（机械工程专业论文）气垫带式输送机实用设计研究.pdf

摘要 连续输送机械在国民经济和物资流通过程中占有重要地位。气垫带式输送机 作为一种新型的连续输送机械，已成为众多工艺流程中必不可少的关键设备，应 用十分广泛。对气垫带式输送机设计技术研究也是目前国内外的一个研究热点。 在深入研究了气垫带式输送机发计理论的基础上，本文结合工程实际，以大 连甘井子港务公司出口玉米改造工程投产的一台气垫带式输送机为例，结合多年 来现场使用经验，提出了气垫带式输送机总体设计和关键的细部设计的实用设计 方法。在论文中采用现代设计手段对气垫带式输送机的某些设计过程进行模拟分 析，采用面向对象技术开发计算功率的实用程序，简化了计算过程。 本文还对气垫带式输送机的牵引计算理论和气膜形成理论进行了实用设计 研究。特别是对气垫带式输送机气膜的分布规律进行了有限元分析，采用软件 a n s y s 对气膜运动状况进行了模拟，提出了合理的气膜设计思路和方法，具有实 际应用价值。 随着气垫带式输送机应用水平的提高和软件技术的进一步发展，气垫带式输 送机的设计也将逐步迈上一个新的台阶。 关键词：气垫带式输送机；有限元分析；实用设计；a n s y s ；面向对象技术 a b s t r a c t c o n t i n u o u s c o n v e y i n ge q u i p m e n tp l a y s a n i m p o r t a n t r o l ei nt h en a t i o n a l e c o n o m ya n dt h ef i e l do fp r o d u c tc u r r e n c ya i r - c u s h i o n e db e l tc o n v e y o r , a san o v e l c o n t i n u o u sc o n v e y i n ge q u i p m e n t ，h a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l ek e yp a r to fv a r i o u s t e c h n i c a lp r o c e s sa n dh a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nt h e s ef i e l da l s ot h ed e s i g na n d t e c h n o l o g yo fa i r - c u s h i o n e db e l tc o n v e y o ra r ep o p u l a ri nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n s t u d y o nt h eb a s i so f l u c u b r a t i n gi nt h ed e s i g nt h e o r yo f a i r c u s h i o n e db e l tc o n v e y o r , w i t ht h ep r a c t i c eo f e n g i n e e r i n g ，i nt h ec a s eo f a na i r - c u s h i o n e db e kc o n v e y o rp u t t e d i n t op r o d u c t i o nf o re x p o r tc o r nr e c o n s t r u c tp r o j e c ti ng a n j i n g z iq u a yc o m p a n yo f d a l i a np o r t ，l i n k e dw i t hl o n gt e r mp r a c t i c a le x p e r i e n c e s ，t h es y s t e ma n dd e t a i ld e s i g n o fa i r c u s h i o n e db e l tc o n v e y o ra r ec o m p l e t e di nt h et h e s i s s o m ed e t a i ld e s i g ni s s i m u l a t e da n da n a l y z e db ym o d e r nd e s i g nm e t h o di t sp o w e rc a l c u l a t i o ni sd e v e l o p e d b yo b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g y , w h i c hs i m p l i f i e st h ec o m p l i c a t e dc a l c u l a t i o n i nt h e t h e s i s ，t h ea p p l i e dd e s i g nb a s e d o nt r a c t i o nc a l c u l a t i o nt h e o r ya n d g a s m e m b r a n et h e o r yi