（机械设计及理论专业论文）扁管带式输送机阻力与参数优化的研究.pdf

贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 中文摘要 早在1 9 8 9 年，瑞典就研制生产了扁管带式输送机。目前在国内，还很少见 到对这种输送机的设计及参数优化研究方面的报导。扁管带式输送机除了具有普 通带式输送机的优点外，还具有大倾角输送、可空间弯曲布置、密闭输送、防扭 转等优点。因此，本文对扁管带式输送机的运行阻力与部分参数优化方面进行了 深入的研究，可为这种新型带式输送机的研制和开发打下一定的基础。 本文围绕扁管带式输送机的运行阻力，详细探讨了扁管带式输送机托辊的压 陷阻力、楔形挤压阻力及输送带的弯曲阻力。提出了扁管带式输送机的压陷滚动 阻力计算的一个精确计算方法；综合运用散体力学和材料力学知识，分析物料在 输送过程中所处的状态和输送带形状的变化，通过能量守恒定理，推导出楔形阻 力的计算公式；理论计算出了扁管带式输送机输送带的弯曲阻力系数，并分析了 影响弯曲阻力系数的因素。 近年来对机械系统进行优化设计方法越来越重要，通过优化可以降低设备 成本、提高设备的效能。本文根据扁管带式输送机载料断面形状，建立了托辊载 料断面各参数优化设计的数学模型，从而使输送机的运输能力得到最大限度发 挥；在保证输送机正常运行的条件下，以托辊数目多少为设计变量、运行的最小 功率消耗为目标函数，最终获得最佳托辊间距；拉紧力的变化方式对输送机的动 张力和拉紧装置的位移影响很大，按照优化的拉紧力变化曲线规律控制拉紧力 时，可以减小动张力变化的幅值和拉紧装置的最大位移，使运行更加平稳。 关键词：扁管带式输送机；阻力分析；参数优化 a b s t r a c t i n1 9 8 9 ，s w e d e nd e v e l o p st h ef l a t p i p eb e l tc o n v e y o r a tp r e s e n t ，t h i sk i n do f b e l tc o n v e y o ri sn o tp r o d u c e d ，t h er e s e a r c h e so l lt h ed e s i g na n dt h eo p t i m i z a t l o n m e t h o d so ft h ep a r a m e t e r sa b o u tt h ef l a t p i p eb e l tc o n v e y o ra r es e l d o mr e p o r t e dm c h i n a t h ef l a t p i p eb e l tc o n v e y o rh a st h ea d v a n t a g e s o v e rt h eo r d i n a r yb e l t c o n v e y o r s ：s e a l e d u pr u n ，s t e e pt r a n s p o r t a t i o n ，t h r e e - d i m e n s i o n a lc u r v e t r a n s p o r t a t l o n a n dp r e v e n tt h ec o n v e y o rb e l tt o r s i o n t h e r e f o r e ，t h ea r t i c l eh a s c o n d u c t e dr e s e a r c ht o t h ed e s i g na n dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so ft h ef l a t 。p i p ec o n v e y o ra n dc a l l b u i l da b e t t e rf b u n d a t i o nf o r t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft h i sk i n do fn e w b e l tc o n v e y o l t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h er e s i s t a n c e so ft h ef l a t - p i p eb e l tc o n v e y o r i td i s c u s s e s t