悬浮式带式输送系统的设计优化分析

陈 林 李明霞 仇月雷 曹玉龙 张明鑫

青岛华夏橡胶工业有限公司 青岛 266200

0 引言

带式输送机是一种能在特定路径上进行输送的机械装置，可在水平、垂直和有一定倾角的条件下进行运输，并可在立体空间中进行复杂的运输，当带式输送机在运输时，其输送路径是不改变的，在长途运输中可在搬运的同时与工人进行一些工作，不但可独立运行，还可将多台设备组合成一套传送系统，在复杂的空间环境下进行材料的搬运。与其他的传送装置相比，带式输送机具有结构简单、工作稳定、可靠性高、能耗低、环境友好、易于控制、管理和维护方便等优点，是一种理想的交通工具，已经广泛应用于国民经济的各个领域。

悬浮输送带是一种新的输送技术，其利用气浮的方式，取代了传统的托辊，通过气浮技术支持传送材料。相对于常规的带式输送机，悬浮式带式输送机噪音更低，可极大地减少由输送带引起的噪音。传统的输送带需要消耗较大一部分功率克服转动部件之间的摩擦，而悬浮式带式输送机气室内部由鼓风机进行加压，所需要的机器效率远低于气力输送机。

1 研究意义与背景调研

1.1 研究意义

带式输送机是一种广泛用于煤矿、电力、冶金、化工等领域的开放式物料输送装置。可针对各种工况而设计，包括潮湿、干燥、泥泞、粉尘多等。伴随着互联网科技的发展，带式运输机缩短了研发、生产、制造所需要的工时，且具备更优化的功能，使得其在运输领域的竞争力进一步增强。而在矿山机械的研究中，带式输送机已经成为露天矿与地下矿的重要运输方式，如何实现制动与张紧，向智能化和自动化方向发展，是目前带式输送机运输业发展的一个重要方向。

随着我国带式输机技术的发展，其应用范围也日趋广泛，但与国外的设备技术水平仍有一定差距。故开发适合多种用途、多功能一体化的带机产品是一个重要发展方向。为适应生产实际需求，提高生产效率，在确定最佳方案前，确定了总的优化目标：1) 总体可靠性和安全性得到改善，故障率下降；2) 其动力系统能适应各种环境条件，节能、环保。

1.2 国外发展现状

1963年，法国第一次完成了平面转弯式相关的带式输送机的设计以及投产，这也是全球首台该类型的带式输送机，主要运用在地铁建造时物料的输入以及废料的输出，后广泛用于水利、矿山等领域。法国设计投产后，美国、德国、奥地利等国家在该输送机型号上处于领先地位，平面带式输送机的发展走向新的阶段。

平面转弯带式运输机通过使托辊向前倾斜、增加槽角和提高内部曲线来达到正确的转向，相比其他措施有较高的经济性，故部分的平面转弯型带式输送机沿用此措施。另外，这种带式输送机在设计时必须保证在输送带拐弯处的拉力不能超过其极限强度，输送带在工作过程中不打滑且不产生飘带及受力均衡3个条件。随着此类带式输送机的发展，小半径转弯的设计是重点研究方向，即输送带在倾角发生变化的同时能转弯运行。

日本某公司在1964年首次提出有关圆管带式运输机的概念，在1979年实现了该类型带式输送机的首台制造，同时还生产了一系列的产品，后将该专利权转让到德国某公司。从80年代至今，我国已有2 000多台圆筒形带式输送机，在单个输送机的作用下，最大承载能力为10 km，最大承载能力为6 500 t/h。

从结构进行分析，圆管状带式输送机构成中包括了管状带、头部以及尾部，双向的物流输送过程是这类型输送机的特点。由于该输送模式必须新增一个翻转输送带的设备，和其他带式输送机进行比较，其中具备很多优势，管状带式输送机可实现密封输料，不会造成物料的飞扬，更环保，从倾斜程度来看，能维持较大角度，在输送过程中具备圆形的断面，从而物流能充分和输送带互相接触。更大的倾斜角，更短的输送机长度，对应的就是更好的经济性能。且输送带的上下分支缠绕成圆柱形，下面的分支可将不同的材料倒过来运送。

荷兰在20世纪70年代第一次完成了悬浮式带式输送系统的制造过程，该类型的带式输送机在近几年受到了越来越多的关注，许多国家都投入了大量精力在其生产开发过程中，相关的专利也达到了数十个。开始仅是在面粉类小粒度的物料当中使用到了气垫式带式输送机，后随着发展用于矿山物料运输，例如碎矿石、煤粉等粒度大的物料，向长距离、重载的方向发展。气垫输送机具有如下优势：

