（机械设计及理论专业论文）t型带带式输送机分散摩擦驱动的理论研究.pdf

摘要 带式输送机是现代散状物料连续运输的主要设备，它广泛应用于 冶金、化工、矿山、电站和港口等工业领域。带式输送机的水平转弯 问题是带式输送机发展到当代为扩展其使用领域并取得技术与经济上 的最佳效益而迫切解决的问题，这是扩大带式输送机适用范围的重要 方面 t 型带输送机是一种新型的带式输送机，它在普通输送带底部带 宽中点处硫化一条驱动导轨，用小功率的盘式驱动轮在导轨的两侧进 行分散驱动，实现了带式输送机的小曲率半径水平转弯由于其具有 良好的水平转弯性能，在托辊架安装驱动装置和行走装置后，该带式 输送机可以蛇形前进，使其在矿山抢险、地形复杂等情况下有广泛的 应用领域。 本文分析了t 型带输送机分散摩擦驱动的原理，总结出影响单元 驱动力的因素；讨论了驱动单元问驱动力的分配方法；推导出水平转 弯曲率半径的计算公式；介绍了其主要部件的结构及参数的确定 关键词：t 型带，带式输送机，分散驱动，摩擦理论，水平转弯 a b s t r a c t b e l tc o n v e y o r ，w h i c ha p p l i e sw i d e l yt ot h ef i e l d so fm e t a l l u r g y ， c h e m i c a li n d u s t r y ，p o w e rp l a n t ，p o r ta n dm i n e ，i st h em a i nd e v i c eo f m o d e ms c a t t e r e dm a t e r i a ls u c c e s s i v et r a n s p o r t a t i o n ，a st h ed e v e l o p m e n t o fb e l tc o n v e y o rt o d a y ，t h ep r o b l e mo fh o r i z o n t a lc u r v ei su r g e n tt ob e s o l v e df o re x p a n d i n gt h eb e l tc o n v e y o r sa p p l y i n gf i e l d sa n do b t a i n i n g t h eb e s tb e n e f i t si nt e c h n i q u ea n de c o n o m y ，w h i c hi sa ni m p o r t a n ta s p e c t t oe x p a n di t sa p p l i c a b l es c o p e s t b e l tc o n v e y e ri so n en e wk i n do fb e l tc o n v e y e r t h eb e rh a sa d r i v ea n dg u i d er a i lv u l c a n i z e do nt h eb o t t o mo ft h eo r d i n a r yb e l t t - b e l t i sd r i v e nb yd e c e n t r a l i z e dw h e e l so nt h er a i l sd o u b l e - s i d ew i t hd i s c a l d r i v e w h e e li nl o w p o w e ra n dc a nr e d u c et h er a d i io fh o r i z o n t a lc u r v e h a v i n gg o o dc a p a b i l i t yo fh o r i z o n t a lc u t v ea n df i x e dw i t hd r i v i n g a n d w a l k i n ge q u i p m e n to nt h ei d l e rf r a m e ，t h i sk i n dc o n v e y o rc a n m o v el i k ea s n a k ew h i c hc a nb ew i d e l ya p p l i e ds p e c i a lc o n d i t i o n s ，s u c ha ss a l v a g ei n m i n ea c c i d e n t ，b u m p yl a n d f o r me c t t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fd e c e n t r a l i z e df r i c t i o nd r i v ei n t b e l tc o n v e y e r s u m m a r i z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o ro nu n i tf o r o e ，d i s c u