长距离带式输送机设计观点的发展

2008-3-20 10:05:09 　

核心提示：近15年来，国外对带式输送机相关理论的研究取得了很大进展，带式输送机主要部件的技术性能也明显提高，为带式输送机向长距离、大型化方向发展奠定了基础。

北京起重运输机械研究所张喜军

近15年来，国外对带式输送机相关理论的研究取得了很大进展，带式输送机主要部件的技术性能也明显提高，为带式输送机向长距离、大型化方向发展奠定了基础。随着对长距离带式输送机的可靠性和经济性要求的不断提高，其设计观点也在逐步发展。先进的设计观点，是以国际标准ISO 5048和德国工业标准DIN 22101为基础，设法减小运行阻力，合理确定输送带的安全系数，采用可控起、制动装置平稳起、制动，利用输送带粘弹性理论进行动态分析，对输送机进行工况预测和优化。

1 采用高精度托辊和高性能输送带减小运行阻力

带式输送机的主要阻力是由托辊旋转阻力和输送带前进阻力组成的。国外的试验研究表明，托辊旋转阻力和输送带压陷阻力占主要阻力的50％～85％，平均值为70％。因此，提高托辊精度和输送带性能，可以有效减小运行阻力。近10年来，托辊的结构形式推陈出新，特别是采用高性能的专用轴承和高精度的密封圈，有效地降低了托辊的旋转阻力。与此同时，输送带的面胶和芯胶材料也不断更新，使输送带既有一定的成槽性，也有一定的胶面硬度和耐磨性，有效地减小了输送带的压陷阻力，按照现行标准，主要阻力采用模拟摩擦系数，厂值进行估算。DIN标准和ISO标准建议，在通常工况下，f取0.017～0.020；按国内设计经验，f通常取0.020～0.025。研究表明，按现行标准推荐的模拟摩擦系数f值计算的主要阻力，在多数情况下偏大，较大程度地影响了输送机的经济性。

修订的DIN 22101—1998(草案)提出了比较精确的主要阻力计算方法。即：

FHo=(FRo+Fgo)／q。

式中 FHo— 上分支主要阻力

FRo— 上分支托辊的旋转阻力

FEo —上分支输送带的压陷阻力

qo— 系数，取0.5≤qo≤0.85，平均值为 q0=0.7

Fhu=(FRu+FEu。)／qu。

式中 FHu— 下分支主要阻力

FRu— 下分支托辊的旋转阻力

FEu — 下分支输送带的压陷阻力

qu — 系数，取qu=0.9

新标准中主要阻力的计算，是以上下分支托辊的旋转阻力和输送带的压陷阻力为基础的。对于长距离带式输送机，主要阻力对整机影响很大，应预先测定所用托辊的旋转阻力和输送带的压陷阻力，才能比较准确地计算输送机的主要阻力。在托辊旋转阻力和输送带压陷阻力未知的情况下，新标准给出了模拟摩擦系数，f的参考值。通常工况下，f=0.010～0.020；恶劣工况下，f=0.020～0.040。

需要说明的是，标准中推荐的f值，适用于上托辊间距1.0～1.5m、下托辊间距2.5～3.5m的情况。减小托辊间距，f值可以减小，但阻力总值通常会增大，一般是不可取的。对于长距离带式输送机，国外通常采取增大托辊间距的方法，降低阻力总值。上分支托辊间距可增大为2.5～5.0m，下分支托辊间距可增大为5～10m。但是，这种设计要有充分的动态分析作为基础，以确保输送机运行可靠。

2 合理确定输送带的安全系数

输送带的安全系数，对带式输送机的经济性和可靠性影响很大，也是众多学者研究的重点。现行标准以输送带的额定破断强度为基础，综合考虑疲劳强度的大幅降低、由弯曲和伸长导致的强度下降、接头强度损失、起制动工况下动态张力的增加等因素，给出输送带的安全系数。例如，DIN 22101—1982标准建议，钢绳芯输送带的动态安全系数为4.8～6.0，稳态安全系数为6.7～9.5。其实，这种以输送带额定破断强度为基础的安全系数表示法很不直观，且在概念上容易引起误导。实际工程要求输送带的疲劳强度，在满足工况最大张力的基础上，具有适当的安全系数。20年前的研究认为，钢绳芯输送带在脉动循环10 000次以后的疲劳强度，是其额定破断强度的36％，在此基础上，标准给出了上述安全系数值。