sd e v e l o p e de s p e c i a l l yf o rt h eg e n e r a l r u l eo f g a s m e m b r a n e d i s t r i b u t i o no ft h ea i r - c u s h i o n e db e l tc o n v e y o r , a f t e rt h ef i n i t ed e m e m a n a l y s i sa n d t h es i m u l a t i o no f g a sm e m b r a n em o v e m e m ，t h e t h e s i sf i n d so u tar e a s o n a b l ed e s i g n t h e o r ya n dm e t h o d ，w h i c h i su s e f u lf o rp r a c t i c a lf i e l d w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ea i r - c u s h i o n e db e l tc o n v e y o ra n dt h ed e v e l o p m e n to f t h es o f t w a r et e c h n o l o g y , t h ed e s i g no ft h ea i r - c u s h i o n e db e l tc o n v e y o rw i l lt u r no na n e 、, vp a g e k e yw o r d s ：a i r - c u s h i o n e db e l tc o n v e y o r ；f i n i t e d e m e n ta n a l y s i s ；a p p l i e d d e s i g n ；a n s y s ；0 b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y 气垫带式输送机实用设计研究 第一章绪论 连续输送机械是减轻人们繁重体力劳动，提高作业效率的输送设备，在国民经济的各 生产部门和物资流通过程中，用来输送大宗的散粒物料或成件物品。气垫带式输送机作为 一种新型的连续输送机械，己成为众多工艺流程中的关键设备或重要的辅助机械，其应用 十分厂泛。 气垫带式输送机的原理是用薄气膜支承输送带及其上物料的带式输送机。它将普通托 辊带式输送机的托辊用带孔的沿输送机运行方向的盘槽( 气室上部的圆弧形槽称为盘槽) 代 替，当气源( 风机) 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 的小孔溢出，在输送带与盘槽之间形成一层具有一定压力的气膜f 气垫) 来支承输送带及 其上物料。 气垫带式输送机主要分为两种：一种是后面将要详细讨论的气垫带式输送机，是目前 应用最多的气垫带式输送机。另一种是气垫带式提升机，它实质是气垫带式输送机原理的 项有意义、有前途的推广。它除了用气垫承载输送带以外，还用另一条输送带保护物料， 用压力空气把物料夹住，夹在两条输送带中的物料可以实现大角度甚至垂直输送，它是为 取代斗式提升机而设计的。1 9 8 4 年，大连港散粮码头引进的英国s i m o n c a r v e s 公司生产 的夹皮带卸船机使用的就是这种输送设备。 气垫带式输送机与普通托辊带式输送机相比，有以下主要特点： ( 1 ) 运行平稳，工作可靠，加料对中后输送带不跑偏，不撤料，不撕带，使用寿命长。 ( 2 ) 输送量大，由于运行平稳，物料在输送带上的堆积面积增大以及带速的提高，使气 垫机的输送量增大。 ( 3 ) 运行阻力小，输送带张力小，功率消耗减小1 0 2 0 左右。 ( 4 ) 允许输送倾角大，一般比托辊带式输送机增大3 5 。 ( 5 ) 设备投资少，维修费用低。据国内外有关资料介绍：气垫带式输送机与托辊带式输 送机比较，设备投资费用可以节省2 5 左右，维修费用可以节省5 0 7 5 。 ( 6 ) 便于密闭输送，避免粉尘飞扬，保护环境，如采用加罩密封式结构，露天使用可省 去输送机走廊，从而节省基建费用。 ( 7 ) 对于向l 输送，逆止安全可靠；对于向下运输送，停机后输送带也无下滑现象。 气垫带式输送机实用设计研究 ( 8 ) 运营费用低，可以提高使用单位的经济效益。 1 1 国内外气垫带式输送机发展概况分析 随着现代工业技术的迅猛发展，计算机技术的广泛应用，工业自动化程度的提高，系 统工程、可靠性设计、优化设计、数值分析理论的发展，新技术、新产品不断涌现，大大 加快了工业发展的进程。在此背景下，气垫带式输送机研究和生产也跃入了一个新的层次。 1 l1 国外气垫带式输送机发展概况分析 二十世纪六十年代末，荷兰t w e n t e 工业大学运输技术实验室c 0 j o n k e r 教授提出： 空气通过一多孔的盘槽，在盘槽与输送带之间形成一层空气膜，用来支撑物料和输送带， 取代槽型托辊。在他领导下，实验室做了大量的理论研究和试验工作，结果表明：能过形 成一个足够厚度的稳定空气膜，运行摩擦阻力系数降低至0 0 2 - 0 0 0 2 之后，于1 9 7 2 年前 后，荷兰s l u i s 公司开始制造首批气垫带式输送机，其产量达到2 0 k m 。