s s e d t h ef o r c e sd i s t r i b u t i o nb e t w e e nd r i v eu n i t s ，g a i n e df o r m u l ao ft h e h o r i z o n t a lc u r v er a d i ia n di n t r o d u c e di t ss t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ro ft h e m a i nc o m p o n e n t s k e yw o r d s ：t - b e l t ：b e l tc o n v e y o r ：d e c e n t r a l i z e dd r i v e ：f r i c t i o nt h e o r y ： h o r i z o n t a lc u r v e 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果： i 建立了t 型带输送机在驱动单元处的受力模型，提出 了驱动轮与驱动导轨问当量摩擦系数的概念，分析了影响单 元驱动力的参数以及各参数的大小对传动能力的影响； 2 建立了t 型带输送机在水平转弯时的受力模型，推导 出了其水平转弯曲率半径的表达式。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者、司埠 日期：捌，、如 砭宁工程技术大学硬士学位论文 1 绪论 带式输送机是一种输送松散物料的主要设备，因其具有输送能力大、 结构简单、投资费用相对较低、维护方便等特点而被广泛应用于港口、码 头、冶金、热电厂、焦化厂、露天矿和煤矿井下的物料输送国内外已有 各种类型的输送机多达十余类5 0 余种，而且新型带式输送机也在不断出 现随着工业和技术的发展，对带式输送机的要求将迸一步提高带式输 送机的水平转弯问题是带式输送机发展到当代为扩展其使用领域并取得技 术与经济上的最佳效益而迫切解决的问题，这是扩大带式输送机适用范围 的重要方面 l l 水平转弯带式输送机的发展状况及存在的问题 随着科学技术的发展，我国的带式输送机运输占运输系统的比重越来 越大，带式输送机的优点越来越显著以往的带式输送机一般采用直线布 置形式，但由于建筑物、河流、丘陵、地形、铁路、公路等障碍物的限制， 必须将线路分成若干直线线段，而且在转载过程中由于物料的碰撞与冲击 产生扬尘污染环境，使物料块度变小而降低物料的经济性，例如煤和煤粉 的市场价格相差近一半另外，物料的冲击加快了胶带的磨损，严重时还 会造成击穿胶带，容易使胶带发生撕裂平面转弯带式输送机的出现克服 了上述问题带式输送机的水平弯曲运行，使得当输送机线路的起点和终 点间不能直接用直线连接时，可以采用一种弯曲的运行线路以绕开障碍物 或不利地段，实现了少设或不设中间站，从而减少了带式输送机的搭接和 驱动装置的投资，而且还可以减少粉尘污染，节省设备，降低初期投资与 运转费用以及简化供电系统，提高经济效益 戈国对水平转弯带式输送机的研究较早，但发展并不快到了2 0 世纪 9 0 年代，国内试制成功了水平转弯的转角装置，输送机通过转角装置的转 载来改变运行方向，该机型在煤矿井下已成功应用2 0 0 1 年，水平转弯带 式输送机被应用在国内地铁工程施工中，其主参数为：机长l = 20 0 0m ， 豇宁工程技术大学硕士学位论文2 运量q = 1 8 0 - 2 0 0t h ，带速= 1 6r i d s ，带宽b - - 6 5 0 衄，最小水平弯曲半径 为3 6 0m 2 0 0 4 年由澳大利亚公司设计的在天津港应用的水平转弯带式输 送机长度达9 k m ，运量6 0 0 0 t h ，带速5 6 m s ，两处转弯半径分别达3 0 0 0 m 和4 0 0 0 m 1 1 1 在国外，转弯带式输送机己在露天矿、地下煤矿的弯曲巷道、水电站 建设工程、干线运输以及其他生产系统中得以推广使用法国、前苏联、 奥地利、德国、美国等国家都很重视水平转弯带式输送机的理论研究和试 验，并已在各行各业得到了广泛应用。法国在弯曲带式输送机的研制和制 造方面占领先地位1 9 6 3 年法国在修建巴黎地铁工程中首次安装了一台水 平转弯带式输送机，其主参数为：运距l = 7 0 0m ，带速v = 1 7r i d s ，带宽b = 8 0 0 衄，转弯半径r = 7 0 0r n ，运量q = 3 0 0t h 据统计，从1 9 6 3 年到1 9 8 2 年， 法国先后制造了约有2 7 k m 长的弯曲带式输送机，输送机长度占全世界总长 度的2 0 。以后又制成多台用于煤矿和铁矿，其运行速度和机长也相应增 大德国也制造了多台这种输送机用于运输化肥、建筑材料等，例如运输 钾盐的就有多条其中一条长8 5 0 m ，带宽为6 5 0 u ，带速为1 7 8 m s ，弯 曲半径1 4 0 0 m ，还有的弯曲半径达3 0 0 0 m 。这些输送机一般都采用普通的托 辊和支架f 2 】【3 】【4 】 从目前的应用技术上来看，带式输送机主要靠以下几种方法实现水平 转弯【5 】【6 】【7 】： ( 1 ) 输送机串联搭接。