h eb e l te x t r u s i o nr e s i s t a n c e ，w e d g e - s h a p e dr e s i s t a n c ea n d f l e x u r a lr e s i s t a n c eo fb e l t i nd e t a n a na c c u r a t ec a l c u l a t i n gm e t h o df o rb e l te x t r u s i o n r e s i s t a n c ei sp u tf o r w a r d u s i i l gt h ek n o w l e d g eo fm e c h a n i c so fm a t e r i a l s ，e n e r g y c o n s e r v a t i o nt h e o r e m a n a l y z i n gt h ec o n d i t i o no fm a t e r i a la n dt h es h a p ec h a n g eo fb e l t ，i t a l s og i v e st h e c a l c u i a t i n gm e t h o do ft h ew e d g e s h a p e dr e s i s t a n c e s b e s i d e s ，i tc a l c u l a t e s t h ef l e x u r a l r e s i s t a n c ec o e f i c i e n to ft h ef l a t - p i p eb e l tc o n v e y o ri nt h e o r ya n da n a l y z e sa n dt h e i n f l u e n c eo fi t sf a c t o r s m a c h i n e r ys y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tm r e c e n tv e a i s t h ee q u i p m e n tc o s tc a l lb er e d u c e da n dt h ee f f i c a c yo fe q u i p m e n t c a nb e r a i s e db vt h eo p t i m i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h et r a n s e c to ft h ef l a t p i p eb e l tc o n v e y o r ， t h i sp a p e rs h o w saw a yt ow o r ko u tt h eb e s tp a r a m e t e r sb yb u i l d i n ga n ds o l v i n gt h e m a t h e m a t i c sm o d e l u n d e rt h er e g u l a rw o r k i n gc o n d i t i o n o ft h ef l a t p i p eb e l t c o n v e v o r t h eb e s tr o l l e rs p a c i n gb e t w e e nr o l l e r sc a n b ec o n d u c t e d ，t a k i n gt h er o l l e r n u m b e ra st h ef u n c t i o nd e s i g n i n gv a r i a b l e a n dt h ew o r k i n gm i n i m a lp o w e r c o n s u m p t i o na st h et a r g e tf u n c t i o n t h ec h a n g ew a yo ft e n s i o n i n g f o r c eh a v ea i l o b v i o u se f l e e to nt h et e n s i o na n dt h es l a c ka d j u s t e r ，w h i c hc a n b ei m p r o v e dw h e nt h e t e n s i o n i n gf o r c ec h a n g e sa c c o r d i n gt ot h et e n s i o n i n go p t i m i z i n g c u r v e k e yw o r d ：f l a t p i p eb e l t c o n v e y o r ：r e s i s t a n c ea n a l y s i s ：o p t i m u md e s i g n 2 贵州火学机械工程学院2 0 0 8 属硕。