1 9 8 5 年，s l u i s 公 司提出的一份资料表明，该公司已生产了3 2 4 台气垫带式输送机。该公司生产的单台气垫 带式输送机长最短的仅4 m ，最长的2 6 5 m ，输送带宽度3 0 0 1 4 0 0 m m ，用于输送各种散粒物 料，包括烟草、谷物、化肥、砾石等。 前苏联也是研制和使用气垫带式输送机较早的国家之一，一般多用于码头。 同前，除了荷兰和前苏联以外，英国s i m o n c a r v e s 公司( 现a s c 公司) ，美国w o e v e r i n 公司、a e r o c o n v e y o r s 公司、f a m i i l e t & s o np r y l g d 以及德国、加拿大等国均生产和使 用气垫带式输送机，产品销售到几十个国家和地区。据有关资料表明，仅在1 9 6 6 1 9 7 5 年 之间，各国已有3 0 多种以上的有关气垫带式输送机专利。 总体来讲，国外的气垫带式输送机研究和生产起步早，偏重于生产应用，技术相对比 较成熟，尤其在产品化、标准化方面做的比较完善。气垫带式输送机生产自动化程度高， 装设备专业化，产品外观设计简洁美观。配套设备成型，如国外在进行气垫带式输送机 的开发和研究的同时，就已对配套供风系统进行了研制，并形成专用配套系列。 1 1 2 国内气垫带式输送机发展概况分析 白1 9 7 3 年以来，起重运输机械等杂志开始发表有关气垫带式输送机的文章，e 海 2 气垫带式输送机实用设计研究 港务局科研所和煤炭规划设计总院情报组等也均 h 版过有关译文专辑。 在我国，太原重型机械学院运输机械研究室于1 9 8 0 年与原平机械合作研制气垫带式 输送机。首先在该学院起重运输实验室建立了我国第一台静态试验机，1 9 8 1 年完成了试验 样机的静态试验。后又在气室结构及布孔形式等方面作了一些改进。1 9 8 4 年，煤炭部规划 设计总院研制成功带宽1 m ，机长9 7 m 的气垫带式输送机，安装在北京矿务局王平村煤矿。 经过一年多工业试验，于1 9 8 6 年1 2 月通过了机械部、煤炭部和河南省科委主持的技术鉴 定。1 9 8 9 年东北工学院和沈阳带式输送机厂共同研制了带宽为0 8 m ，长度为3 0 m 的气垫带 式输送机，并于1 9 9 0 年4 月通过了由沈阳市机电工业管理局组织的技术成果鉴定。1 9 8 4 年，大连港和天津港散粮码头分别引进了英国s i m o n c a r v e s 公司的气垫带式输送机，于 1 9 8 6 年正式投入使用。 据不完全统计，至今，我国已有大连港机械厂、河南鹤壁矿山机械厂、沈阳带式输送 机厂、信阳港口机械厂、郑州气垫运输设备厂、江门南方输送机厂等近3 0 家气垫带式输送 机生产厂。 同时，各个科研院所有关气垫带式输送机研究的论文和专著也相继问世。起重运输机 械、煤矿机械、物料搬运与分离技术、矿山机械等杂志陆续发表了相关的论文。 随着国内气垫带式输送机用户对该产品性能及特点的不断认识，应用范围更加广泛，需求 量越来越大，被国内带式输送机生产厂一致看好，生产厂家不断增多。值得一提的是，1 9 9 3 年全国带式输送机行业协会组织成员单位1 2 厂及太原重型机械学院，成立了联合设计组， 由太原重型机械学院任组长单位对气垫带式输送杌进行系列设计。系列设计代表着国内最 新水平，系列设计图纸于1 9 9 6 年初开始向全国各生产厂发放。d d 型气垫带式输送机设计选 用手册己由机械工业出版社出版发行。这两项工作的完成使该产品成为连续运输机械中 的标准系列产品。该手册主要是借用机械工业部编 中的标准，用供风系统选用目前国内现有的9 1 9 和9 2 6 型高压离心鼓风机进行配套。 联合设计组对气垫带式输送机生产的标准化方面做了有益的探索。 国内的气垫带式输送机工装自动化程度较低，外观设计较为粗糙，而且气垫带式输送 机专用配套设备研究比较滞后，如气垫带式输送机专用输送带、专用风机等存在一定差距。 同等参数( 指相同输送量、带速、带宽和长度) 的国内、外气垫带式输送机相比较，我们的 风机产品存在着能耗较大、制造精度低、噪声大以及气膜形成不稳定等缺点。虽然我们的 气室结构及气孔布置方法在国际上处于领先地位，但由于产品化方面的差异，严重阻碍我 气垫带式输送机实用设计研究 国产品在同际上的竞争力。凶此，在我国组织专家对气垫带式输送机专用供风系统、专用 输送带进行研究开发是很有必要的。目前，已经有科研机构着手对此进行研究。 近1 0 年来，气垫带式输送机与普通带式输送机相比，经济效益显著，技术也日趋成熟。 初期国外气垫带式输送机多用于输送面粉、谷物、木屑等密度较小的散粒物料，近几年来 才开始用于输送磷酸盐、矿粉、原煤等密度较大的散粒物料，并逐步朝着高速、大输送量、 长距离方向发展。国内普通带式输送机的带速一般在3r r g s ，而气垫带式输送机的带速可达 到5 r n s 多。如前苏联贝尔姆斯克港气垫带式输送机的带速为5 ，2 m s ，把原来6 0 0 t h 的输送 量提高到1 5 0 0 t h ，生产率获得较大的提高。 1 。2 气垫带式输送机的设计方法 气垫带式输送机的设计主要包含整机结构设计，牵引功率计算，供气装置参数设计三 个部分。 结构设计 。