就是把几个单独的输送机串联搭接，实现折线 变向运行，这是最早实现弯曲变向运行的方法这种输送机系统布置复杂， 采用设备多，基建费用大，增加了运输成本，增大了物料粉碎率，对环境 有粉尘污染，能源消耗大有资料f 。】统计，运输煤炭时，若有l o 个转载点， 煤炭全部运量的2 5 就会变成煤粉。因此，随着带式输送机的发展，这种 方法很少被采用了 ( 2 ) 强制性弯曲。运行时采用特殊结构的专用胶带( 如管状胶带输送 机、吊挂式胶带输送机等) ，弯曲半径可达几十米但是强制性弯曲运行的 带式输送机在整条皮带机上或在过渡曲线上都要采取特殊的结构，这样使 缛输送机的造价增高，不易维护，而且运行阻力也要增加 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 3 ) 自然弯曲。对普通带式输送机采取以下几种措施【9 】： 基本措施：将整个托辊组或者个别托辊朝胶带运行方向前倾某一角 度安装，即使托辊组轴线与曲线的法线形成一个夹角( 称作安装支撑角) ； 附加措施：增大成槽角或增大相对于胶带曲率中心内侧的侧托辊倾 角而将托辊组向外侧倾斜安装，构成内侧曲线抬高角； 应急措施：在转弯处胶带内外两侧加装立辊，防止胶带跑偏 这种方法维护简单，不需要大的安装空间，但要在曲线段的顶点内侧 加设防跑偏保护装置，而且由于大角度自然转弯存在曲率半径过大，相应 的机架内移距大等问题，给巷道的开拓提出较高的要求 1 2 带式输送机常用的驱动形式 1 2 1 驱动方式的分类 驱动方式按电动机的数目分有单电动机驱动和多电动机驱动，按传动 滚筒数目分有单滚筒驱动、多滚筒驱动( 包括双滚筒驱动) 。单滚筒驱动一般 在输送机头部驱动，尾部滚筒起导向作用多滚筒驱动按驱动滚筒布置位 置的不同又可分为双滚筒头部驱动、头尾滚筒驱动、头双尾单滚筒驱动、 头尾单滚筒驱动等形式。按驱动装置的位置分，有机头部驱动( 包括头尾驱 动) 、中问驱动按驱动构件的不同可以分为滚筒驱动和胶带摩擦一滚筒联 合驱动，后者就是中问驱动的形式之一采用多滚筒驱动( 包括双滚筒驱动) 可以降低驱动装置、制动装置的尺寸、质量及其胶带张力0 0 1 对于现代带式输送机，除了采用高强度胶带如目前在国内外颇为流行 的钢绳芯胶带来达到大功率、大运量、长距离的要求时，还可采用头部多 滚筒驱动，头部、尾部多滚筒驱动来达到增大牵引力的目的，或采用中问 驱动等方式降低胶带张力以满足长距离运输的需要 1 2 2 头部驱动方式 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 我国煤矿带式输送机大都采用在机头部驱动方式，如头部单滚筒驱动、 头部双滚筒驱动、头部三滚筒驱动、头部双滚筒尾部单滚筒驱动等由于 运行阻力和载荷作用，胶带的张力是线性增加的。在机头部位张力很大 而胶带带芯材料的规格数量一定，许用张力也就一定，为保证带式输送机 安全运行，需选用较高强度的胶带，使带式输送机制造成本大为提高而 且，因为胶带能承受的张力值有一定限度，再者，高强度胶带规格较少， 不但价格昂贵，质量也不稳定，限制了带式输送机向长距离、大运量输送 方向发展 1 2 3 中问多点驱动方式 过去由于胶带拉力强度的限制使单机运距受到一定的影响以后由于 研制出高强力胶带，使输送机的水平运距可达几公里或十几公里但这样 长的运输带的最大张力值是很大的，需要配置大功率电动机和减速机 长距离输送机如采用多点驱动方式，就会降低胶带张力而达到经济合 理。接近水平运输的输送机如在尾部设有驱动装置，从改向滚筒上承受回 程胶带负荷来看，胶带张力可降低3 0 对倾斜式输送机以及由倾斜和水 平部分组成的复合式输送机，如果在中间适当位置上设中间驱动装置，可 使最大张力降低3 卜5 0 “在输送机的整个设备费用中，胶带所占比重 最高。胶带张力降低可使设备费用大大节约，因此多点驱动在世界各国早 已使用 从上世纪6 0 年代开始，中间摩擦驱动( 线摩擦多点驱动) 带式输送机 被广泛的设计和使用，中间多点驱动方式是把一部分驱动功率放在带式输 送机的中间段，使驱动总功率分散开来，其主要目的是降低胶带运行时的 最大张力，降低胶带的强度，提高胶带的输送能力，增加输送机的运距。 常见的中间驱动的方式有以下两种情况【1 2 】 1 滚筒卸载式多点驱动 滚筒卸载式多点驱动仍然为滚筒传动形式，其结构形式就是在带式输 送机胶带有载分支的适当位置通过胶带的弯曲缠绕设置一到多个驱动单 辽宁工程技术大学硕士学位论文 元，与头部驱动滚筒共同驱动胶带的运转，见图1 - - 1 其工作原理仍然为 挠性体摩擦传动，并符合欧拉公式，因此影响其输出牵引力的主要因素仍 然是胶带与分离点的张力、胶带在滚筒上的围包角，胶带与滚简之问的摩 擦因数 图l l 滚筒卸载式多点驱动带式输送机原理图 滚筒卸载驱动方式的缺点表现在： a 驱动装置布置相对较高； b 胶带增加s 形弯曲和冲击频率，胶带的寿命缩短； c 增加功耗，胶带清扫困难。 