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大型带式输送机的技术问题
发布时间：2013-08-23 08:22 来源：未知
大型带式输送机由于具有线路长，运输量大的特点，要求对输送机的阻力系数、拉紧行程的长度、输送带的安全系数等参数进行细致的研究，以较精确地进行设计；输送机上采用的普通带式输送机上所没有的多机驱动，钢绳芯输送带也带来多机驱动的同步、功率分配和钢绳芯输送带在输送机中的动力作用等问题。同时还涉及驱动技术、动态分析方法、接头设计、制动与�；⒆赜胧芰�、监控与�；�、关键零部件等问题。
（一）驱动技术
在最初的大型带式输送机的设计中，为了提供必要的启动力矩采用的方法是用过大的电动机，不幸的是这种强力的输出高力矩非常快，使输送带受到很大的动载荷，目前采用较多的是使用液力耦合器，在电机和驱动滚筒之间允许有打滑从而得到一个软启动。
输送机的启、制动动态过程产生的动载荷将直接影响到输送带的选择、拉紧装置的设计，驱动装置的驱动能力等问题。它是带式输送机设计的技术上可行和经济上合理的核心问题。输送机的动态过程的研究是保证输送机在启、制动过程中寻求降低输送带和其他零部件的动载荷的重要途径，通过动态分析还可提供满足正常工作所需的参数。我国1992年安装在某煤矿的长距离输送机系统，由于采用的是传统的标准设计方法，导致使用初期拉紧重锤行程不够。
（二）非稳态过程的瞬态分析
现代机械动态设计是在产品的研究和开发过程中，对机械产品的运动学问题、动力学问题，以及与此相关的动态可靠性问题、安全性问题、疲劳强度和工作寿命等问题，进行分析和计算，以保证所研究和开发的设备具有优良的结构性能和工作性能。
大型带式输送机涉及启动、停机、横向振动、输送带跑偏等一系列动力学问题。传统的带式输送机设计计算方法是以静力学为基础的静态设计方法，而将以动力学为基础的设计方法称为动态设计方法。
带式输送机的启动、停机过程的动态设计是通过采用，将输送带按弹性或黏弹性性质来研究输送机的启动和停机过程中输送带和输送机主要部件的瞬态动力学行为，并对初步设计检验的动力学方法。有多种方法可以解决在输送带中弹性应力传播的问题，有许多可以利用的处理方法，包括波动模型、质量一弹簧模型、边界元素模型和有限元／微分方法。每一种方法都有其数学根据。例如，波动模型就有必要考虑全部的应力波的傅立叶成分，而质量一弹簧模型的解决方案取决于产生应力各个模态的幅值，对于有限元模型，当运用大量的运算来模拟应力的时候若元素边界错误就可能出现问题，并且元素的模数会变成临界的模数因而，任何人都可以期望不同的方法将由不同的研究人员来完成。应用波动模型需要较多的数学基础，而质量一弹簧模型更易于用速度快、内存大的计算机来处理。
在1980-2000年，出现了有关这个主题的值得考虑的新研究。1973年，汉诺威大学的Funke所发表的博士论文研究了矿山输送机动态特性。1984年在纽卡斯尔大学又有一篇有关该课题的博士论文( Harrrison)，该论文对输送带的振动理论和弹性波理论都进行了研究，并应用于运行、启动和停车问题。近期，1985年，德国的Schulz，1996年，荷兰代夫特大学的Lodewijks分别完成了关于输送带动力学的博士论文。
在国内，有关带式输送机动力学分析的问题也得到广泛的重视，作者完成了博士论文“大型带式输送机动态过程的研究”( 1996)，之后完成了动力学分析软件的开发，并于2001年对该软件进行了进一步的开发，建立了完整的动力学模型和稳定的数值分析方法。该软件已经在十余项大型带式输送机实际工程项目中应用。