i ：毕业论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除丈中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期2q q 泣驽豳 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 槲：御孵各叫 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 1 带式输送机概况 第一章绪论 第一节带式输送机现状 带式输送机是以输送带作牵引和承载构件，通过承载物料的输送带的运动进行物料输送 的连续输送设备。带式输送机已有1 5 0 余年的历史，早期的输送带是用皮革之类的材料制成， 或用皮革加纤维织物制造。早在1 7 9 5 年美国就已将它用作输送谷物的工具。1 9 2 0 年以后， 带式输送机成为输送煤炭、铁矿石的主要设备，部分取代卡车及火车运输，以求节省运输费 用。近年来，随着工业和技术的发展，作为现代散状物料连续运输的主要设备，带式输送机 不仅应用于企业内部的运输，也已广泛应用于冶金、化工、矿山、电站和港口等工业领域。 大运量、长距离、高带速的散状物料输送己成为带式输送机的发展主流。 目前，带式输送机运输系统在散料输送方面已处于主导地位，并显示出它特殊的经济性。 带式输送机与铁路、船舶、管道输送及其他输送相比，有如下优点i z 3 ： ( 1 ) 输送物料种类广泛 输送物料的范围可以从很细的各种粉状物料到大块的矿石、石快、煤或纸浆木料，以 最小的落差输送精细筛分过的或易碎的物料。由于橡胶输送带具有较高的腐蚀性，在输送强 腐蚀性或强磨损性物料时维修费用比较低。 ( 2 ) 输送能力范围宽 带式输送机的输送能力可以满足任何要求的输送任务，既有轻型带式输送机完成输送量 较小的输送任务，又有大型带式输送机实现每小时数千吨甚至上万吨的输送任务。 ( 3 ) 输送线路的适应性较强 对于卡车运输来说仅能适用原有自然地形的坡度为6 8 ，而输送机线路可以适应地 形，在空间和水平面上弯曲从而降低基建投资，并且能避免在厂内和其他拥挤地区，以免受 铁路、公路以及河流、山脉的干扰。带式输送机的运输线路是十分灵活的，线路长度可以根 据需要延长。 ( 4 ) 装卸灵活 带式输送机可以根据工艺流程要求灵活地从一点或多点受料，也可以向多点或几个区段 卸料。 ( 5 ) 可靠性强 带式输送机的可靠性已为所有工业领域中的使用经验所证实，它的运行极为可靠，在许 多需要连续运行的重要生产单位，如在发电机厂内煤的输送，钢铁厂和水泥厂散状物料的输 送以及港口内船舶装卸散装物料等，都获得了广泛的应用。 ( 6 ) 较高的安全性 5 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 带式输送机具有很高的安全性，需要的生产人员较少，与其他运输方式相比较，发生事 故的机会比较小。不会因大块物料掉下来而砸伤人员或由于大型笨重的车辆操纵失灵而引起 事故。 ( 7 ) 费用低 带市输送机系统运送每吨散状物料所需要的劳动工时和能耗，在所有运输散状物料工具 中通常是最低的。而且她所占用维修人员的时间少，较小零件的维修和更换可在现场很快地 完成，而且维修费用低。 一 随着国民经济的发展，带式输送机的应用越来越广泛。目前，带式输送机的主要发展方 向是设备的大型化和新型结构的特种带式输送机。 2 带式输送机的种类 带式输送机可以从不同的角度进行分类。 2 1 按承载能力分 轻型带式输送机：专门用于轻型载荷的输送机。 通用带式输送机：应用最广泛的带式输送机。 钢绳芯带式输送机：应用于重型载荷的输送机。 2 2 按可否移动分 固定带式输送机：输送机安装在固定的地点，不需要移动。 移动带式输送机：输送机具有移动机构，如轮、履带等。 移置带式输送机：通过移动设备变换设备的位置。 可伸缩带式输送机：通过储带装置改变输送机的长度。 