2 直线摩擦式多点驱动 带式输送机的直线摩擦式多点驱动( 简称线摩擦驱动) 是由有单独驱动 装置( 也称辅机) 的驱动胶带对承载胶带( 牵引胶带) 通过摩擦方式和头部的 主驱动单元( 也称主机) 实现共同驱动其结构是在承载胶带的下面按一定的 问隔设置一到多套驱动单元，使其胶带紧贴在承载胶带下；当两者有相对 运动趋势时其结合面将产生摩擦力即牵引力其工作原理是利用驱动胶带 和承载胶带问的摩擦力将中间驱动单元的动力传递给承载胶带，在中间驱 动摩擦力和主机驱动力共同作用，从而使承载胶带运转输送物料 1 ， 图1 2 线摩擦驱动驱动带式输送机原理图 直线摩擦驱动方式的缺点在于： a 需用辅机驱动，结构较复杂，增加了总功率和辅助胶带，造价高， 拆卸和运输不方便 b 胶带跑偏调整相对困难，输送机倾角愈大，使用效果愈差 辽宁工程技束大学硕士学位论文 c 在空载或在线路上进行周期性装载时，中间摩擦驱动装置的牵引能 力降低 1 3t 型带带式输送机的驱动形式 本文要研究的带式输送机是一种新型的输送机，因为其胶带的截面呈 大写的英文字母t 型，故称之为t 型带输送机它用小功率的盘式驱动轮 驱动代替大功率驱动站滚筒驱动，通过驱动轮与t 型带驱动导轨问产生的 摩擦力来驱动胶带运行，其结构见图1 3 从驱动形式上来看，这种输送机属于多点驱动，其结构特点为： a 采用机头单滚筒驱动、中间驱动单元分散辅助驱动的驱动方式，也 可以取消主驱动装置，机头、机尾问全部采用分散的驱动单元。本文要研 究的是第一种情况； b 在普通带的底部加一个凸出的硫化驱动导轨，带的截面呈t 型，见 图l 一4 ； c t 型导轨两侧用盘式驱动轮驱动，每个驱动轮由单独的电动机驱动， 每一个驱动单元由两台电机组成； d 承载分支布置4 个一组的托辊，分别支撑带的两侧和带的底部，回 空分支布置1 个平托辊； 图1 3t 型带带式输送机结构图 e 根据实际需要，可以在两个驱动单元间布置多个无动力的导向轮以 实现水平转弯和防止带的跑偏 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 图i - 4t 型带带式输送机纵向截面图 l 上托辊2 驱动导轨卜驱动轮4 下托辊5 驱动电机 1 4t 型带带式输送机的优点 t 型带输送机由于其独特的结构和新颖的驱动方式，使其具各了普通 带式输送机所不具备的特点，其优点主要表现为： a 由于胶带的t 型结构与摩擦轮驱动，限制了输送带的运行轨迹， 可以实现普通带式输送机无法达到的小曲率水平转弯，降低了对输送线路 的要求同时具有防跑偏功能，设计中，不必采取特殊的措施来防止胶带 的跑偏在凹曲线段，有防止飘带的功能 b 胶带每经过一次中问驱动单元张力就有所降低，中间驱动单元布 置得越多。胶带的最大张力降低得越多因而可以允许以低几级带强的胶 带代替高强度胶带，能降低胶带与设各的成本这在目前我国高强度胶带 规格较少的情况下，可用价格低廉，较低强度等级的普通带式输送机作长 距离大运量的运输，从而能延长带式输送机的长度和运量 c 可以减少中转环节从而可以减少中转站，以降低投资；可以降低 物料的粉碎率；可以简化运输系统；由于不经转载，可以减少故障发生点 d 驱动装置的各部分尺寸可以大大减小，在搬运和安装上都比较方 缸宁工程技木大学硕士学位论文 s 便，可不需并下吊装设备特别在煤矿井下，由于驱动装置布置相对较低， 不需庞大的峒室，可以减少煤矿井下开采量，这对加快建井速度和节约投 资都有一定意义 e 由于t 型带输送机的转弯是通过驱动轮对胶带的推力来实现的， 所以在整个输送机全长上，可根据需要实现多点转弯如果在托辊架上安装 驱动装置和行走装置，就可以实现输送机的蛇形行走，这是其他类型的带 式输送机所不具备的功能，这也为扩展其应用领域奠定了基础 1 5t 型带输送机的研究现状及本文研究的主要内容 这种t 型带输送机是一种新型的运输设备，它的突出优点是可实现小 曲率半径水平转弯，降低带的张力。目前这种带式输送机还没有应用到现 场中，只是处于实验室研究阶段国外的一些研究中通过实验的方法分析 了这种输送机的弹性滑动、工作区特性，驱动效率、带的拉伸分布与曲率 半径的关系等问题。国内的研究不是很多，只是对这种输送机的一些主要 零部件的结构做了介绍本文拟从以下几个方面对这种带式输送机做具体 的分析： a 摩擦驱动原理，驱动处受力的数学模型； b 影响分散驱动单元驱动力大小的因素； c 驱动单元问的驱动力分配； d 水平转弯曲率半径的确定； e 主要部件的结构及参数的确定； f 与普通带式输送机性能的比较 辽宁工程技术大学硬士学位论文9 2 t 型带输送机的摩擦传动理论 2 1 摩擦传动的应用情况 在摩擦传动中，电动机的转矩通过联轴器和减速器传递给驱动滚筒( 或 驱动轮) ，驱动滚筒通过摩擦将圆周力传递给胶带，或驱动轮通过摩擦将圆 周力传递给钢丝绳或焊接圆环链，因而称这种传动方式为摩擦传动。为确 保作用力的传递和牵引构件不在驱动滚筒( 或驱动轮) 上打滑，必须满足下述 条件【1 3 ： a 对牵引构件有足够的张紧力； b 牵引构件与驱动滚筒( 或驱动轮) 的接触表面，有一定的粗糙度， 即相互有一定的摩擦力； c 牵引构件绕过驱动滚筒( 或驱动轮) ，有足够大的围包角 采用有极钢丝绳的摩擦传动，用于矿井摩擦提升系统及建筑物的电梯 ( 升降机) 中：采用无极钢丝绳的摩擦传动，用于架空运输索道、井下单吊轨 运输系统、无极绳轨道运输及一些连续运输机( 如钢丝绳牵引带式输送机) 、 钢丝绳推车机等；采用无极胶带的摩擦传动，用于带式输送机和斗式提升 机等。 