动力学分析能估算包括在启动或停车过程中有关结构、滚筒和输送带载荷的力的值。对于长距离大张力的输送机，该方法是可靠性设计的重要部分，这已被工业界广泛地采用。通过动力学研究已经开发出许多的计算机程序。
(1)波动方程求解：在1982年期间，Hamson第一次阐述了输送机带的波动方程求解。这要求找到输送带的承载分支和回程分支承受不同载荷时波动方程的特征函数，并将静态解（稳定运行张力）和动态解叠加。模型依赖于最初的研究，允许输送带应力波速的精确预测。波动模型不能很好地处理运动的边界（拉紧），运用波动模型需要特殊的条件。不过，波动模型作为支持设计的工具已经被应用了许多年。
(2)质量一弹簧解：输送带质量间通过粘弹性联系的模型由Nordell等在1984年首先提出。如同其他的模型，在其边界单元需要相应的应力和张紧力，这种模型可能出现计算不稳定、产生错误的预测。Momson的WBM讨论了这种不稳定情况。弹簧一质量模型在处理拉紧装置方面优于波动模型。世界上很多大公司都在应用这种方法或者开发出计算机程序。
Harrsion结合动态分析方法给出了高速带式输送机的技术需求条件。NordeLl采用动态分析方法对恰那铁矿长距离运输系统进行了分析，其输送带的设计安全系数由9降到5，降低了输送机系统的设备投资，提高了输送机系统的PID控制回路的控制精度，使输送带的峰值张力比设计又降低约15 010。
（三）输送带接头设计和制作技术
这方面的研究是从3个方面对接头进行研究，特别是对高强度（钢丝绳芯）输送带。当代的研究重要的是对大型接头设计的理解、破环试验装置和优化接头强度。包括：
(1)接头破坏试验装置：Hamson 1981-1989
(2)几何和机械设计：Von Der Wroge (Dr. Ing. 1991)
(3)动力学效应测试和研究：Flebbe，Hager，Nordell
最早开始接头动力学强度的研究的是汉诺威大学，它的一部分内容是确定接头寿命和寻求降低输送带强度的方法。他们建立了一个实验台用于研究和测试接头疲劳强度和寻求提高接头强度的方法。
目前只有有限的实例用理论进行接头设计，但工业界有提高接头强度的要求�；褂校そ岷偷惹慷任侍庖步辛斯惴旱难芯�。Nordell用有限元分析(FEA)研究在各种不同的钢丝绳接头设计的应力分布情况。
（四）输送带的粘弹性与运行阻力
输送带的张力受许多因素控制，如提升高度，长度，带的刚度，压陷，输送带经过托辊的挠度，以及附加阻力。关于这方面，在20世纪80年代以前已有许多文献，如DIN22101和CEMA，还有输送带厂商的内部计算手册。这些文献很大程度上利用实验结果确定输送带的工作点，如托辊级别，弯曲效果，倾斜效果以及局部的或整体的摩擦力。
Konneker对34台输送机的主要阻力进行了现场实测，得出了不同工作场合下的阻力系数的取值范围。Oszter等对输送机主要阻力中的三部分因素进行了研究，给出了压陷阻力系数、输送带反复弯曲阻力系数和物料经过托辊的碰撞阻力系数的经验式。Spaans和Nordell分别用粘弹性理论对胶带的压陷阻力进行了研究。
在1980-2000年，进行了预测长距离和转弯输送机摩擦力的新研究。纽卡斯尔大学（Hamson等）研究了物料和输送带弯曲的影响，并且发表了许多这些研究成果。在这个时期，Zur，Alles，Hager，Betz，Spaans，Jonkers，Nordell，Lodewijks以及许多其他人写的文章主要体现了对科学的贡献，即对橡胶在托辊上的压陷阻力受黏弹性影响的科学贡献。
Spaans，HaITison，Zur，Nordell，Hager每一个人都说明研究主要是对弯曲和有关滚动压陷损耗的橡胶特点影响的理解。在汉诺威大学，Hintz作的博士论文(1993)考虑到了与压陷损耗有关的复杂情况。大多数的该项研究能够使得模型系统在设计早期仔细检验，因而使企业更有信心。因此，已经看到了长距离输送机，有些带有水平或垂直转弯的长距离输送机以及长距离、大运量下输送机的出现。