近十几年来，国外对输送带疲劳强度的试验研究表明，通过改进钢绳芯输送带的制造工艺和接头工艺，对于St 6000以下的钢绳芯输送带，其疲劳强度提高45％～55％。这样，可使DIN标准中推荐的动态安全系数减小到3.8～4.8，稳态安全系数减小到5.4～7.6。DIN 22101—1998(草案)标准，引入了输送带疲劳强度的概念，在此基础上，提出了与接头有关的输送带安全系数So和与寿命及工况有关的输送带安全系数S1。

输送带疲劳强度安全系数：S=S0Sl

则 KN,min=Kt／Kt,rel=KK,maxS/Kt,rel

式中 KN,min——输送带最小额定破断强度

Kt--—具有安全系数的输送带疲劳强度

Kt,rel——输送带疲劳强度与额定破断强度的比值，一般取0.45～0.55

Kk,max——槽形输送带最大边缘张力

最小安全系数：Smin=(S0Sl)min=1.0×1.5=1.5

最大安全系数：Smax=(S0S1)min=1.2×1.9=2.28

当Kt,rel=0.45时，KN,min=KN,min×(3.33～5.1)

当Kt,rel=0.55时，KN,min=KN,min×(2.72～4.15)

输送带最大张力通常发生在起制动工况下，采用软起制动装置，可以有效缓解动态张力的作用。动态张力可以通过动态分析比较准确地计算，也可以用稳态最大张力乘以起动系数Ka来粗略估算。采用软起制动装置时，起动系数Ka可取1.1～1.3。

3 采用合理的可控起制动或软起制动装置减小动力作用

按现行标准，带式输送机的起制动加速度应为0.1～0.3m/s2。实际工程表明，这个数值已不适应长距离、线路复杂的带式输送机。通过动态分析可知，长距离、线路复杂的带式输送机，最好采用具有可控起制动功能的驱动装置，控制输送机按理想的起、制动速度曲线起动和制动，以减小输送带及承载部件的动态载荷；对于普通长距离带式输送机，可以采用软起制动驱动装置。

3.1 理想的可控起动速度曲线

理想的起动速度曲线，应使带式输送机平稳起动，且在整个起动过程中加速度的最大值较小，没有加速度突变，以最大限度地减小起动惯性力和起动冲击作用。

实际工程应用的比较理想的可控起动速度曲线有以下2种。

(1) 澳大利亚专家Harrison提出的起动速度曲线(见图1)：

v/(t)=v/(1—cosπt/2) 0≤t≤T

式中: v——设计带速

T——起动时间

起动开始时，加速度为0，速度平稳增加；到T/2时，加速度达到最大值，速度达到v/2；然后，加速度逐渐对称地降低，速度继续增加；达到设计带速时，加速度降到0，完成起动过程。除起点和终点外，加速度曲线的一阶导数是连续的。

(2)美国专家Nordell提出的起动速度曲线 (见图2)：

起动开始时，加速度为0，速度平稳增加；到T/2时，加速度线性增加到最大值，其值比图1中的加速度值大27％，速度达到v/2；然后，加速度逐渐对称地降低，速度继续增加；达到设计带速时，加速度降到0，完成起动过程。加速度的一阶导数在0、T/2、T时刻是不连续的，但加速度导数的峰值只是图1的81％。

上述2种起动控制方式，都能获得理想的起动效果。由于输送机在起动之前，输送带处于松弛状态，为避免输送带的冲击，将输送带拉紧后起动，可进一步改善起动峰值张力作用。因此，需要在起动开始阶段加入一个时间延迟段，如图3所示，延迟段的速度一般取为设计带速的10％。

起动时间T是非常重要的设计参数，可根据设计经验，通过控制最大起动加速度或平均加速度，初步确定起动时间，再根据动态分析结果进行优化。一般情况下，特长距离带式输送机的起动加速度不大于0.05m／s2，中长距离带式输送机的起动加速度不大于0.1 m／s2。

为避免输送机在起动过程中发生共振等动力学现象，起动时间了应满足下列条件：

T≥5L/Vw

即起动时间厂大于下分支输送带纵向应力波由机头传到机尾所需时间的5倍。

式中: L——输送机总长，m

Vw——输送带纵向应力波传递速度，m/s

E——输送带弹性模量，N/mm

B——带宽，mm

qB——单位长度输送带质量，kg/m

qRu——下分支单位机长托辊旋转部分质量，kg／m

目前，工程上应用较多、具有可控起制动功能的驱动装置主要有交流变频调速驱动装置和CST可控起制动驱动装置。

3.2 交流变频调速驱动装置

交流电机变频调速，具有调速范围宽、精度高等特点，易于实现起制动速度曲线的自动跟踪，能够提供理想的可控起制动性能。其起动系数可以控制在1.05～1.1，起动加速度可以控制在0～0.05m／s2，适用于长距离、线路复杂的带式输送机，可以控制输送机按设定的“S”形速度曲线起动和制动，以满足整机动态稳定性及可靠性的要求。变频调速驱动装置还可以提供低速验带速度。由于变频调速需解决电气方面的一系列问题，造价较高，使应用受到一定程度的限制。