2 2 摩擦传动原理 2 2 1 摩擦传动的理论基础 两个表面粗糙的物体，当其接触表面之间有相对滑动趋势或相对滑动 时，彼此作用有阻碍相对滑动的阻力，即滑动摩擦力摩擦力作用于相互 接触处，其方向与相对滑动的趋势或相对滑动的方向相反 在粗糙的水平面上放置一重为g 的物体，该物体在重力g 和法向反力 的作用下处于静止状态，如图2 一l 中左图。在该物体上作用一大小可变 化的水平拉力f ，当拉力f 由零值逐渐增加但不很大时，物体仅有相对滑 辽宁工翟技术大学硕士学位论文1 0 动趋势，但仍保持静止可见支承面对物体除法向约束力外，还有一个 ， z 图2 - i 胶带与驱动轮间摩擦力模型 阻碍物体沿水平面向右滑动的切向约束力，此力即为静滑动摩擦力，简称 静摩擦力，常以e 表示，方向向左，如图2 1 中右图它的大小由平衡条 件确定此时有 e = 0 ，= e ( 2 - - i ) 由上式可知，静摩擦力的大小随主动力，的增大而增大，这是静摩接 力和一般约束力共同的性质。 静摩擦力又与一般约束力不同，它并不随主动力f 的增大而无限度地 增大。当主动力f 的大小达到一定数值时，物块处于平衡的临界状态这 时，静摩擦力达到最大值，即为最大静滑动摩擦力，简称最大静摩擦力， 以k 表示此后，如果主动力f 再继续增大，但静摩擦力不能再随之增 大，物体将失去平衡而滑动这就是静摩擦力的特点【1 钔 在t 型带输送机中，驱动导轨相当于上面受力模型中的地面，驱动轮 相当于物块。在驱动轮与驱动导轨接触处，由于电机驱动力的作用，两接 触面间产生静摩擦力，有相对运动趋势，由于驱动轮与电机相连，电机固 定在机架上，所以驱动导轨带动胶带以速度y 沿驱动力的方向运转 实验表明：最大静摩擦力的大小与两物体间的正压力( 即法向约束力) 成正比，即 五。= f v ( 2 2 ) 式中，是比例常数，称为静摩擦系数 式( 2 2 ) 称为静摩擦定律( 又称库仑摩擦定律) ，是工程中常用的近似理 辽宁工程技术大学硕士学位论文 论 静摩擦系数的大小需由实验测定它与接触物体的材料和表面情况( 如 粗糙度、温度和湿度等) 有关，而与接触面积的大小无关【”】 静摩擦系数的数值可在工程手册中查到，表2 - - - 1 中列出了一部分常用 的胶带与各种表面为不同材料和结构的驱动轮问的摩擦系数实际上，影 响摩擦系数的因素很复杂，如果需用比较淮确的数值时，必须在具体条件 下进行实验测定 表2 一l 胶带与各种驱动轮面间的，值f 9 】【1 6 】 工作条件平的光面钢轮聚酯人字沟槽面人字槽胶面胶面 清洁、干燥0 3 5 棚4o 3 5 加40 4 m 4 50 4 潮湿、清洁o 1o 3 5o 3 5o 2 5 d 3 5 潮湿、泥水、o 0 5 o 1o 2o 2 5 0 3o 2 0 粘土 2 2 2 驱动处的受力分析 2 2 2 1 数学模型的建立 在驱动处，驱动轮以一定的压力与驱动导轨接触，以保证产生足够的 静摩擦力由于带是弹性体，在驱动导轨上有一凹陷，见图2 - - 2 。 在图2 - - - 2 中，采用下列含义符号 口驱动轮压入驱动导轨时在驱动轮上产生的包角，这里定义为压入包 角，m d ； 一 粕压入包角对应的驱动轮弧长，定义为压入弧，埘埘： 舢压入弧对应的弦长，定义为压入弦长，p p p i ； ，一驱动轮的半径，删； 一驱动轮宽度，删； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 b - - 驱动导轨厚度，删； 口6 驱动轮压入驱动导轨时的压陷量，m m 驱动导轨 图2 - 2 驱动轮工作区受力图 工作时。两侧驱动轮与驱动导轨问的受力情况相同，为分析问题方便， 现取其中一侧驱动轮为研究对象如图2 3 所示，在驱动轮与驱动导轨 的接触面上取刃弧长的单元进行分析 图2 - - - 3d 段受力分折图 珏宁工程技木大学硕士学位论文 当驱动轮以一定的压力紧压驱动导轨时，弧积段产生的支反力为 d n = 仃刃h = 盯h ，d 8( 2 3 ) 则廊段产生的摩擦力为 抒；= ，办r c o s 8( 2 4 ) 式中 口一讲段处的压应力， 砌； 口一刃段的偏角，t a d ； ，一驱动轮和驱动导轨间的静摩擦系数，见表2 一1 假设两个驱动轮作用于驱动导轨的压力相等，则驱动导轨沿宽度方 向的中间平面不发生变形所以刃段所受的应力盯可以表示【1 7 】为 盯= 印= 毛等( 2 5 ) 2 式中 磊一驱动导轨材料的横向压缩弹性模量， 砌，驱动导轨的材料为橡 胶材料； 6 一刃处对应的胶带纵向压缩量； s 一在应力口作用下所产生的应变 由图2 3 可知 6 ；，o o s 8 一，c o s = - ，( ：卜一6 ) 一 一。 则式( 2 5 ) 可以写成 盯：2 r e o l c o s e - c o s ；) 。2 7 ， 把( 2 7 ) 式带入( 2 3 ) 式中，得 讲；三= ：兰( = ! ：竺：塾靠硼叫卜。