1）运转阻力小能耗低 普通带式输送机摩擦系数f处于0.015～0.035范围内，采用悬浮带式输送机进行输送的方式，摩擦系数降低到0.006～0.012范围内，其阻力降低30%左右。

2）能实现更大面积的物料承载 采用悬浮带式输送机进行输送与普通型号输送机进行输送处于同一槽角的情况下，在承载面积方面相差不大，但对于悬浮带式输送机而言，其能够选择的槽角更大，当处于同一带宽条件下时使得承载面积变大且可不使用托辊。该型号输送机在输送物料的过程中工况稳定且不颠簸，故可不使用托辊，提高输送效率。

国外的带式输送机发展迅速，其发展趋势分为2个方向：1)应用领域多样化，如各类管式和不同倾角带式输送机；2)注重技术、设备的改进，特别是带式输送机的高速、长距离、高运载能力已经成为发展的主要趋势。

1.3 国内发展状况

当前国内带式输送机技术正在快速的发展，尤其是露天煤矿技术的发展，因带式输送机具有灵活、能适应各种环境的特点，且可简化一些细节，许多露天矿井都使用带式输送机，降低采矿成本。其中，垂直提升输送机、高强度固定、可伸缩的带式输送机等是我国具有代表性的带式输送机。

固定高强度带式输送机在煤矿井当中广泛使用，在水平布置相关倾角更小的情况下能较好地使用。但由于固定高强度带式输送机部件及输送带相关强度有所约束，其对应的单机长度较短。若要使输送带对应的强度降下来，最高效的办法就是将驱动装置对应的尺寸变小，对于国内的输送机而言，一般选择中间装载式以及中间直线相关的摩擦驱动来实现驱动过程，并以软启动作为辅助。

2 方案设计

2.1 悬浮式带式输送系统的工作原理

关于悬浮式带式输送系统方面，其具备非常多的分类策略，在分类过程中选择物料运输相关的不同输送带结构进行划分。悬浮式带式输送系统是将整个传送系统都封闭在一个独立的空间里，利用气膜作为输送带的支撑实现物料运输。采用气垫取代了传统的带式输送机托辊，由鼓风机将空气压缩到气室中，然后从托盘槽中的小孔中漏出，在输送带和圆盘的凹槽之间形成一道气膜，以支持输送带进行输送。

悬浮式带式输送系统的主要零部件是输送带，其作用为牵引和承载，其他重要部件包括鼓风机、滚筒拉紧装置、驱动装置、料漏斗等。

图1 悬浮式带式输送系统示意图

输送带绕经传动滚筒和机尾换向滚筒形成一个环形带。输送带的上下2个部件放在一个托辊上。张紧器的作用是使输送带在正常的张力下工作。在输送材料时，输送带通过传送辊与输送带的摩擦而移动。材料通过装载点进入输送带，在输送辊与输送带之间产生连续的摩擦，并在输送带的末端进行装料。材料装载于上部的载体表面，并在顶部进行卸载。

2.2 驱动装置的优化设计

2.2.1 驱动方式比较

如图2所示，分别为单电动机驱动输送带运输和双电动机驱动输送带运输，双驱动的优点为工况稳定，可运输较大质量的物料，不易出现打滑等失效形式，且可使输送带有较大的张紧。缺点为整个装置质量大，且输出没有较大的提高，会出现电流不稳定的情况，不容易操作。单电动机驱动的优点为驱动功率虽较小，但质量轻，需求能源少，运输较平稳，缺点为会出现输送带松弛造成打滑。根据本设计，采用易操作的单电动机的驱动方式，对于造成输送带松弛的情况设置拉紧装置，可较好地改善这一不良影响。

图2 电动机驱动示意图

2.2.2 驱动单元的优化

输送带材料选择NN-150，最开始时选择6层，输送带每一层的质量为1.15 kg/m2，上层胶厚度为3 mm，下层胶厚度则为1.5 mm，每毫米厚胶的质量为1.19 kg/m2。

传统方式下的电动机的选型

选择电动机型号为Y250M-4；液力偶合器型号为YOXⅡz450；减速器型号为DCY280-31.5；制动器型号为YWZ5-315。

本文在此类传统驱动形式之下进行优化改造，将驱动单元更换为智能永磁驱动，具有效率高、低能耗、低噪声、维护简单、启动力矩大、运行稳定的特点。通过试验比较，得出了常规传动方式的节能效果约为75%，而采用永磁传动的节能效果达到93%，经过综合分析，节能效果达到20%。图3显示了永磁电动机相对于异步电动机的效率。

图3 电动效率曲线对比图

采用永磁电动机与变频调速装置构成的智能永磁传动系统，其起动力矩可达额定功率的220%，其起动力矩仅为额定功率的55%，在负荷条件下难以正常起动，需加大电动机容量来实现正常启动。永磁及异步电动机的扭矩特性曲线如图4所示。