e 垫带式输送机的结构设计核心内容是标准断面的设计，这部分设计需要综合考虑输送 效率、支架受力状况、结构经济简洁、工装要求等因素的影响。气垫带式输送机输送带的 无载分支部分，既可用托辊支撑( 单气室) ，也可用气垫支撑( 全气室型) 。如大连港务局 图1 - 1 气垫带式输送机断面 f i g1 1c r o s ss e c t i o n o f a i r c u s h i o n e db e l tc o n v e y o r 4 气垫带式输送机实用设计研究 进口的s i m o n c a r v e s 公司生产的气垫带式输送机为全气室型。这种气垫机结构紧凑，密封 性好，但气室加工及端部密封较为复杂，目前气室制造工艺自动化程度不高，制造工艺难 以保证，制造成本难以控制。根据试验结果表明：下气箱采用气垫支承输送带，相对于托 辊支承摩擦损耗降低甚微。托辊支承的损耗系数f = o 。0 2 0 0 6 ，气垫带式输送机的损耗系 数f = o 0 0 8 0 0 1 2 ，回程只有输送带本身载荷。由此使驱动功率的降低远抵消不了下气室 由于空气消耗所耗的功率。而且下气室的加工制造成本、安装费用都要比采用平行托辊高 很多。因此，选择单气室气垫带式输送机结构型式是比较经济实用的。如图卜l 所示，左 侧是一种典型的全气室气垫带式输送机标准断面形式，右侧是一种典型的单气室气垫带式 输送机标准断面形式的标准断面形式。 牵引功率计算 根据不同的设计任务，牵引力有两种计算方法：近似计算和详细计算。进行工程可行 性论证和提出技术方案中，常需预测机器的主要参数，这时采用近似计算可以达到快速的 要求。其计算结果不会引起很大误差。对普通托辊皮带机，德国工业标准d i n 2 2 0 1 0 及日本 工业标准j i s b 8 8 0 5 都引入了牵引力及功率的近似计算方法，国际标准i s 0 5 0 4 8 中输送带张 力和运鼋亍功率的计算也引入了近似计算方法。气垫带式输送机的牵引计算使用同样的方法， 区别仅在于部分参数选取不同。 详细的逐点的牵引计算( 又称为逐点张力法) 用于精确的、最终的校核计算中，这不 仅是因为用近似计算法确定气垫带式输送机的结构参数和选择部件，可能会引起显著误差， 一般来说结果是偏于保守的，造成浪费。而且实际的工程设计中，土建专业的设计计算也 需要设备设计方提供较详细的荷载，尤其头尾部水平方向荷载。近似计算显然无法提供这 些数据。因此，这里采用逐点张力法进行计算。 详细的牵引计算中，在进行带条张力计算时则采用逐点法，逐点法是在总结有挠性牵 引构件连续运输机在全长上的张力变化规律中，所得出的计算牵引构件张力的一般方法。 其主要依据是牵引构件在输送机线路轮廓中沿运动方向上任一点的张力，等于后一点的张 力与这二点之间区段上的阻力之和。从驱动滚筒绕出点开始沿整个线路轮廓逐点计算张力 一直到驱动滚筒绕入点为止，最终可算出总的带条运动阻力，即驱动滚筒牵引力以及相应 的驱动规律。 普通托辊胶带输送机把输送机的整个运动阻力划分为三种类型：直线区段运动阻力； 曲线区段运动阻力i 局部阻力。 气垫带式输送机实用设计研究 直线区段运动阻力：带条沿托辊运动时，需克服托辊轴承的摩擦阻力；输送带 下覆盖胶与托辊接触处的压陷滚动阻力；以及输送带与物料再托辊问的变形阻 力。由于输送带纵横方向的刚度都是有限的，因此运动的输送带将在托辊组之 间变形：悬垂和槽形变缓，并且大约在跨度中间曲率达到最小值。当不完全弹 性体即输送带变形时将产生能量损失，而损失的这部分能量可用一个等效力来 表示。输送带上的松散物料随着输送带的变形而在绕上托辊时有堆挤现象，过 了托辊，物料就疏松了。由于物料变形引起不可逆转的能量损失，因此，还有 一个等效阻力，即物料的变形阻力。变形阻力的大小，决定于所有与输送带变 形有关的因素：输送带的张力和单位长度上物料与输送带的重量；托辊组的间 距；输送带运动速度；侧托辊倾角；输送带纵横方向的剐度等。由于物料与输 送带的重力，输送带在通过托辊时被压局部变形( 托辊压入输送带) ，使输送带 沿托辊运行时的滚动摩擦阻力大为增加，这部分阻力称压陷滚动阻力。托辊转 动的摩擦阻力与托辊结构形式、托辊转动线速度以及环境温度有关。托辊轴承 质最愈高、线速度愈小、环境温度高于零度，则阻力愈小。各个分阻力在总阻 力中所占的比重，由于对不同试验设备进行测试，其结果也不相同。例如有人 对运输象煤、矿石、和岩石这类物料的输送机进行测试，各个分阻力大致的比 例如卜l ：输送带变形阻力占1 0 一2 0 ；物料变形阻力占3 0 叫o ：托辊转动 阻力占2 0 2 5 ；托辊压入胶带的压陷阻力占2 0 5 0 ；另有人对带宽22 m 的输送机进行测试，当输送砂砾时所测得的各个分阻力中压陷滚动阻力占比重 最大，其大小与张力变化无关；物料与输送带的变形阻力则随输送带张力的增 大而降低。输送带绷得愈紧，这两种阻力就愈小；托辊转动阻力所占比重最小， 其大小与张力无关，它与张力的函数关系在图形上为一水平线。从以上试验中 可以得到一个结论：当其它条件相同时，只要不影响输送带使用寿命，应尽量 增大输送带预张力。这样可以减少输送带运行阻力，从而降低了所需的牵引力 和功率。对于倾斜的输送机，还有因物料和输送带重力引起的提升阻力。由于 精确计算各个分阻力十分困难，世界各国目前还值试验用一个传统的公式来计 算直线区段的运动阻力。即用一个总的阻力系数来考虑上述几项运动阻力。 