， 把( 2 8 ) 式带入( 2 4 ) 式中，得 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 哆，刚型辜塑矗。m ， 则单侧驱动轮所产生的摩擦力( 驱动力) 为 弓= 萤哆椰口 2 ：如m 掣靠。， 对上式进行计算，整理，得 乃= 掣 z 血争；甜口一c o s 詈仨+ i 1s 洫口) c 卜 由于每一驱动单元处有两台电机，且每台电机以相同的压力与驱动导 轨接触，所以每一驱动单元提供的驱动力为 乃= 珥 = 笪气竽 2 妞智矶一嘲詈( 鞋如口肛c 卜 夕 图2 - _ 4 压入弦长计算图 在式( 2 一1 2 ) 中压入包角口的大小不易量取，这里可以先量取压入弦 长再求压入包角由图2 4 中三角形的边角关系，可得 s i n 竺：4 b ( 2 一1 3 )锄_ = _ l z l j ， 2 2 ， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 口：2 a r c s i n 至( 2 - - 1 4 ) 下面来分析正压力与压入包角的关系，在 一詈，+ 罢】内对州积分，得 ：f g ；, n = e ：竽k 型咖一。2 州， 式中 ：2 r 2 e 。h 1 2 s i n 兰一口c o s 竺 ( 2 1 6 ) b l 2 2 一驱动轮对驱动导轨的正压力，。 2 2 2 2 驱动处几个参数间的关系 为分析各参数间的关系，对胶带和驱动轮的相关参数给出数值，具体数 值为：取驱动轮半径，= 1 0 0 m m ，驱动轮宽度h = 5 0 m m ，驱动导轨厚度 图2 5 驱动轮正压力与压入包角的关系图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 b = 3 0 m m ，驱动轮与驱动导轨间的摩擦系数f = 0 3 5 ，驱动导轨的横向压缩 弹性模量e o = 3 m p a ，代入到( 2 一1 2 ) 和( 2 一1 6 ) 式中，以压入包角口为 变量，得到如图2 5 和2 6 所示的线图 1 8 1 1 9 】 2 0 1 。 图2 _ _ 6 驱动力与压入包角的关系图 图2 5 和2 6 反映了驱动轮正压力与压入包角、驱动力与压入包 角的关系。从图中可以看出，正压力与驱动力和压入包角都成正比例关系。 这符合实际情况，压入角越大，说明驱动轮压入驱动导轨的深度就越大， 即正压力越大。同时，正压力越大，驱动轮就压紧驱动导轨，产生的驱动 图2 7 当量摩擦系数与压入包角的关系图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 力就越大。从宏观上看，每一驱动单元产生的驱动力与驱动轮对驱动导轨 的正压力应满足 日= a n ( 2 1 7 ) 这里，把工定义为当量摩擦系数。由上面正压力与驱动力和压入包 角比例关系，可得如图2 7 、2 8 所示的关系图： 图2 8 当量摩擦系数与正压力的关系图 由图2 8 可以看出当量摩擦系数与正压力成反比关系，这与文献 2 1 】 中通过实验得到的线图( 见图2 9 ) 一致。该图反映的是在不同的驱动轮 毫t o 瞄 o 3 06 0 90讶o 斥“辆n , m m l 晴y f - w e ! 图2 9 实验条件下当量摩擦系数与正压力的关系图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 材料和不同的工作条件下，当量摩擦系数( 图中的声) 与正压力( 图中的) 的关系，是通过实验得到的由此可知，上面的分析是正确的 表2 2 反映了在前面给出的一组数值下，口，b 、和力的数值关系 在设计输送机时，可根据实际数值建立类似的表，由此可以发现每一驱动 单元所需的驱动力尼与其他几个参数的关系。 口( t a d ) e ( n ) ( ) 石 o 0 1 7 4 5 30 0 3 1 0 1 30 0 4 4 3 0 40 6 9 9 9 9 0 0 3 堋o 2 4 8 0 80 3 5 4 4 30 6 9 9 9 6 o 0 5 2 3 6 o 8 3 7 2 91 1 9 6 1 o 6 舛垮 0 0 6 9 8 1 31 9 8 4 l2 8 3 5 2o 6 9 9 8 3 o 0 8 7 2 6 63 8 7 4 55 5 3 70 6 9 9 7 3 o 1 0 4 7 2 6 6 9 3 49 5 6 7 20 6 9 9 6 2 0 1 2 2 1 7l o 6 2 61 5 1 9 10 6 9 9 4 8 0 1 3 9 6 31 5 8 5 62 2 6 7 3o 6 9 9 3 2 0 1 5 7 0 82 2 5 6 73 2 2 7 80 6 9 9 1 4 o j 7 4 5 33 m 9 4 34 4 2 7 1o 6 9 8 9 4 o 1 9 1 9 94 1 1 6 5 5 8 9 1 5 0 目粥7 1 0 - 2 0 9 4 45 3 4 1 57 6 4 7 5o 6 9 8 4 7 0 2 2 