优化橡胶柔性，降低内应力，大幅度提高成槽性，使钢丝绳芯输送带与盘槽间形成稳定的气膜，在保证整体带体强度的前提下有效降低输送带的整体质量和运行阻力，使钢丝绳芯输送带适宜于输煤系统用气垫带式输送机。

2 HHE 钢丝绳芯气垫输送带设计

青岛华夏橡胶研发的HHE 钢丝绳芯气垫输送带，采用了专业化结构和特殊性能设计，具有带体强度高、带体薄、质量轻、疲劳寿命长、耐磨、压陷变形小[8]等显著优势，解决了高强度输煤系统输送带与盘槽间无法形成稳定气膜的行业难题。

2.1 输送带骨架结构优化和排布设计

普通钢丝绳芯输送带设计，骨架材料钢丝绳直径大，钢丝绳排布间距大，适用于托辊式输送机，在恶劣工况条件时，托辊给钢丝绳带来强制外力损伤时，可尽量保证钢丝绳的完好，减少钢丝绳断裂风险。

气垫用输送机无托辊，使用气膜支撑输送带，不会出现因托辊导致的钢丝绳断裂风险，采用小直径多根钢丝绳排布方式，是输送带整体受力更均布，输送带自身质量分布更均匀，有利于气垫式输送机气膜的形成。

以ST3500 和HHE3500 为例，钢丝绳直径下降42%，钢丝绳根数提高163%，钢丝绳直径和钢丝绳根数见表1。

表1 ST3500 和HHE3500 参数对比

2.2 输送带用钢丝绳特殊设计

普通输送带用钢丝绳每根钢丝绳最多由133 股编织而成，单股钢丝直径大，使用的材质为普通型号优质碳素结构钢，捻距大，导致钢丝绳整体刚性大。

HHE 输送带用钢丝绳采用定制设计，每根钢丝绳最多用190 股编织而成，单股钢丝直径小，使用的材质为更高型号的优质碳素结构钢，经热处理后，单丝强度大，弹性好。捻距小，钢丝绳整体柔性优异。ST3500 和HHE3500 参数对比见表1。

2.3 输送带轻量化设计

在煤炭载入输送带上时，煤炭在水平方向一般无速度，会与输送带形成相对运动，从而产生摩擦磨损。在设计使用寿命相同的条件下，通过配方设计提高HHE 输送带耐物料摩擦磨损性能，通过结构设计降低输送带运行中的磨损，根据气垫输送机特性优化覆盖层厚度，以达到降低覆盖层厚度、输送带轻量化的目的。

HHE 钢丝绳芯输送带使用高耐磨和超高耐磨覆盖胶。普通的ST 钢丝绳输送带覆盖胶DIN 磨耗≤200 mm3，而HHE 钢绳芯带高耐磨覆盖胶DIN磨耗≤90 mm3，覆盖胶耐磨性能提高了55%；HHE钢绳芯带超高耐磨覆盖胶DIN 磨耗≤60 mm3，覆盖胶耐磨性能提高了70%[9]。

ST 输送带钢丝绳根数少，钢丝绳间距大，每根钢丝承受应力大，钢丝部位凸出于表面，压陷变形量大，磨损加重。使用一段时间后，钢丝绳部位的覆盖胶磨损严重，钢丝绳先从带面露出。

HHE 输送带优化内部钢丝绳排布，钢丝绳根数增多，钢丝绳间距减小，压陷变形量小，减少钢丝绳凸出与物料的磨损。

以ST3500 和HHE3500 对比为例：带宽1 800 mm，安全系数为8。ST3500 每米质量65 kg，每根钢丝绳承受拉力平均值为6 731 N；HHE3500 每米质量45 kg，每根钢丝绳承受拉力平均值为2 557 N。HHE3500对比ST3500 质量下降31%，每根绳承受的拉力平均值下降62%，使输送带受力分布均匀性有了显著性提高。

2.4 胶料柔性设计和横纵向弹性模量检测

为满足气垫式输送机能形成稳定气膜的要求，除钢丝绳特殊设计提高柔性外，对钢丝绳芯胶和覆盖胶的柔性也进行了定制设计。

通过采用大分子本身有较高柔性的高弹性橡胶并用，提高芯胶和覆盖胶的弹性和柔性。补强体系采用硬质炭黑、软质炭黑和纳米层状硅酸盐材料并用，既提高橡胶的物理机械性能，又保证了橡胶的柔性。增塑体系采用石油系增塑剂和煤焦油系增塑剂并用，降低橡胶分子链间的作用力，增加胶料的可塑性、流动性、黏着性，赋予硫化胶较高的弹性和柔性，较低的生热，提高耐寒柔性。