图4 电动转矩特性曲线对比图

2.2.3 控制单元部分的优化

常规的带式输送机传动装置采用高压异步电动机，高压接触器直接控制，在接触器关闭的情况下，带式输送机开始工作，而在高压接触器关闭的情况下停止工作。原来的驱动模式没有速度调节，且启动次数有限，不能经常起动，所以对控制装置进行改进，对永磁直流驱动系统进行电路改造优化后的系统控制单元如图5所示。

图5 优化后的系统控制单元

经过改造和优化后，采用变频调速器对永磁电动机进行控制，既能起动、停机，又能速度调节，而在永磁直流驱动系统中，高压接触器仅是其较高级的功率输出元件。

2.2.4 传动部件的优化

传统的输送带由减速器将电动机与滚筒相联接，由减速器将高压异步电动机的输出速度减慢，再由传动鼓的旋转带动输送带旋转，完成物料的输送。该传动方式中间传动链多，造成传动效率低，能耗大；此外，在振动作用下，还易造成减速齿轮轴的变形，从而造成轴承松动，齿轮啮合不平稳，噪声大等问题。同时，在负载情况下启动时会对减速器的齿轮造成冲击，甚至出现断齿等故障，一旦出现问题将严重影响企业的生产效率。

为解决传统传动方式的缺点，将采用永磁电动机直驱技术，改造后的控制单元可调节永磁电动机的转速，既可以大大提高传动效率，又可以保证高可靠性，降低了系统的维修工作量，避免了对系统的冲击，同时启动响应迅速、力矩大，可在负荷状态下直接起动。

3 强度校核

3.1 输送带最大张力及其校核

输送带张力从整体上来看，其长度是会产生变化的，影响输送带张力长度变化的要素有很多方面，为了确保输送机在上午能正常运转，输送带张力一定要符合以下2点：

1）在处于任一负载的状况下，在输送带上产生的张力需要使所有传动滚筒上的圆周力是借助摩擦力的作用被传送到输送带上，故输送带和滚筒之间需确保不会出现打滑的情况；

2）输送带上所需的拉力不应过低，以便使输送带在两组托辊之间的垂度小于某一特定的数值。

不打滑情况下输送带最小张力为

输送带层数为

按文献[1]表选取层数标准值为4，即Z1=4层

3.2 输送带垂度与强度的校核

1)输送带垂度校核

根据文献[2]得

其中h/a0应该<0.01

输送带可满足最大下垂度的限制，符合使用要求。

2)输送带强度校核

由前文所述得

σ应比输送带材料的纵向扯断强度小

输送带材质符和输送带强度设计准则。

4 主要零部件设计计算

传动滚筒是输送带的主要动力部件，在输送带中扮演着重要角色。其功能是将输出轴提供的扭矩传递到输送带上。根据不同使用场合，对传动滚筒的设计也有不同的要求，其接头应使用硫化处理的橡胶覆面。用于阻燃和防爆条件下必须进行的相应调整。

在本设计系列中，滚筒根据其承载能力可分为轻型、中型、重型3类；根据滚筒的直径，可将滚筒分为500 mm、630 mm、800 mm和1 000 mm。同样型号的滚筒直径也可根据中心长度和轴直径进行选择。

根据传动滚筒的表面形状，将2种类型的传动滚筒分为表面光滑的钢质传动滚筒，覆盖有人字形图案的橡胶传动滚筒和覆盖有菱形花纹的传动滚筒3种主要形状。裸露的轻质钢表面适合于低功率、低带宽和干燥运输的长距离工作环境；而人字形橡胶面是由一层光滑的滚筒表面上具有回旋形凹槽的橡胶层制成的，摩擦力大，防水、防滑性能好，但其有方向性；采用菱形橡胶涂料可用于双向传送。在这3种表面形状中，具有人字形形状橡胶表面的输送带可压缩到与滚筒接触的凹槽中，由于上述原因，根据本设计的工作环境，选用此种滚筒。

4.1 滚筒参数计算

1）传动滚筒参数为

可求得

2）传动滚筒的选型

在输送带的设计中，通常选择较大滚筒直径对于带式输送机是有利的，但如果直径增大，则滚筒的质量、驱动、减速比都会随之增大。故应按照滚筒上的带宽、带速、合力及扭矩查表确定滚筒的直径。