6 8 9 6 7 8 7 49 7 2 1 2 o 6 9 8 2 o 2 4 4 3 58 4 7 2 l1 2 1 3 90 卵呵9 2 0 2 6 1 81 0 4 1 31 4 9 2 70 6 9 7 6 l 0 2 7 9 2 5 1 2 6 2 91 8 1 1 2 o 6 9 7 2 8 o 2 9 6 7 l1 5 1 3 7 2 1 7 1 9 o 鹋睁昭 0 3 1 4 1 61 7 9 5 42 5 7 7 50 6 9 6 5 6 o 3 3 1 6 12 1 0 粥3 0 3 0 5o 6 9 6 1 7 o 3 4 9 0 7 2 4 5 8 53 5 3 3 6o 6 9 5 7 6 o 3 6 6 5 22 8 4 3 44 0 8 9 30 6 9 5 3 2 o 3 8 3 9 73 2 6 64 7 0 0 2o 6 9 4 8 7 o 4 0 1 4 3 3 7 2 8 15 3 6 8 9 o 6 9 4 4 o 4 1 8 8 84 2 3 1 36 0 9 7 9o 6 9 3 9 o 4 3 6 3 34 7 7 7 36 8 8 9 70 6 9 3 3 9 0 4 5 3 7 95 3 6 7 57 7 4 70 6 9 2 8 5 o 4 7 1 2 46 3 7 8 6 7 2 2 0 6 9 2 3 o 4 8 8 6 96 6 8 7 59 6 6 7 8 0 翘1 7 2 0 5 0 6 1 5 7 4 2 j d 21 0 7 3 6 0 6 9 1 1 3 辽宁工程技术大学硕士学位论文 0 5 2 3 6 i8 2 0 3 6i1 1 8 8 il0 6 9 0 5 1 _-_-_-_-一i ii 这里，还要指出的是，为使输送机正常工作，在每一驱动单元内必须 满足g e 呢( 2 一1 8 ) 式中 一每一驱动段内由驱动单元承担的阻力 当滑动摩擦力达到最大值时，阻力再继续加大，驱动轮靠摩擦已不能 传递大于最大静摩擦力的阻力，接触面之间将出现相对滑动，即打滑在 打滑时，驱动导轨和驱动轮之间的摩擦必然要产生热量，严重时会将胶带 迅速烧坏 为避免事故的发生，在设计时驱动轮的驱动能力必须留有一定的备用 量把每一驱动单元提供的最大摩擦力定义为，嬲，将驱动力备用系数定 义为f ，由文献【1 2 取f = 1 3 一1 5 ，则 芒；f m ( 2 - - 1 9 ) 9芒=( 7 即 日= f 旅= f 呢( 2 2 0 ) 2 2 2 3 影响驱动轮驱动能力的几个因素 由e = ，= 可知，每一驱动单元处驱动力的大小与接触面间的当量摩 擦系数、接触面问的正压力有关一般情况下，正压力不宜过大因为一 方面正压力的大小取决于驱动轮轴的强度、刚度、驱动电机的安装等因素， 正压力过大，必将使驱动部分结构尺寸增大，不利于安装、检修和维护； 另一方面，机器不工作时，由于带是弹性体，过大的正压力使驱动导轨发 生凹陷变形，变形不易恢复，从而降低了带的使用寿命所以可以考虑在 一定的限度内通过调整当量摩擦系数z 的值得到预期单元驱动力的值下 面，将讨论驱动轮驱动能力与几个参数间的关系，以得到各参数与当量摩 辽宁工程技术大学硕士学位论文 擦系数的关系。 1 驱动导轨厚度对驱动能力的影响 ( a ) 正压力与压入包角的关系 ( b ) 驱动力与压入包角的关系 ( c ) 当量摩擦系数与正压力的关系 图2 一l o 驱动导轨厚度不同时各参数间的关系 取驱动轮半径r = l o o m m ，驱动 轮宽度h = 5 0 m m ，驱动轮与驱动导 轨间的摩擦系数厂= 0 3 5 ，驱动导轨 的横向压缩弹性模量e o = 3 m p a ，以 压入包角口为变量，分别取驱动导 轨厚度b = 3 0 m m ，3 5 r a m ，4 0 m m ，5 0 r a m ， 代入到( 2 - - 1 2 ) 和( 2 1 6 ) 式中， 得到如图2 1 0 所示的线图。 由图2 1 0 所示的关系，可以 看出： a 在压入包角一定时，驱动 导轨厚度越小，单元驱动力和正压 力就越大。 b 在正压力一定时，驱动导 轨厚度越小，当量摩擦系数就越大。 从上面的分析和实际工作的角 度来看，驱动导轨厚度越小，对传 动越有利。因为驱动导轨厚度小， 一方面可以减小驱动单元的空间， 另一方面有利于胶带水平弯曲和垂 直弯曲。但在驱动处，驱动导轨承 受全部单元驱动力，所以其厚度越 小，就需要其材料有越强的抗拉断 能力，这样就对驱动导轨的材料提 出了高要求。一般情况下，胶带与 驱动导轨的材料应当相同或其物理 性能非常接近，这样整条胶带在各 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 个横截面上才能有相近的物理性能，这对提高胶带的使用寿命是有利的。 所以驱动导轨的厚度不能取得过薄。 