输送带在蓝线区段上的运动阻力：带条绕过改向滚筒或改向托辊组时会产生阻 力。绕过改向滚筒的阻力由轴承摩擦阻力和输送带绕入绕出滚筒时的僵性阻力 6 气垫带式输送机实用设计研究 组成。为计算由轴承摩擦引起的阻力，可把轴承摩擦阻力折算到滚筒圆周上， 设n 为作用在滚筒轴承上的j e 压力，即滚筒两端输送带张力s 和s7 以及滚筒 旋转部分重量g ，7 的向量和。轴承摩擦阻力这算到滚筒圆周上的阻力w 。为： w ，7 = 腓u ( d d ) ( 轴承直径与滚筒直径之比) 。输送带绕入绕出改向滚筒时， 由于输送带僵性产生的阻力w 2 为：w 。kt s ( s 为刚性系数) 。通过实验可知， 输送带通过改向滚筒的阻力与输送带绕入端张力s 成正比。为简化计算，通常 以实验所得的阻力系数e 乘以绕入端输送带张力来计算，即：w 7 - w 。7 + 乳= e s 。由于改向滚筒存在阻力，输送带绕出端张力s 显然大于绕入端张力s ， 二者的关系可用下式表示：s7 = s + w = ( 1 十e ) s = c * s 。式中的c 为张力增 大系数。 -局部阻力：分局不同的布置形式，输送机在装料点、清扫装置处，都会产生局 部阻力。在装料时，由于物料与输送带之间有相对运动，因而产生附加阻力。 这种阻力称为加速阻力，w a = q 。 u 2 2 ( n ) 式中q 。为被输送物料的线载荷 k g f m ， u 为输送带的速度，g 时重力加速度。另外，输送带通过清扫器使会产生附加阻 力，一般根据经验得出，大小与输送带的宽度有关。 气垫带式输送机的阻力除上述几种之外，还有运行时的气垫阻力。输送带在气垫上运 行，产生气体摩擦阻力，这部分阻力很小。 气垫带式输送机和普通托辊胶带输送机计算相比，除个别参数的选取，气膜部分计算 有区别之外，牵引计算、结构计算的方法基本一致。普通托辊胶带输送机的参数计算已经 实现了自动完成，如c o n v e y o rd y n a m i c si n c 公司研制的b e l t s t a t 程序，用户只需进行简 单的参数选取，就可实现整机的功率计算和零部件的选型。不过由于零部件产品的区别， 目前，还不十分适用于国内市场。国内如东北大学已经建立了托辊胶带输送机连续模型和 离散模型的动力学方程，并成功开发了带式输送机的动态分析软件，该软件可以对几乎所 有的输送机布置形式、驱动装置进行分析，并已经在实际设计中应用，而且已开发出了平 而转弯带式输送机动态分析软件。由于气垫带式输送机和普通托辊胶带输送机有众多的相 似之处，只要在现有的带式输送机分析软件基础上作适当的修改和扩充，就可以满足气垫 带式输送机计算分析的要求，相信在在不远的将来，气垫带式输送机的静、动态分析软件 将面世。 供气装置参数设计 7 气垫带式输送机实用设计研究 供气装置参数设计是气垫带式输送机有别于普通托辊胶带输送机的最重要的一个部 分。资料分析表明，现有的气膜部分计算都对气体的的流动状况作了简化处理，一般的的 作如下假定：忽略气垫中的气流动压，只考虑气膜的静压力与输送带和物料的压力平衡， 气膜沿盘槽与输送带间的流动为具有粘性的二元不可压缩层流，忽略气体经盘槽小孔出流 形成的局部涡流。由于对实际的复杂的流体运动做了这些假设，使得推导出来的计算公式 与实测结果有较大的偏差，一般来讲，计算结果偏大。 随着气垫带式输送机应用的场合愈来愈多，国内气垫带式输送机的设计与生产缺乏严 格的理论分析与计算，风机功率较大，工作气膜厚度较厚等矛盾日益突出，因而有必要对 气膜的实际运动进行更加准确的分析，有限元分析为我们提供了一个有效的方法。许多工 程分析问题，都归结为在给定边界条件下求解它们的控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题。但是，能用解析方法求出精确解的只有方程性质比较简单，且几何边界相当规则 的少数问题。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状复杂或者问题的某些特征 是非线性的，则很少有解析解。因此，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借 助于现代高速计算机来获得满足工程要求的数值解，这种数值模拟技术是现代工程学形成 和发展的最重要的推动力之一。有限元法作为工程应用中的一种最重要的数值模拟技术， 它的基本思想是，将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的 单元的组合体。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身有可以由不同形状， 因此可阻用理想的模型简化几何形状复杂的求解域。有限元法作为数值分析方法的另一个 重要特点是，利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解域上待求的未知场 函数。单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函 数来表示。这样一来，在一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个节点上 的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有 限自由度问题。