滚筒直径为

按照轴的设计结构，轴段I与刚性联轴器相联接，刚性联轴器的孔径为120 mm。

4.2 结构设计

本文制定了一套装配方案，确定各轴段长度和直径的依据为轴向定位。

轴段I与刚性联轴器相连，长度为167 mm，直径d1=120 mm；

轴段II安装调心滚子轴承24182，长度为85 mm，直径d2=146 mm；

轴段III为轴承定位，长度为56 mm，直径d3=148 mm；

轴段Ⅳ为过渡段，长度为92 mm，d4=150 mm；

轴段Ⅴ安装传动滚筒接盘，长度为150 mm，d4=150 mm；

轴段Ⅵ定位接盘，长度为960 mm，d6=160 mm；

轴段Ⅶ安装传动滚筒接盘，长度为150 mm，d7=150 mm；

轴段Ⅷ为过渡段，长度为92 mm，d4=150 mm；

轴段Ⅸ为轴承定位，长度为56 mm，d3=148 mm；

轴段Ⅹ安装调心滚子轴承24182，长度为85 mm，d2=146 mm；

4.3 求轴上载荷

根据轴的机构设计作出计算简图，根据扭矩图和弯矩图，得出了 B段是一种具有同样应力的危险段。图6为轴的受力示意图，图7为弯矩图。

图6 轴的受力示意图

图7 弯矩图

4.4 零部件强度校核计算

1）轴的强度校核根据当量弯矩得

则B点的当量弯矩为

方向为正。

轴的计算应力为

计算结果表明该轴满足强度要求。

2）轴承校核

传动轴上的轴承为24128型号的调心滚子轴承，轴承部分设计参数如表1所示。

表1 24128型号轴承部分参数

合成反力

结合轴承寿命为

可知该轴承符合设计要求。

3）键的校核

普通平键静联接校核为

由计算可知键的强度满足要求。

4.5 鼓风机参数计算

经鼓风器压缩后的气流经气孔流入输送带的底部，在输送带上形成气垫薄膜，完成物料的输送。所以，气垫的压力必须大于输送带以及物料的总质量和，才能正常工作，由于鼓风机同时向上下2个气室加压，故计算气室的工作空气流量。

1）上下气室的空气压力 考虑到空气经过气孔时会有压力损伤，据伯努利方程对上下气室的截面进行计算

式中：P为上气室压力，θ为气孔倾斜角度，A为输送带和清扫器间的接触面积，n为槽孔的个数，d气孔直径，K0为压力储备系数。

最终简化求得

2）气室的空气流量

考虑气垫场中的空气流动为均匀流量和恒定流动，假设空气为X、Y方向的二维流动，边界条件为Z=0，Uy=0，根据微分方程得空气在Y和X方向上的流量为

3）鼓风机压力、流量和功率

5 三维建模及仿真

5.1 三维建模

本设计三维建模软件采用Soildworks，本设计为水平布置的悬浮式带式输送系统，卸料装置在头部，给料在尾部，且布置方式为水平，将各零件通过装配，得到最后的总装配图。为加快计算速度，简化了三维模型，如图8所示。

图8 带式输送机装配和简化模型

5.2 有限元分析

对该简化模型进行流体分析，得到如图9、图10所示的模拟结果。

图9 气缝产生的气垫场云图

图10 不同气缝尺寸产生的气垫场压力对比图

由图9可知，压力呈现中间大两侧小的趋势，根据数据可以看出，仿真所得到的最大压力值大于气垫最大压力，可以满足支撑输送带和输送物料的要求。

为了提高气垫压力，对不同尺寸的气缝进行仿真对比，气缝宽度分别为1.14 mm、1.5 mm、2 mm，仿真结果如图10所示。

通过对不同宽度的气缝进行仿真分析，气缝宽度为1.14 mm时，压力最大为3 712.76 Pa，压力最小为101.34 Pa，气缝宽度为1.5 mm时，压力最大为6 220.12 Pa，压力最小为179.05 Pa，气缝宽度为2 mm时，压力最大为7 312.67 Pa，压力最小为389.27 Pa。结果表明：当其他条件相同时，气垫的压力随气缝宽度的增加而增加。在满足加工和不浪费能源的情况下，可适当地加大气缝宽度以提高气垫工作的稳定性。

6 结论

本次设计采用布置方式为水平布置，该布置因高度落差造成物料飞扬，存在破坏环境、浪费物料等问题。本文主要对输送机圆周力的计算、最大张紧力的计算、以及驱动装置的设计计算等进行了说明，其中，对轴的危险部分进行了检验，对轴承和键进行了校核，满足了设计的使用需求。

在此基础上对传统带式输送机进行了调研和分析，结合本文设计的带式输送机进行了优化改造，主要对动力系统进行了设计与实施。由于悬浮式带式输送系统能耗大，故障多，已不能适应生产需要。通过对动力系统的改造，并对其进行了总体优化，最终确定了用永磁电动机直接驱动代替传统的多级减速器。优化后的悬浮式带式输送系统能减少10%以上的能源消耗；另外，增加气缝的宽度可提高气垫的空气压力，有利于提高物料输送过程中的稳定性。为有关单位的物料运输机的研制工作提供了有益借鉴。