3.3 CST可控起制动驱动装置

CST可控起制动装置，是美国Dodge公司开发的带式输送机专用可控起制动装置。从结构形式上看，CST是1台输出级带有液粘离合器的定轴加行星齿轮传动的减速器，液粘离合器联接在行星传动的内齿圈上，使CST具有差动调节输出力矩和输出转速的功能。CST可控起制动装置是长距离、大运量、线路复杂的带式输送机的理想驱动装置，具有设定起制动速度曲线自动跟踪控制功能、过载保护功能、多机平衡功能和低速验带功能。起动系数可以控制在1.05～1.1，起动加速度可以控制在0～0.05m/s2，控制精度为2％。CST可控起制动装置的不利之处在于增加了液压系统的维护工作；对于倾斜带式输送机，必须设置较大的低速轴制动器和逆止器。

3.4 鼠笼电机加调速型液力偶合器的软起动驱动装置

调速型液力偶合器的充油量是可调的。电机空载起动后，偶合器通过稳定地增加充油量，输出恒转矩加速特性，使带式输送机在设定的起动力矩下平稳起动，起动系数可达1.1～1.3。鼠笼电机加调速型液力偶合器的驱动方式，是比较理想的软起动装置，常用于开环控制，等加速起制动，多机驱动时易于调整功率平衡，适于大中型和线路简单的长距离带式输送机。其缺点是体积大，需附加油液冷却装置，占地面积较大。

3.5 绕线电机转子回路串接电阻的软起动驱动装置

绕线式电动机，通过转子回路串接电阻，可以软化电机输出特性。在起动过程中，通过切换电阻，既可以保证设定的起动力矩，又可以限制起动电流。绕线电机转子回路串接电阻的驱动方式，通常采用开环控制，通过“二进制”切换电阻的方法，可在有限的电阻级数下，获得较多的起动加速级，使带式输送机等加速、较平稳起动。采用绕线电机转子回路串接电阻的驱动方式，可以方便地分别设定带式输送机的空载、满载起动特性和满载制动特性，获得比较理想的起制动效果。这种驱动方式，适用于大型、多机驱动系统的带式输送机。其缺点是绕线电机及电阻难于进行防爆处理，不适于煤矿井下使用。

4 利用动态分析方法对大型带式输送机进行优化设计

现行标准，对带式输送机起动和制动过程中的动力计算，是把输送带作为刚体，采用刚体动力学方法进行的。近十几年的研究和工程实践表明，刚体动力学分析的结果，只能满足短距离、小运量带式输送机工程设计精度的要求。对于长距离、大运量、布置复杂的带式输送机，其动力学特性更为复杂且重要，采用刚体动力学方法进行分析，其精度已不能满足实际工程的需要。因此，对于大型带式输送机，必须采用较为精确的动力学分析方法。目前，国际上普遍采用输送带粘弹性动力学方法，对大型带式输送机的动力状态进行分析。

所谓带式输送机的动态分析，是将输送带按粘弹性体的力学性质，综合计人驱动装置的起制动特性、各运动体的质量分布、线路各区段的坡度变化、各种运动阻力、输送带的初始张力、输送带的挠度变化、拉紧装置的形式和位置及张紧力等因素的作用，建立输送机动力学数学模型，求得输送机在起动和制动过程中，输送带上的不同点随时间的推移所发生的速度、加速度和张力的变化。预报按传统的静态设计方法设计的输送机可能出现的动态危险和不安全之处，对该设计提出改进和调整措施，确定优化的设计和控制参数。

利用动态分析，可以找出大型带式输送机在起动和制动过程中可能出现的动态危险，如输送带的动态峰值张力、可能出现的危险工况下输送带的低张力、拉紧重锤的位移超出设计行程等。对于这些危险情况，应该采取技术改进措施，进行调整，如调整或改换驱动装置及其起制动特性、在适当的位置加装制动装置、改变拉紧装置的形式或位置等。通过这些改进措施，使输送机得以优化。

带式输送机的动态分析非常复杂，且不易掌握，需要专门的分析软件。由于国内这方面研究尚处起步阶段，建议向专家咨询或委托有资格的专门机构进行。