求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似 值，从而得到整个求解域上的近似值。而且，随着单元数目的增加，解的近似程度将不断 改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最终将收敛于精确解。 1 3 课题的研究价值及主要内容 一i 垫带式输送机实用设计研究属于连续输送机械设计和研究领域。 气垫带式输送机实用设计研究 1 3 1 课题的理论意义和研究价值 大连港务局是国家大型企业，大连港年吞吐量已经超过亿吨，拥有万吨级泊位4 0 几个。 随着港口专业化程度的进一步提高，大连港港口运输集中在三个领域：是集装箱运输， 二是油运，三是大宗散货，尤其是散粮以及建设中的二十五万吨矿石码头。目前大连港已 经拥有3 0 万吨的散粮仓储能力，散粮运输大量应用连续输送机，其中又以气垫带式输送机 应刚最为、。泛，现有五十余条3 0 0 t h 、6 0 0 t h 、8 0 0 t h 、1 0 0 0 t h 几种输送量的气垫带式 输送机在投入使用。这些气垫带式输送机的来源有英国s i m o n c a r v e s 公司( 现英国a s c 公 司) 、河南信阳港口输送机厂、江门南方输送机厂以及由大连港设计院设计，大连港机械厂 制造的气垫带式输送机。目前大连港务局现有的五十余条气垫带式输送机是大连港散货输 送的主力设备，设备能否正常运行会影响到整个生产的流程，气垫带式输送机已经成为大 连港务局不可缺少的物流脉络。结合多年的工作经历对气垫带式输送机进行进一步的研究 是十分必要的。特别是根据多年气垫带式输送机在使用中经常出现的问题，在课题的研究 中将对7i 垫带式输送机的基本设计思想进行较深入的研究。应用现代的设计计算方法对气 垫带式输送机的设计理论进行分析，相信通过本课题的研究，必定会对气垫带式输送机的 设计方法提供有益的参考，提出新的设计理念，进步完善设计结果。使气垫带式输送机 的设计更趋合理，有更好的产品，更简洁的结构形式、降低气垫带式输送机的成本，增强 气垫带式输送机的市场竞争，为我国的连续运输机械的发展做出一份贡献。 气垫带式输送机以其生产率大、结构简单、运行平稳、易于密封、爬坡度大、投资维 修费用低等优点，逐渐成为散粒物料连续输送领域的主流机型，因此，正确设计和选用气 垫带式输送机，具有重要的理论意义和实际的应用价值。 近年来，气垫带式输送机己逐渐在粮食、煤炭、冶金、交通、化工、电力及水泥等行 、得到广泛的应用，生产厂家也目益增多。如图卜2 所示是大连港大窑湾散粮泊位的工艺 流程图，图中编号以字母“b ”开头的设备除b 1 8 、b 1 9 外均为气垫带式输送机，连同大窑 湾散粮泊位配套工程、大窑湾散粮泊位改造工程，整个工艺流程中共使用了3 5 条气垫带式 输送机，输送量为3 0 0 t h 、6 0 0 t h 、1 0 0 0 t h 三种。目前，工程已全部投产，运行情况良 好，为大连港的散粮运输做出重要贡献。 气垫带式输送机实用设计研究 图1 - 2 大窑湾散粮泊位工艺流程图 f i g1 - 2p r o c e s sf l o wd i a g r a mo f g r a i nq u a y o f d a ：y a o w a n 从上个世纪9 0 年代开始，气垫带式输送机进入实际应用阶段，各个厂家生产气垫带式 输送机已初具规模。目前的研究已取得许多结构上的专利，如全气室型、单气室型、闭式 管型、自动节流型、防冲击型等结构型式，但应用最多的还是单气室型。同时还做了一定 实验研究，摸索到了一些经验规律和数据，我查阅到的有关资料和文章散见于各种专业杂 志上，计有几十篇之多，这些文章水平参差不齐，很多是泛泛的介绍气垫带式输送机本身， 还有的是对气垫带式输送机的某一专题做了些讨论。这其中对气垫带式输送机整机的实用 设计和针对实践中的一些问题做出相应解决措施的文章非常的少，因此，这次课题力求做 到有的放矢，运用我这几年气垫带式输送机的现场使用经验，对整机运行情况的理解，结 合自己的一些设计经验，对气垫带式输送机的实用设计做一全面的介绍。这次设计的基本 原则是：在满足功能的前提下，用简单实用的办法解决问题。希望能做到抛砖引玉，对气 垫带式输送机的设计祁应用尽一份绵薄之力。 1 3 2 课题的主要内容 本课题是关f 气垫带式输送机的设计与研究。它主要包括以下四个方面的内容： 1 气垫带式输送机的总体设计 这部分借鉴托辊胶带输送机的设计方法，并结合目前气垫带式输送机的研究理论，以 1 0 气垫带式输送机实用设计研究 大连港务局甘井子港务公司出口玉米改造工程中的一条气垫带式输送机为例，分别讲 述气垫带式输送机盘槽结构形式、支架形式、输送是、牵引功率以及供气装置主参数 的设计计算。 2 气垫带式输送机的细部处理 考虑到气垫带式输送机细部设训。对整机能否成功运行的重要影响，结合自己多年来气 垫带式输送机设计和实际使用经验，将细部设计作为专门的章节进行讨论。详述气垫 带式输送机的头部设计、尾部设计、喂料靴设计、伸缩节、输送带、风机选择、泄气 装置以及跑偏、失速等安全保护装置的设计要点。 3 程序设计 使用v c + + 6 0 编制针对气垫带式输送机功率计算的实用程序 4 有限元分析 使用有限元分析软件a n s y s 对气膜运动状况进行模拟，得出气膜部分气体运动的一般 规律。 