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長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)的發(fā)展

長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)的發(fā)展 近15年來(lái)，國(guó)外對(duì)帶式輸送機(jī)相關(guān)理論的研究取得了很大進(jìn)展，帶式輸送機(jī)主要部件的技術(shù)性能也明顯提高，為帶式輸送機(jī)向長(zhǎng)距離、大型化方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

　　長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)的發(fā)展 近15年來(lái)，國(guó)外對(duì)帶式輸送機(jī)相關(guān)理論的研究取得了很大進(jìn)展，帶式輸送機(jī)主要部件的技術(shù)性能也明顯提高，為帶式輸送機(jī)向長(zhǎng)距離、大型化方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
 
　　隨著對(duì)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，其設(shè)計(jì)觀點(diǎn)也在逐步發(fā)展。先進(jìn)的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，是以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5048和德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 22101為基礎(chǔ)，設(shè)法減小運(yùn)行阻力，合理確定輸送帶的安全系數(shù)，采用可控起、制動(dòng)裝置平穩(wěn)起、制動(dòng)，利用輸送帶粘彈性理論進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行工況預(yù)測(cè)和優(yōu)化。
 
　　1 采用高精度托輥和高性能輸送帶減小運(yùn)行阻力 帶式輸送機(jī)的主要阻力是由托輥旋轉(zhuǎn)阻力和輸送帶前進(jìn)阻力組成的。國(guó)外的試驗(yàn)研究表明，托輥旋轉(zhuǎn)阻力和輸送帶壓陷阻力占主要阻力的50%～85%，平均值為70%。因此，提高托輥精度和輸送帶性能，可以有效減小運(yùn)行阻力。近10年來(lái)，托輥的結(jié)構(gòu)形式推陳出新，特別是采用高性能的專(zhuān)用軸承和高精度的密封圈，有效地降低了托輥的旋轉(zhuǎn)阻力。與此同時(shí)，輸送帶的面膠和芯膠材料也不斷更新，使輸送帶既有一定的成槽性，也有一定的膠面硬度和耐磨性，有效地減小了輸送帶的壓陷阻力，按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，主要阻力采用模擬摩擦系數(shù)，廠值進(jìn)行估算。
 
　　DIN標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)建議，在通常工況下，f取0.017～0.020;按國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，f通常取0.020～0.025。研究表明，按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦的模擬摩擦系數(shù)f值計(jì)算的主要阻力，在多數(shù)情況下偏大，較大程度地影響了輸送機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。
 
　　修訂的DIN 22101—1998(草案)提出了比較精確的主要阻力計(jì)算方法。即： FHo=(FRo+Fgo)/q。 式中 FHo— 上分支主要阻力 FRo— 上分支托輥的旋轉(zhuǎn)阻力 FEo —上分支輸送帶的壓陷阻力 qo— 系數(shù)，取0.5≤qo≤0.85，平均值為 q0=0.7 Fhu=(FRu+FEu。)/qu。 式中 FHu— 下分支主要阻力 FRu— 下分支托輥的旋轉(zhuǎn)阻力 FEu — 下分支輸送帶的壓陷阻力 qu — 系數(shù)，取qu=0.9 新標(biāo)準(zhǔn)中主要阻力的計(jì)算，是以上下分支托輥的旋轉(zhuǎn)阻力和輸送帶的壓陷阻力為基礎(chǔ)的。對(duì)于長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)，主要阻力對(duì)整機(jī)影響很大，應(yīng)預(yù)先測(cè)定所用托輥的旋轉(zhuǎn)阻力和輸送帶的壓陷阻力，才能比較準(zhǔn)確地計(jì)算輸送機(jī)的主要阻力。在托輥旋轉(zhuǎn)阻力和輸送帶壓陷阻力未知的情況下，新標(biāo)準(zhǔn)給出了模擬摩擦系數(shù)，f的參考值。通常工況下，f=0.010～0.020;惡劣工況下，f=0.020～0.040。 需要說(shuō)明的是，標(biāo)準(zhǔn)中推薦的f值，適用于上托輥間距1.0～1.5m、下托輥間距2.5～3.5m的情況。減小托輥間距，f值可以減小，但阻力總值 通常會(huì)增大，一般是不可取的。對(duì)于長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)，國(guó)外通常采取增大托輥間距的方法，降低阻力總值。上分支托輥間距可增大為2.5～5.0m，下分支托輥間距可增大為5～10m。但是，這種設(shè)計(jì)要有充分的動(dòng)態(tài)分析作為基礎(chǔ)，以確保輸送機(jī)運(yùn)行可靠。
 