2 3 按输送带的结构形式分 普通带式输送机：输送带为平型，带芯为帆布或尼龙帆布或钢绳芯。 钢绳牵引带式输送机：用钢丝绳作为牵引机构，用带有耳边的输送带作为承载机构。一 压带式输送机：用两条闭环带，其中一条为承载带，另一条为压带。 钢带输送机：输送带是钢带。 网带输送机：输送带是网带。 管状带式输送机：输送带围包成管状或用特殊结构输送带密闭输送物料。 波状挡边带式输送机：输送带边上有挡边以增大物料的截面，倾斜角度大时，一般在横 向设置挡板。 花纹带式输送机：用花纹带以增大物料和输送带的摩擦，提高输送倾角。 2 4 按承载方式分。 托辊式带式输送机：用托辊支撑输送带。 气垫带式输送机：用气膜支撑输送带。 深槽型带式输送机：加大曹深，除用托辊支撑外，也起到对物料的夹持作用，可增大输 6 一 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 送倾角。 2 5 按输送机线路布置分。 直线带式输送机：输送机纵向是直线，但在铅垂面上可有凹凸变化曲线。 平面弯曲带式输送机：在平面上可实现弯曲运行。 空间弯曲带式输送机：在空间可实现弯曲运行。 2 6 按驱动方式分。 单滚筒驱动带式输送机。 多滚筒带式输送机。 线摩擦带式输送机：用一个或多个输送带作为驱动体。 磁性带式输送机：通过磁场作用驱动输送带。 第二节扁管带式输送机设计基础 扁管带式输送机是一种新型的带式输送机，它采用普通输送带，通过托辊围成扁管形状， 可密闭弯曲输送物料。扁管带式输送机几乎具有通用带式输送机的所有优点，如生产率高、 运转费用低、结构简单和输送物料范闱广和能适用于各种场合等，但它还具有其它连续输送 设备无可比拟的优点。其主要特点简要说明如下： ( 1 ) 防止物料和环境污染 扁管带式输送机的输送带呈扁平管状包裹物料密封运行，不仅能防止物料飞散、撒落而 污染环境，而且还能使物料避免环境的影响，保证输送物料的质量。因此，扁管带式输送机 特别适应于输送粉状、颗粒状或有毒、有害物料。 ( 2 ) 弯曲半径小，省去了中间转载站 由于扁管带式输送机的垂直、水平弯曲半径很小，且垂直、水平弯曲角度均可达到9 0 度，输送线路可沿空间弯曲布置，故可根据不同场合灵活布置输送线路，且可省去中间转载 装置，特别适用于厂矿内需绕过建筑物或其它障碍物的物流输送场合。 ( 3 ) 输送倾角大，缩短了输送机的水平机长 由于在扁平管状输送带的搭接处安装有弹性压辊，它对物料和输送带产生的压紧力增大 了物料的内摩擦力及物料及输送带间的摩擦力，不但可以防止物料撒落，而且在大倾角或垂 直输送时，可以避免物料产生同流现象。弹性压辊的压力可根据需要进行调节，即使在不满 载时，输送带也能夹裹住物料。在某些提升高度较大的场合，它可取代斗式提升机，避免转 载，从而可节省费用和空间，使输送系统更加简单和紧凑。 ( 4 ) 输送带无跑偏现象，并能防止扭转 因其构造原理决定了扁管带式输送机在输送过程中，不会产生输送带跑偏现象，也能防 止输送带扭转，从而减少了维护费用。 ( 5 ) 可双向输送物料 由于扁管带式输送机在承载段和回程段均采用封闭管筒输送，如果在回程段加装受料 7 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 口，回程段仍然可以输送物料，并且中间加料可在任何点通过打开和封闭输送带完成。 随着国家经济的发展，更高效率的要求和保护环境意识的提高，有着独特运输方式及诸 多优良特点的扁管带式输送机势必成为散粒物料输送方面的重要选择。因此，对扁管带式输 送机设计及参数优化设计的相关研究在很多方面都有着重要意义。 目前，对新型扁管带式输送机的设计、阻力及其参数研究不多，很少见到这方面的报导。 1 扁管带式输送机的工作原理 扁管带式输送机是在普通带式输送机的基础上发展起来的一种新型带式输送机，它靠摩 擦驱动使输送带及其上的物料移动，并通过托辊组施加强制力将平形输送带导向成扁平管 状，使输送物料被密闭在扁管内，从而在整个输送线路中实现封闭输送的设备。 扁管带式输送机的工作过程：物料从尾部加料漏斗处进入加料段，输送带由平形变成u 形，再经过过渡段逐渐变为扁平管状，把物料包住密闭运行，它可以水平转弯，垂直转弯和 做三维方向路线变化。输送到头部过渡段时，扁平管状输送带由u 形渐渐展成平形，把物料 卸载。承载、回程分支输送带均可形成扁平管状运行。 2 扁管带式输送机的组成及其主要结构 2 1 扁管带式输送机的组成 扁管带式输送机主要由结构部件机架、头部漏斗、电动机、制动器、减速器、联轴器与 液力耦合器等组成。