作为研究成果应用的例子，有许多著名的系统就是应用了上面论述的研究成果。如一条由Man Takraf公司所设计的16km长、高强度钢绳芯带输送机，在美国科罗拉多州的Henderson矿使用。该输送机比标准设计的输送机具有比较低的滚动阻力损耗。产生此结果的两个因素：一个是很低的托辊阻力损耗和复合橡胶带（由Clouth制造）具有低的压陷阻力损耗。另一个是（Channer，澳大利亚），Nordell和Beckley对此系统进行了咨询，其全部的DIN阻力系数在0.0098~0.011。这些低阻力的输送机要求较低的电机功率，因而需要较低的输送带强度，反之，对于一条给定的输送带，它能使用更长的时间。美国输送机制造商协会( CEMA)所编辑的“散状物料带式输送机设计”（第6版）首次发表了CEMA带式输送机设计的通用方法，在对CEMA的传统计算方法改进的同时，引入了输送带的黏弹性性质计算输送机运行阻力。该方法的输送机功率计算精度可达1100% +100/o。
（五）输送带监控研究
1980年由Hamson在CRIRO的应用物理部最先发明了一种新的测试方法并获得专利，该方法可以在非接触状态下对钢丝绳芯输送带进行检测，监测断绳和钢丝绳接头，预报可能发生的损坏。
第一次对钢丝绳芯输送带实现非破坏测试( Non - Destructive Test，NDT)是在澳大利亚(1979)。从1982-1987年这种方法被用于德国、南非、加拿大、美国和一些其他地区的采矿工业。这种技术也广泛用于其他的工业领域以提高可靠性。根据这一研究，应用信号分析理论进一步发展了标准的测试和检验方法，实际上已经用于钢丝绳制造的产品质量检验。其美国专利为4439731和4864233。
应用这项技术，对有危险的和高张力钢丝绳芯输送带的监测成为可能。钢丝绳处于输送带内就可以对输送带的安全性能进行检验。通过磁场状况和接头条件覆盖层磨损情况可以检测出各种制造缺陷，例如：钢丝绳的布置间距。最近，正在进行采用FRID进行带式输送机系统监控的研究。
进一步开发完善对输送带的在线检测装置，检测钢绳芯带断绳和接头，预报可能发生的损坏，并深入研究输送带防纵向撕裂的措施。立足于投资少而又能解决现场实际问题。提高带式输送机输送带接头强度，也是带式输送机的重要研究课题。
（六）给料和转载技术
带式输送机辅助装置的研究应该引起重视，实践中由于存仓、料斗的形状尺寸等设计的不尽合理，材质的选用不当（特别是衬板）会产生堵塞，起拱，加料不均和偏载等现象，从而影响了整个系统的正常运转。有关这方面的研究，法国，英国和澳大利亚等国家，无论在理论研究，还是实验研究都处于领先水平。目前已经开展应用离散单元的多体动力学方法研究散料的转载过程，设计出专用的转载单元，减小物料对输送带的磨损与冲击，如图1所示。
（七）关键零部件
滚筒强度的分析与设计和寿命分析是输送机设计的一个重要方面。很多研究者都是在滚筒供应商中。尽管有限元这一工具得到广泛采用，但是仍然可以认为现代大型高强度滚筒需要采用这一手段。King的一篇论文讨论了滚筒设计问题，它对研究者具有很好的参考价值，并且回顾了滚筒强度理论。CEMA已经改进了滚筒强度的计算式。
托辊是输送机的主要部件之～，其重量约占整机的1/3，价格占1/5 N1/3。托辊的使用寿命主要取决于轴承和密封的性能，如果托辊具有良好的密封性能（如采用组合密封），托辊使用寿命实际上就是轴承的使用寿命。轴承不仅对托辊使用寿命有重大影响，而且对托辊旋转阻力也有一定的影响。减摩轴承的采用和密封形式的改进降低了托辊的运行阻力。