　　2 合理確定輸送帶的安全系數(shù) 輸送帶的安全系數(shù)，對(duì)帶式輸送機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性影響很大，也是眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)以輸送帶的額定破斷強(qiáng)度為基礎(chǔ)，綜合考慮疲勞強(qiáng)度的大幅降低、由彎曲和伸長(zhǎng)導(dǎo)致的強(qiáng)度下降、接頭強(qiáng)度損失、起制動(dòng)工況下動(dòng)態(tài)張力的增加等因素，給出輸送帶的安全系數(shù)。例如，DIN 22101—1982標(biāo)準(zhǔn)建議，鋼繩芯輸送帶的動(dòng)態(tài)安全系數(shù)為4.8～6.0，穩(wěn)態(tài)安全系數(shù)為6.7～9.5。其實(shí)，這種以輸送帶額定破斷強(qiáng)度為基礎(chǔ)的安全系數(shù)表示法很不直觀，且在概念上容易引起誤導(dǎo)。實(shí)際工程要求輸送帶的疲勞強(qiáng)度，在滿(mǎn)足工況最大張力的基礎(chǔ)上，具有適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。20年前的研究認(rèn)為，鋼繩芯輸送帶在脈動(dòng)循環(huán)10 000次以后的疲勞強(qiáng)度，是其額定破斷強(qiáng)度的36%，在此基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)給出了上述安全系數(shù)值。
 
　　近十幾年來(lái)，國(guó)外對(duì)輸送帶疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)研究表明，通過(guò)改進(jìn)鋼繩芯輸送帶的制造工藝和接頭工藝，對(duì)于St 6000以下的鋼繩芯輸送帶，其疲勞強(qiáng)度提高45%～55%。這樣，可使DIN標(biāo)準(zhǔn)中推薦的動(dòng)態(tài)安全系數(shù)減小到3.8～4.8，穩(wěn)態(tài)安全系數(shù)減小到5.4～7.6。DIN 22101—1998(草案)標(biāo)準(zhǔn)，引入了輸送帶疲勞強(qiáng)度的概念，在此基礎(chǔ)上，提出了與接頭有關(guān)的輸送帶安全系數(shù)So和與壽命及工況有關(guān)的輸送帶安全系數(shù)S1。 輸送帶疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)：S=S0Sl 則 KN,min=Kt/Kt,rel=KK,maxS/Kt,rel 式中 KN,min——輸送帶最小額定破斷強(qiáng)度 Kt--—具有安全系數(shù)的輸送帶疲勞強(qiáng)度 Kt,rel——輸送帶疲勞強(qiáng)度與額定破斷強(qiáng)度的比值，一般取0.45～0.55 Kk,max——槽形輸送帶最大邊緣張力 最小安全系數(shù)：Smin=(S0Sl)min=1.0×1.5=1.5 最大安全系數(shù)：Smax=(S0S1)min=1.2×1.9=2.28 當(dāng)Kt,rel=0.45時(shí)，KN,min=KN,min×(3.33～5.1) 當(dāng)Kt,rel=0.55時(shí)，KN,min=KN,min×(2.72～4.15) 輸送帶最大張力通常發(fā)生在起制動(dòng)工況下，采用軟起制動(dòng)裝置，可以有效緩解動(dòng)態(tài)張力的作用。動(dòng)態(tài)張力可以通過(guò)動(dòng)態(tài)分析比較準(zhǔn)確地計(jì)算，也可以用穩(wěn)態(tài)最大張力乘以起動(dòng)系數(shù)Ka來(lái)粗略估算。采用軟起制動(dòng)裝置時(shí)，起動(dòng)系數(shù)Ka可取1.1～1.3。
 
　　3 采用合理的可控起制動(dòng)或軟起制動(dòng)裝置減小動(dòng)力作用 按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，帶式輸送機(jī)的起制動(dòng)加速度應(yīng)為0.1～0.3m/s2。實(shí)際工程表明，這個(gè)數(shù)值已不適應(yīng)長(zhǎng)距離、線(xiàn)路復(fù)雜的帶式輸送機(jī)。通過(guò)動(dòng)態(tài)分析可知，長(zhǎng)距離、線(xiàn)路復(fù)雜的帶式輸送機(jī)，最好采用具有可控起制動(dòng)功能的驅(qū)動(dòng)裝置，控制輸送機(jī)按理想的起、制動(dòng)速度曲線(xiàn)起動(dòng)和制動(dòng)，以減小輸送帶及承載部件的動(dòng)態(tài)載荷;對(duì)于普通長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)，可以采用軟起制動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。
 
　　3.1 理想的可控起動(dòng)速度曲線(xiàn) 理想的起動(dòng)速度曲線(xiàn)，應(yīng)使帶式輸送機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)，且在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中加速度的最大值較小，沒(méi)有加速度突變，以最大限度地減小起動(dòng)慣性力和起動(dòng)沖擊作用。 實(shí)際工程應(yīng)用的比較理想的可控起動(dòng)速度曲線(xiàn)有以下2種。
 