其中结构部件机架包括桁架、支架、栏杆、托辊、防护网、格栅板、输 送带、滚筒、头部装置和尾部装置等，主体机架为桁架和支架结构，主要由角钢、槽钢、工 字钢和圆钢等型钢组成。 2 2 扁管带式输送机的主要结构 扁管带式输送机和普通带式输送机一样，也分为装载、卸载、中间线路、驱动、张紧等 部分。如图1 2 1 所示： 8 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 图1 2 1 扁管带式输送机结构布置示意图 1 机尾改向滚筒2 加料装置3 拉紧装置4 输送带5 转向托辊组6 变角度托辊组7 垂直扁管段托辊组 8 水平扁管段托辊组9 机头传动滚筒l o 卸料装置l 】。清扫装置 它与普通带式输送机的主要区别在于托辊的布置和安装方式，物料从位于机尾过波段加 料装置2 加到输送带上后，与机尾滚筒1 相切的平状输送带，经若干组过渡托辊，逐步被卷 成扁平管状，包裹物料进行密闭输送。在扁管输送带的过渡段和输送段，每一托辊组，由一 个弹性压辊装置1 和五个普通托辊2 组成，如1 2 2 图所示。扁管状输送带上部的搭接长度 约占带宽的1 8 ，在其上部安装的弹性压辊用以增大物料的内摩擦力及物料与输送带间的摩 擦力，并保证输送带的密封。 l 弹性压辊2 普通托辊 一i ， 广j 己r 一、) n 一。) 1 丑 卜 1 广、!l ，、 乙f1 、) l- 图1 2 2 扁管带式输送机托辊示意图 通过改变托辊组的布置线路和安装方式，可以根据需要迫使输送带改变走向。用若干组 沿9 0 。圆弧线布置的托辊组5 可侵输送带作9 0 。的垂直输送。当需要输送机作水平弯曲输 送时，可采用变角度托辊组6 使水平状扁管逐步扭转成垂直状扁管，经沿水平圆弧线布置的 托辊组7 进行水平弯曲输送，这样可大大减小输送机的转弯半径。当水平弯曲结束时，可再 经若干交角度托辊组将垂直状扁管恢复为水平状扁管。图1 2 2 所示为进行水平弯曲时，用 若干变角度托辊组将水平状扁管逐步扭转成垂直状扁管的示意图( 为清晰起见，图中仅画了 扭转角为4 5 。时的断面图) 。最后，在机头过渡段，通过若干过渡托辊组，将水平扁管逐渐 展平，在机头滚筒9 处卸料。在整个重载输送段，输送带都呈扁管状。在网空段，输送带通 常呈平状，若需返回密闭输送物料时，也可使输送带呈扁管状。 输送带的接头可以采用硫化接头，也可以直接采用由厂方供应的环形带。在机尾过渡段， 如果把输送带从展平状自然直接地卷成扁平管状，将会使输送带受到极大的附加应力作用。 为避免这种情况，可首先用若干组过渡托辊组，将平状输送带逐步卷成u 型槽，紧接着再用 若干过渡托辊组，将u 型槽输送带逐步压成扁平管状( 机头过渡段，则是机尾过渡段的反过 程) 。图1 2 3 所示为在机尾过渡段，输送带由平状经三组托辊逐步卷成u 型槽的示意图。 图1 。2 。4 为输送带由u 犁槽经二组托辊逐步压成扁平管状的示意图。 9 - 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕j j 毕业论文 图1 2 3 输送带由平状逐步卷成u 型槽 图1 2 4 输送带由u 型槽逐步压成扁平管状 扁管带式输送机的过渡段是从滚筒中心至输送带压卷成扁平管状的这段距离，由于输送 带输送方向的原因，分别有头部过渡段和尾部过渡段。加料口一般设置在尾部过渡段内，在 此过渡段内，输送带断面由原来的直线形逐步过渡为槽形，最后同物料一起压卷成扁平管状； 在输送段，输送带同物料起作稳定运行；当到达卸料段后，输送带同物料一起由扁平管状 过渡为槽形，并在头部滚筒处展开为平形而卸料，在回程分支输送带可以是平状的也可以是 扁平管状的。所以输送带是展开受料，封闭输送和再展开卸料依次循环运行的工作过程，如 图1 2 5 所示。 垩亘围 臣= 一= i 司 图1 2 5 扁管带式输送机原理图 2 3 适应扁管带式输送机的输送带 扁管带式输送机输送带往返行过程中，要不断重复着张开和封闭的动作，同传统带式输 送机的输送带相比，要有一些更高的要求。 因此，扁管带式输送机的输送带庹该满足： ( 1 ) 良好的柔性，以适应小半径曲线段的弯曲运行时的挠曲： ( 2 ) 良好的成槽性，应在运行的过程中保持稳定的扁平管状： 1 0 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 ( 3 ) 良好的封闭性，可以通过柔性边缘形成良好搭接，防止粉尘逸出； ( 4 ) 打开和闭合输送带的过程中稳定的动态连续负载特性，以便提高输送带寿命； ( 5 ) 在某些特殊场合，还要求扁管带式输送机输送带具有耐磨、抗热、防火、防油、 防爆等特殊性能。 