本课题的研究是对气垫带式输送机实用设计的一个总结，以实际工程中应用的气垫带 式输送机为例，使用v c + + 6 ，0 编制计算程序和利用a n s y s 对气膜进行分析，为气垫带式输 送机理论和实践的发展作了一个有益的尝试，具有一定的理论意义和实用价值。随着气垫 带式输送机应用水平的提高和软件技术的进一步发展，气垫带式输送机的设计将迈上一个 新的台阶。 气垫带式输送机实用设计研究 第二章系统开发工具及相关技术 气垫带式输送机设计运用已有的成熟技术，对系统进行了开发。在介绍具体的设计过 程之前，首先介绍一f 本课题使用的相关技术。 主要技术分为两个部分：面向对象的v c 编程技术和有限元分析软件a n s y s 的数值模拟 技术。用v c 开发功率计算的实用程序；a n s y s 用于对气膜部分进行有限元分析。 2 1 面向对象技术 2 1 1 面向对象技术概述 面向对象方法( o o p ) 是软件方法发展的必然结果。较早的软件开发，用结构化程序设 计方法。程序的定律是：程序= ( 算法) + ( 数据结构) 。即算法是一个独立的整体，数据结 构( 包含数据类型和数据) 也是一个独立的整体。两者分开设计，以算法( 函数或过程) 为主。随着时间的流逝，软件工程师越来越注重于系统整体关系的表示和数据模型技术( 把 数据结构与算法看作一个独立功能模块) 。程序定律被重新认识：程序= ( 算法+ 数据结构) 。 即算法与数据结构是一个整体，算法总是离不开数据结构，算法含有对数据结构的访问， 算法只能适用于特定的数据结构。因此设计一个算法适合于访问多个数据结构是不明智的， 而且数据结构由多个算法来对其进行同种操作也是多余的。这是面向对象程序设计的基础， 在面向对象技术中，算法与数据结构被捆绑成一个类，从这样的角度看问题，就不用为如 何实现通盘的程序功能而费尽心机了。现实世界本身就是一个对象的世界，任何对象都具 有一定的属性与操作，也就总能用数据结构与算法两者合一的来描述。这时候，程序定律 被再次另眼相看：对象= ( 算法+ 数据结构) ，程序= ( 对象+ 对象+ ) 。也就是说， 程序就是许多对象在计算机中相继表现自己。而对象又是一个个程序实体。人们不再静止 的去看待数据结构了，而把它看成是一个程序单位，一个程序分子，或者一个对象的象征。 它本身又包含有算法与数据结构。 面向对象编程( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m i n 曾一o o p ) 技术的出现是软件编程的 个里程碑，它把许多的程序员从无谓的重复性劳动中解放了出来，并由于它通过继承和多 态大大简化了程序的开发过程，从而产生了更多的使用这一思想工具的程序员。过去的 1 2 气垫带式输送机实用设计研究 p a s c a l 和c 语言都式过程化语言，这种过程式编程( p r o c e d u a r a lp r o g r a m m i n g ) 的致命 缺点是随着程序规模的不断增大，隐藏在各个程序块中的副作用越来越明显。经常出现的 情况是当程序达到一定的规模后很难调试，不能发现错误所在。面向对象采用封装的技术 很好的解决了这个在过程化过程中始终无法解决的问题。o o p 中必须清楚知道的三个概念 是对象( o b j e c t ) 、方法( m e t h o d ) 和消息( m e s s a g e ) 。在计算机中用被称为对象的新数据 类型表示项，在代码内对象由类的数据结构定义，通过获取消息与将方法作用于消息的途 径，类知道如何执行指定操作。对象仅是类( c l a s s ) 的运行实例，方法是包含在对象内的 成员函数，消息是对方法的实际调用。 由于突破了软件设计思想的障碍，因此程序规模迅速扩大，软件产业得以飞速发展。 类的实现机制就这样在程序语言中应运而生，c + + 是类机制实现得比较完善的一种高级语 言。人们用对象的观点，抽象一个个具有数据属性和动作的实体，直接描述于语言，进行 真正意义的而向对象程序设计。 面向对象程序设计的实现需要封装和数据隐藏技术，需要继承和多态性技术。 封装和数据隐藏 当一个技术员要安装一台电脑时，他将各个设备组装起来。当他想要一个声卡时，不 需要用原始的集成电路芯片和材料去制作一个声卡，而是来到电脑公司，购买一个他所需 要的某种功能的声卡。技术员关心的是声卡内部的工作原理。声卡是自成一体的。这种自 成一体性称为封装性。无需知道封装单元内部是如何工作就能使用的思想称为数据隐藏。 声卡的所有属性都封装在声卡中，不会扩展到声卡之外。因为声卡的数据隐藏在该电路板 上。技术员无需知道声卡的工作原理就能有效的使用它。 c + + 通过建立用户定义类型( 类) 支持封装性和数据隐藏。完好定义的类一旦建立，就 可看成是完全封装的实体，可以作为一个整体单元使用。类的实际内部工作应当隐藏起来， 使用完好定义的类的用户不需要知道类是如何工作的，只要知道如何使用它就行。 继承和重用 要制造新的电视机，可以有两种选择：一种是从草图开始，另一种是对现有的型号加 以改进。也许现有的型号已经令人满意，但如果再加一个功能，会更加完美。电视机工程 师肯定不想从头开始，而是希望制造另一种新型电视机，该机是在原有的型号基础上增加 一组电路做成的。新的电视机很快就制造出来了，被赋予一种新的型号，于是新型电视机 就诞生了。