　　(1) 澳大利亞專(zhuān)家Harrison提出的起動(dòng)速度曲線(xiàn)(見(jiàn)圖1)： v/(t)=v/(1—cosπt/2) 0≤t≤T 式中: v——設(shè)計(jì)帶速 T——起動(dòng)時(shí)間 起動(dòng)開(kāi)始時(shí)，加速度為0，速度平穩(wěn)增加;到T/2時(shí)，加速度達(dá)到最大值，速度達(dá)到v/2;然后，加速度逐漸對(duì)稱(chēng)地降低，速度繼續(xù)增加;達(dá)到設(shè)計(jì)帶速時(shí)，加速度降到0，完成起動(dòng)過(guò)程。除起點(diǎn)和終點(diǎn)外，加速度曲線(xiàn)的一階導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的。
 
　　(2)美國(guó)專(zhuān)家Nordell提出的起動(dòng)速度曲線(xiàn) (見(jiàn)圖2)： 起動(dòng)開(kāi)始時(shí)，加速度為0，速度平穩(wěn)增加;到T/2時(shí)，加速度線(xiàn)性增加到最大值，其值比圖1中的加速度值大27%，速度達(dá)到v/2;然后，加速度逐漸對(duì)稱(chēng)地降低，速度繼續(xù)增加;達(dá)到設(shè)計(jì)帶速時(shí)，加速度降到0，完成起動(dòng)過(guò)程。加速度的一階導(dǎo)數(shù)在0、T/2、T時(shí)刻是不連續(xù)的，但加速度導(dǎo)數(shù)的峰值只是圖1的81%。 上述2種起動(dòng)控制方式，都能獲得理想的起動(dòng)效果。由于輸送機(jī)在起動(dòng)之前，輸送帶處于松弛狀態(tài)，為避免輸送帶的沖擊，將輸送帶拉緊后起動(dòng)，可進(jìn)一步改善起動(dòng)峰值張力作用。因此，需要在起動(dòng)開(kāi)始階段加入一個(gè)時(shí)間延遲段，如圖3所示，延遲段的速度一般取為設(shè)計(jì)帶速的10%。 起動(dòng)時(shí)間T是非常重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，可根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)控制最大起動(dòng)加速度或平均加速度，初步確定起動(dòng)時(shí)間，再根據(jù)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。一般情況下，特長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的起動(dòng)加速度不大于0.05m/s2，中長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的起動(dòng)加速度不大于0.1 m/s2。 為避免輸送機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中發(fā)生共振等動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，起動(dòng)時(shí)間了應(yīng)滿(mǎn)足下列條件： T≥5L/Vw 即起動(dòng)時(shí)間廠大于下分支輸送帶縱向應(yīng)力波由機(jī)頭傳到機(jī)尾所需時(shí)間的5倍。 式中: L——輸送機(jī)總長(zhǎng)，m Vw——輸送帶縱向應(yīng)力波傳遞速度，m/s E——輸送帶彈性模量，N/mm B——帶寬，mm qB——單位長(zhǎng)度輸送帶質(zhì)量，kg/m qRu——下分支單位機(jī)長(zhǎng)托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，kg/m 目前，工程上應(yīng)用較多、具有可控起制動(dòng)功能的驅(qū)動(dòng)裝置主要有交流變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置和CST可控起制動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。
 
　　3.2 交流變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置 交流電機(jī)變頻調(diào)速，具有調(diào)速范圍寬、精度高等特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)起制動(dòng)速度曲線(xiàn)的自動(dòng)跟蹤，能夠提供理想的可控起制動(dòng)性能。其起動(dòng)系數(shù)可以控制在1.05～1.1，起動(dòng)加速度可以控制在0～0.05m/s2，適用于長(zhǎng)距離、線(xiàn)路復(fù)雜的帶式輸送機(jī)，可以控制輸送機(jī)按設(shè)定的“S”形速度曲線(xiàn)起動(dòng)和制動(dòng)，以滿(mǎn)足整機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及可靠性的要求。變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置還可以提供低速驗(yàn)帶速度。由于變頻調(diào)速需解決電氣方面的一系列問(wèn)題，造價(jià)較高，使應(yīng)用受到一定程度的限制。
 