通过输送带中钢丝绳结构及排列设计、轻量化设计、胶料柔性设计，使HHE 钢丝绳芯输送带的弹性模量有了明显下降，使钢丝绳芯输送带的横向和纵向柔性都有了进一步的提高，适用于气垫输送带的要求，扩展了气垫式输送机在长距离、大运量工况的应用领域。

由ST 和HHE 纵向、横向弹性模量对比检测图（图略）得到的ST 和HHE 弹性模量对比表见表2。根据实测数据，进行对比分析，HHE 纵向弹性模量比ST 下降21.7%；HHE 横向弹性模量比ST 下降54.8%。弹性模量实测数据对比结果充分证明，HHE纵向和横向柔性都优于ST。

表2 ST 和HHE 弹性模量对比表

2.5 HHE3500在气垫式输送机应用测试

为验证HHE 气垫输送带使用效果，搭建长度为9.5 m 的气垫式输送机试验台。输送带型号为HHE3500，带宽为1 800 mm。运载物料为煤炭。载重2 000 kg。

启动设备供气后，输送带与盘槽间形成稳定气膜。使用电子拉力计对其启动时拉力和运行时拉力进行检测，启动拉力和运行拉力实测记录表见表3。

表3 启动拉力和运行拉力实测记录表

实测启动时拉力平均值为128.6 N，计算得摩擦系数为0.006 3；运行时拉力平均值为79.9 N，计算得摩擦系数为0.003 9。远低于传统托辊带式输送机模拟摩擦系数0.015～0.035，在启动和运行阻力方面，节能效果显著。

2.6 花纹类型设计

虽然气垫式输送机的输送倾角可比普通带式输送机大3°～ 5°，但是在超过各种物料最大输送倾角的输送机设计时，仍需要考虑使用花纹气垫输送带。织物芯花纹输送带，由于镶嵌花纹导致非工作面平整度差，使其无法与盘槽之间形成稳定的气膜，不适用于气垫式输送机。

HHE 钢丝绳芯花纹输送带，由于骨架材料挺性好，只要花纹类型选择得当，花纹胶弹性和柔性好，镶嵌的花纹就不会导致非工作面平整度下降，可以与盘槽之间形成稳定的气膜，可适用于气垫式输送机。

经过多个花纹筛选和试用，优化出花纹类型，经测试，HHE 钢丝绳花纹输送带柔性好，实测成槽度为0.38。为验证HHE 花纹气垫输送带使用效果，搭建长度为12 m 的气垫式输送机试验台。输送带型号为HHE1 600，带宽1 200 mm。启动设备供气后，输送带与盘槽间可形成稳定气膜。

3 应用案例

青岛华夏橡胶工业有限公司生产的带宽1 800 mm，HHE3500 为代表的HHE 钢丝绳芯气垫输送带，成功应用于输送量达到4 500 t/h 的节能环保大运量输煤气垫带式输送系统中（气垫输送机为河南天隆输送装备有限公司制造）。目前，国外输煤系统的气垫带式输送机最大运输量为2 500 t/h，HHE 钢丝绳芯气垫带式输送机煤炭运输量已达4 500 t/h。带宽1 200 mm，HHE1600 钢丝绳芯花纹气垫输送带成功应用于大倾角输煤系统中。

4 结语

气垫式输送机是在传统托辊带式输送机上的再一次跨越，使物料的带式运输由传统的开放型转变为封闭化、轻量化、集约化运输，提高了设备运行稳定性，大大降低了输煤系统现场粉尘、噪音污染，符合国家绿色产业发展方向。自主开发的HHE 气垫输送带充分应用钢丝绳技术革新和新型纳米材料技术，是ST 输送带的升级换代产品，解决了以往高强度输送带带体重、成槽差、刚性大、无法与盘槽间形成稳定气膜的问题，为气垫带式输送机提供了高强度、轻量化的配套输送带，助推气垫带式输送机在长距离、大运量输煤运输领域的应用。