2 驱动轮宽度对驱动能力的影响 ( a ) 正压力与压入包角的关系 ( b ) 驱动力与压八包角的关系 ( c ) 当量摩擦系数与正压力的关系 图2 1 l 驱动轮宽度不同时各参数间的关系 取驱动轮半径r = l o o m m ，驱 动导轨厚度b = 3 0 r a m ，驱动轮与驱 动导轨间的摩擦系数f = o 3 5 ，驱 动导轨的横向压缩弹性模量 e o = 3 m p a ，以压入包角a 为变量， 分别取驱动轮宽度h = 5 0 r a m 、 h = 5 5 r a m 、h = 6 0 r a m 、h = 7 0 r a m ， 代入至( 2 1 2 ) 和( 2 1 6 ) 式中， 得到如图2 1 l 所示的线图。 由图2 1 1 所示的关系，可以 看出： a 在压入包角一定时，驱动 轮宽度越大，单元驱动力和正压力 就越大。 b 在正压力一定时，驱动轮 宽度越大，当量摩擦系数就越大。 由此可知，增大驱动轮宽度对 传动是有利的。但驱动轮宽度过 大，势必会增加驱动导轨的高度， 这样，胶带垂直弯曲的曲率半径增 大，从而导致驱动滚筒和改向滚筒 的半径增大。因此，驱动轮宽度不 可以取得过大。 3 驱动轮半径对驱动能力的影响 取驱动轮宽度h = 5 0 r a m ，驱动 导轨厚度b = 3 0 r a m ，驱动轮与驱动 辽宁t 程技术大学硕十学位论文 导轨间的摩擦系数，= 0 3 5 ，驱动导轨的横向压缩弹性模量e o = 3 m p a ，以 压入包角口为变量，分别取驱动轮半径，= 1 0 0 r a m 、r = 1 0 5 r a m 、r = 1 l o m m 、 ，= 1 | 5 1 - ? l l n ，代入到( 2 1 2 ) 和( 2 1 6 ) 式中，得到如图2 1 2 所示的线 图。 ( b ) 驱动力与压入包角的关系 ( c ) 当量摩擦系数与正压力的关系 图2 1 2 驱动轮半径不同时各参数问的关系 由图2 一1 2 所示的关系，可以 看出： a 在压入包角一定时，驱动 轮半径越大，单元驱动力和正压力 就越大。 b 在正压力一定时，驱动轮 半径越大，当量摩擦系数就越大。 增大驱动轮半径一方面增大 了驱动单元的尺寸，另一方面，在 驱动电机功率一定的情况下，驱动 轮半径增大，则电机提供的驱动圆 周力就减小，这样就必须通过增大 驱动电机的功率，才能使输送机正 常工作。因此，驱动轮半径不能取 得过大。 4 摩擦系数对驱动能力的影响 取驱动轮半径r = 1 0 0 m m ，驱动 轮宽度h = 5 0 m m ，驱动导轨厚度 b = 3 0 m m ，驱动导轨的横向压缩弹 性模量e o = 3 m p a ，以压入包角口为 变量，分别取驱动轮与驱动导轨间 的摩擦系数f = 0 3 5 、f = 0 3 6 、 f = o 3 8 、，= o 4 0 ，代入到( 2 - - 1 2 ) 和( 2 1 6 ) 式中，得至0 如图2 1 3 所示的线图。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 由图2 1 3 所示的关系，可以看出： a 在压入包角一定时，驱动处接触面间摩擦系数越大，单元驱动力 ( a ) 正压力与压入包角的关系 ( b ) 当量摩擦系数与压入包角的关系 ( c )当量摩擦系数与正压力的关系 图2 一1 3 摩擦系数不同时各参数间的关系 和当量摩擦系数就越大。 b 在正压力一定时，驱动处接 触面间摩擦系数越大，当量摩擦系数 就越大。 驱动轮一般为钢制的，而驱动导 轨两侧的材料为橡胶。所以，为了增 大摩擦系数可在驱动轮的表面包上 一层橡胶，必要的时候还可以在橡胶 的表面上加工一些沟槽，以得到更大 的摩擦系数。在摩擦系数增大的同 时，接触面间的摩擦磨损也加强了， 这样会影响到胶带的使用寿命。 5 驱动导轨横向压缩弹性模量对驱 动能力的影响 取驱动轮半径r = 1 0 0 m m ，驱动 轮与驱动导轨间的摩擦系数 f = 0 3 5 ，驱动轮宽度h = 5 0 m m ，驱 动导轨厚度b = 3 0 r a m ，以压入包角d 为变量，分别取驱动导轨的纵向横向 压缩弹性模量e o = 2 m p a 、 e o = 3 m p a 、e o = 3 5 m p a 、e o = 4 m p a 代入到( 2 1 2 ) 和( 2 - - 1 6 ) 式中， 得到如图2 1 4 所示的线图。 由图2 一1 4 所示的关系，可以看 出： a 在压入包角一定时，驱动导 辽宁工程技术大学硕士学位论文 轨的横向压缩弹性模量越大，单元驱动力和正压力就越大。 b 在正压力一定时，驱动导轨的横向压缩弹性模量越大，当量摩擦 系数就越大。 驱动导轨的横向压缩弹性模量越大，其压缩变形就越小，对胶带是有 利的。但每一种材料的横向压缩弹性模量是一定的，要提高驱动导轨的横 向压缩弹性模量，就必须选择合适的材料。这对胶带的加工、制造提出了 ( a ) 上e 压力与压入包角的关系 ( b ) 驱动力与压入包角的关系 图2 一1 4 横向压缩弹性模量不同时 各参数间的关系 更高的要求。 2 2 2 4 小结 上面几个线图反映了在不 同的驱动导轨厚度、驱动轮宽 度、驱动轮半径、接触面问摩擦 系数、弹性模量下，正压力与压 入包角、驱动力压入包角以及当 量摩擦系数与正压力的关系。由 上面的分析，可以得到这样的结 论： a 驱动导轨厚度与当量摩 擦系数成反比例关系：驱动轮宽 度、驱动轮半径、接触面间摩擦 系数、弹性模