　　3.3 CST可控起制動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置 CST可控起制動(dòng)裝置，是美國(guó)Dodge公司開(kāi)發(fā)的帶式輸送機(jī)專(zhuān)用可控起制動(dòng)裝置。從結(jié)構(gòu)形式上看，CST是1臺(tái)輸出級(jí)帶有液粘離合器的定軸加行星齒輪傳動(dòng)的減速器，液粘離合器聯(lián)接在行星傳動(dòng)的內(nèi)齒圈上，使CST具有差動(dòng)調(diào)節(jié)輸出力矩和輸出轉(zhuǎn)速的功能。CST可控起制動(dòng)裝置是長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、線(xiàn)路復(fù)雜的帶式輸送機(jī)的理想驅(qū)動(dòng)裝置，具有設(shè)定起制動(dòng)速度曲線(xiàn)自動(dòng)跟蹤控制功能、過(guò)載保護(hù)功能、多機(jī)平衡功能和低速驗(yàn)帶功能。起動(dòng)系數(shù)可以控制在1.05～1.1，起動(dòng)加速度可以控制在0～0.05m/s2，控制精度為2%。CST可控起制動(dòng)裝置的不利之處在于增加了液壓系統(tǒng)的維護(hù)工作;對(duì)于傾斜帶式輸送機(jī)，必須設(shè)置較大的低速軸制動(dòng)器和逆止器。
 
　　3.4 鼠籠電機(jī)加調(diào)速型液力偶合器的軟起動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置 調(diào)速型液力偶合器的充油量是可調(diào)的。電機(jī)空載起動(dòng)后，偶合器通過(guò)穩(wěn)定地增加充油量，輸出恒轉(zhuǎn)矩加速特性，使帶式輸送機(jī)在設(shè)定的起動(dòng)力矩下平穩(wěn)起動(dòng)，起動(dòng)系數(shù)可達(dá)1.1～1.3。鼠籠電機(jī)加調(diào)速型液力偶合器的驅(qū)動(dòng)方式，是比較理想的軟起動(dòng)裝置，常用于開(kāi)環(huán)控制，等加速起制動(dòng)，多機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)易于調(diào)整功率平衡，適于大中型和線(xiàn)路簡(jiǎn)單的長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)。其缺點(diǎn)是體積大，需附加油液冷卻裝置，占地面積較大。
 
　　3.5 繞線(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接電阻的軟起動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置 繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)子回路串接電阻，可以軟化電機(jī)輸出特性。在起動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)切換電阻，既可以保證設(shè)定的起動(dòng)力矩，又可以限制起動(dòng)電流。繞線(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接電阻的驅(qū)動(dòng)方式，通常采用開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)“二進(jìn)制”切換電阻的方法，可在有限的電阻級(jí)數(shù)下，獲得較多的起動(dòng)加速級(jí)，使帶式輸送機(jī)等加速、較平穩(wěn)起動(dòng)。采用繞線(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接電阻的驅(qū)動(dòng)方式，可以方便地分別設(shè)定帶式輸送機(jī)的空載、滿(mǎn)載起動(dòng)特性和滿(mǎn)載制動(dòng)特性，獲得比較理想的起制動(dòng)效果。這種驅(qū)動(dòng)方式，適用于大型、多機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的帶式輸送機(jī)。其缺點(diǎn)是繞線(xiàn)電機(jī)及電阻難于進(jìn)行防爆處理，不適于煤礦井下使用。
 
　　4 利用動(dòng)態(tài)分析方法對(duì)大型帶式輸送機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)帶式輸送機(jī)起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力計(jì)算，是把輸送帶作為剛體，采用剛體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行的。近十幾年的研究和工程實(shí)踐表明，剛體動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果，只能滿(mǎn)足短距離、小運(yùn)量帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)精度的要求。對(duì)于長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、布置復(fù)雜的帶式輸送機(jī)，其動(dòng)力學(xué)特性更為復(fù)雜且重要，采用剛體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行分析，其精度已不能滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。因此，對(duì)于大型帶式輸送機(jī)，必須采用較為精確的動(dòng)力學(xué)分析方法。目前，國(guó)際上普遍采用輸送帶粘彈性動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)大型帶式輸送機(jī)的動(dòng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。 所謂帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)分析，是將輸送帶按粘彈性體的力學(xué)性質(zhì)，綜合計(jì)人驅(qū)動(dòng)裝置的起制動(dòng)特性、各運(yùn)動(dòng)體的質(zhì)量分布、線(xiàn)路各區(qū)段的坡度變化、各種運(yùn)動(dòng)阻力、輸送帶的初始張力、輸送帶的撓度變化、拉緊裝置的形式和位置及張緊力等因素的作用，建立輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，求得輸送機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中，輸送帶上的不同點(diǎn)隨時(shí)間的推移所發(fā)生的速度、加速度和張力的變化。預(yù)報(bào)按傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的輸送機(jī)可能出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)和不安全之處，對(duì)該設(shè)計(jì)提出改進(jìn)和調(diào)整措施，確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)。 利用動(dòng)態(tài)分析，可以找出大型帶式輸送機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)