扁管带式输送机输送带的交迭摩擦在传统带式输送机中是不曾有的，但是在扁管带式输 送机的载荷计算中，考虑到它对于托辊受力的重要影响，这个摩擦力不能忽略。因此，应降 低扁管带式输送机输送带交迭部分的摩擦，就可以降低整个输送机的运动摩擦阻力，设计时 应特别予以考虑输送带的开度随着预拉力的增大而迅速减小，所以要保持输送带良好的成管 性，要给输送带足够的预拉力。但是，托辊法向载荷和纵向载荷也会随着预拉力的增大而增 大，所以预拉力也不能太大，选择适宜的预拉力很重要。 3 扁管带式输送机的设计理念 3 1 扁管带式输送机系统设计 由于造价和设备结构原因，选用扁管带式输送机应该是一种解决手段，而不是目的，是 受到地形、环境等要求限制下的一种输送方案，不应该为了采用扁管带式输送机而采用它。 在进行扁管带式输送机设计计算的过程中也要遵循一定的设计原则。 当确定采用扁管带式输送机来完成散料输送后，面对的问题就是如何经济合理地设计出 输送机系统。设计时，往往是生产工艺要求确定输送机的布置。输送机系统的设计需要考虑 下列问题： 【1 ) 合理的转载方式，提出给料装置和卸料装置的要求。 ( 2 ) 输送机线路上输送机之间的相互关系。起动顺序是受料的输送机先起动，停机 顺序是给料的输送机先停机。 ( 3 ) 环保要求。 ( 4 ) 设备移置能力的要求。 ( 5 ) 零部件的标准化和通用化及易损件的供货可能性。 ( 6 ) 选用适应工艺要求倾角的输送机。 3 ，2 扁管带式输送机设计依据 在设计之前了解对设备的要求，这些要求就是设计的依据。 ( 1 ) 运输_ ：晕= 。料流均匀时能够直接给出运输量，当料流不均匀时可以考虑给出料 流量的基本统计数据。 ( 2 ) 输送机路线的详细尺寸。包括最大长度、倾角及提升高度，直线段、曲线段 的尺寸和连接尺寸等。 ( 3 ) 物料的性质。 ( 4 ) _ 3 2 作条件和环境状况。 ( 5 ) 给料和卸料方法。 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 ( 6 ) 工作制度。每天的运转时间、每年的工作天数、输送机的服务年限要求等。 1 2 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 第二章扁管带式输送机几种阻力研究 输送机的阻力计算是输送机设计计算的主要内容之一，本章将主要讨论扁管带式输送机 的几种主要阻力及其影响因素。 第一节扁管带式输送机各种阻力探讨 扁管带式输送机如同其它运输机械一样，在运行中会受到各种各样的运行阻力。通常情 况下，扁管带式输送机的运行阻力可分为四大类【3 6 】：输送线路上的主要阻力；各输送机部 件上的附加阻力；输送载荷引起的提升阻力以及由各种特殊装置产生的特种阻力。 1 主要阻力 扁管带式输送机主要阻力是出现在输送线路上的，也就是说是在输送带运行中输送带、 物料和托辊之间相互作用所产生的阻力。输送线路上的阻力可由以下几个部分组成： ( 1 ) 物料的挤压阻力 这是由丁托辊间的输送带呈悬垂形曲线和物料具有一定的内摩擦力和粘结力造成。这种 阻力除了与物料本身的特性有关外，主要与输送带的载荷和输送带张力有关。当输送带张力 较大时，输送带的垂度减小。物料的挤压和拉伸程度缓和，表现出来的阻力较小。 ( 2 ) 输送带的弯曲摆动阻力 由于输送带呈曲线状，因此输送带在通过托辊时，反复地被正向弯曲和反向弯曲。这种由 输送带弯曲产生的阻力称为输送带的弯曲摆动阻力。这种阻力主要和输送带上的载荷及输送 带的张力有关。 ( 3 ) 输送带在托辊上的压陷阻力 由于输送带的覆盖胶具有一定的弹性和硬度，因此在重力作用下会被压陷在托辊上。在 输送带的运行中，压陷区不断地在输送带上移动，也就是说输送带的下覆盖胶不断地被压陷， 因而产生了运行阻力。这种阻力与输送带张力无关，而主要和输送带的载荷和覆盖胶的硬度 弹性有关。 ( 4 ) 托辊的运行阻力 托辊的运行阻力由托辊轴承摩擦阻力和密封装置的阻力组成。而且密封装置的阻力占有 较大部分。根据测定，托辊的运行阻力主要与托辊的转速有关。在通常的载荷范围内，随载荷 大小的变化不入。 1 3 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 2 附加阻力 附加阻力是指发生在输送带运输机头部驱动站和尾部改向站上各个局部部件上，包括以 下几部分： ( 1 ) 在装料点对物料的加速引起的阻力和物料与输送带间的摩擦阻力 因为物料在落到输送带上之前所具有的速度无论在方向上还是大小上都与输送带的速 度不同，它在输送带速度上的投影速度，一般来说小于输送带速度。