这是继承和重用的实例。 气垫带式输送机实用设计研究 c + + 采用继承支持重用的思想，程序可以在扩展现有类型的基础上声明新类型。新子类 是从现有类型派生出来的，称为派生类。新型电视机是在原有型号的电视机上增加若干种 功能_ 而得到的，所以新型电视机是原有电视机的派生，继承了原有电视机的所有属性，并 在此基础上增加了新的功能。 多态性 通过继承的方法构造类，采用多态性为每个类指定表现行为。例如，学生类应该有一 个计算成绩的操作。大学生继承了中学生，或者说是中学生的延伸。对于中学生，计算成 绩的操作表示语文、数学、英语等课程的计算，而对于后继的大学生，计算成绩的操作表 示高等数学、计算机、普通物理等课程的计算。 继承性和多态性的组合，可以轻易的生成一系列虽类似但独一无二的对象。由于继承 性，这些对象共享许多相似的特征。但由于多态性，一个对象可以有独特的表现方式，而 对另一个对象有另一种表现方式。 c + + 是一门高效实用的程序设计语言，它既可进行过程化程序设计，也可进行面向对象 程序设计。c 什语言强调对高级抽象的支持，c + + 实现了类的封装、数据隐藏、继承及多态， 使得其代码容易维护及高度可重用。随着c + + 渐渐成为a n s i 标准，这种新的面向对象程序 设计语言迅速成为了程序员最广泛使用的工具。几乎在所有计算机研究和应用领域，都能 看到c + + 的影子。纵观当前，c + + 的发展领导了程序设计语言的潮流，大有取代其他程序语 言之趋势。在教学上，它以其面向对象的特征和严密的类型系统而正在悄无声息的取代 p a s c a l ；在科学计算功能上，它比f o r t r a n 更为可靠和方便；在系统软件的研究开发上， 它又是上选的语言；在小规模控制应用上，c + + 的效率比之c 毫不逊色；在大规模应用软件 开发上，以w i n d o w s 环境为代表的c + 、l 类库以及组件在迅速发展，它的触角遍及各个领域。 c + + 的集成开发器以v i s u a lc + + 和b o r l a n dc 十十为典型。近年来，随着计算机技术的 飞速发展，软件编程概念已经发生了根本性的转变，应运而生的可视化编程技术获得了广 泛应用。v i s u a lc + + 6 0 即是可视化编程的有力工具之一。该软件是m i c r o s o f t 公司推出 的v i s u a ls t u d i o 的重要组成元素，是集创建编辑、编译、链接、运行调试为一体的软件 集成开发环境。它具有如下特点： - 高度集成化的基于w i n d o w s 的开发环境给开发带来了极大的方便。 _ 提供功能强大的向导工具( m f c a p p w i z a r d 、c l a s s w i z a r d ) 。最大限度的将设计 人员的注意力集巾到代码开发上，极大的提高了工作效率。 1 4 气垫带式输送机实用设计研究 m f c 为编程者提供了一个应用程序框架，帮助编程者完成w i n d o w s 编程中的例 行性工作。 最快的集成数据库访问，允许用户适应强有力的数据库应用程序。 2 1 2 面向对象技术的优越性 面向对象编程( o o p ) 的基本思想很简单。数据和处理这些数据的例程组合成称为“类” 的单独实体。如果要访问类中的数据，就要使用类中的例程。另一方面，采用老式的过程 式编程，数据和例程是分离的，并且被分别考虑。与老式的过程式编程方法相比，采用面 向对象编程会使程序组织得更好。在简单的情况下，这两种方法看起来差别不大，但当事 情略微复杂时，如果采用过程式编程，那么增加新的变量和例程时会越来越让入迷惑。当 越来越多的功能加入到应用中，面向对象编程的优势更为突出。 面向对象方法的优越性表现在： 一采用而向对缘编程，代码可重用，不用重新输入原始对象中已有的内容，因此 可以节省开发时间。 -面向对象编程结构化好，容易弄明白特定例程的用途。 - 面向对象编程易于测试，可以把程序分割成小的组件并隔离测试指定的组件。 -当需求改变时，面向对象编程易于扩充。 2 2 有限元技术 2 2 1 有限元技术简介 人类的能力是有限的，不能一下就弄清复杂的环境及人类制品的性态，因此，我们先 把整个系统分成性态容易了解的单个的元件或单元，然后由这些元件重建原来的系统以研 究其性态，这是工程师、科学家甚至经济学家都采用的一种自然的方法。 在许多情况下，利用有限个已完全确定了的元件的到合适的模型，我们把这种问题称 为离散的。在另外一些情况下，剖分是无限的连续的，问题只有利用无穷小这一数学虚构 才能定义。这导致微分方程或与其等价的表达形式，它意味着无限个单元。我们把这种系 统成为连续的。 随着数字计算机的出现，求解离散的问题一般比较容易，即使单元数目非常之大也是 气垫带式输送机实用设计研究 如此，因为所有计算机的能力都是有限的，连续的问题只有通过数学运算才能精确求解 为了克服实际的那类连续体问题的不易处理性，_ 程师及数学家们不时地提出各种离 散化方法。这些方法都包含着近似。它是这样一种近似：当离散变量的数目增加时，它如 所希望的那样逼近真实的连续解。 数学家及工程师用不同的方法实现了连续体问题的离散化。工程师经常更直观的处理 这个问题，他们的方法是建立实际离散单元与连续区域的有限部分之间的模拟。 有限元一词的产生正是来自这种工程的直接模拟的观点。有限元分析是利用数学