因此，输送带必须对物料 进行加速。使它和输送带起运行。并且由于两者速度的差别，出现了相对摩擦。对物料加 速的力量和摩擦表现为输送带的运行阻力。 ( 2 ) 物料在加速区域内与侧向导料板之间的摩擦阻力 它是由于物料流对侧向导料板具有压力的缘故。当物料运动时，就产生了摩擦阻力。 ( 3 ) 清扫器摩擦阻力 清扫器以一定的压力乐在输送带上，当输送带运行时，就产生了摩擦阻力。 ( 4 ) 输送带在滚筒上的改向阻力 由于输送带具有一定的弹性和塑性，当输送带在滚筒上改向时它首先被弯曲，然后又被 拉直。弯曲时需要输入能量，拉直时，则将储存起来的变形能释放，由于输送带不是完全弹性 材料，释放出的能量小于输入的能量。这样就消耗了一定的能量。这部分能量表现为输送带 的改向阻力。输送带在滚筒上改向时，由于张力的作用覆盖输送带也会被压陷。但是由于接 触面积大，压陷的程度极小。因此压陷阻力可以忽略不计。 ( 5 ) 改向滚筒的轴承摩擦阻力 它与轴承的载荷成正比，可以通过输送带张力和摩擦系数来求得。 3 特殊阻力和提升阻力 特殊阻力是不经常出现的阻力，也不是每一个扁管带式输送机都有的。因此，只有在出现 这个阻力项目时，才加以考虑。 提升阻力是由于扁管带式输送机倾斜铺设而造成的。是重力分力，与提升高度有关。当 向上运输时取正，向下运输取负。 以上是扁管带式输送机的全部运行阻力。对于扁管带式输送机来说，输送机运行阻力的 绝大部分来自于主要阻力。主要阻力的计算是由在整个输送距离上运动质量作用于垂直于输 送线方向的重力的分量与一个主要阻力系数厂的乘积得到的。主要阻力系数厂实际上是一 个等效的摩擦系数。它包括托辊旋转产生的摩擦阻力，输送带的压陷损耗、弯曲损耗，物料 的碰击损耗和托辊安装误差所产生的阻力等因素。 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 第二节扁管带式输送机托辊压陷阻力的理论分析 输送机稳定工况运行时，阻力主要由主要阻力、附加阻力、特种阻力和提升阻力四部分 组成。在这些阻力中，物料的提升阻力随提升高度而变，是可以精确进行计算的；附加阻力 反映的是加料处物料的加速阻力；特种阻力反映的是清扫、卸料以及托辊前倾阻力，它们根 据具体的结构形式来确定。而主要阻力又包括托辊运行阻力和挤压阻力，如图2 2 1 所示。 主 戳 图2 2 1输送带的阻力组成 现在通用的计算方法( 3 句是用一个托辊运行阻力系数来计算其主要阻力，这种方法没有充 分体现胶带的性能，对于短距离输送机来讲，精度是足够的随着现在输送机长距离、大运 量、高带速，输送带带芯材料的改善，使得带的张力越来越大，这种方法就显得过于简单。 目前随着计算工具的日趋完善，有必要对输送带的压陷滚动阻力进行理论分析。 输送带压陷滚动状态分析 1 1 输送带压陷滚动状态分析 输送带压陷滚动状态如图2 。2 2 所示，输送带静止在托辊上时( 图2 2 2 - a ) ，输送带 支撑在托辊的钟弧上，相对托辊断面的垂直中心线对称。当输送带在托辊上以速度v 向右 运动( 图2 2 2 - b ) 具有粘弹性的输送带在( q 带十q 物) 班载荷作用下( q 带和q 物分别 为单位长度输送带和物料的质量，g 为重力加速度，三为托辊间距) ，压迫在刚性托辊上， 因为橡胶的滞后性，所以仅有口6 弧作为支撑表面。假设输送带与托辊间没有滑动，输送带 的移动速度v 与托辊转速c o 满足下式： v ：! 卅( d 为托辊直径) 。 2 。 - 1 5 一 ( 2 2 1 ) 贵型奎兰垫堕三堡兰堕! 竺! 壁堡主兰些笙奎一二 l l - _ - - _ - _ 一。一 厂 、 o 们舭 乃狻移x 险x c 、1 弋 s r ( a ) 输送带静止在托辊上 s + 厶s _ ( b ) 输送带在托辊上运动 图2 2 2输送带压陷滚动状态 1 2 几点假设 1 假设输送带与托辊间为纯滚动，没有滑动摩擦阻力。 2 假设输送带在全厚度上同性，忽略带芯的项，同时与橡胶的变形相比，托辊变形忽略 不计。 1 6 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 3 输送带在垂直方向上仅有q 带和q 物作用在托辊上，即不考虑输送带的张力对输送带的 压陷滚动阻力的影响。 4 输送带通过托辊后，两端张力在同一直线上，即假设输送带在托辊间无下垂。 2 输送带压陷滚动阻力计算 2 1 受力分析 如图2 2 3 所示，在承载段d 6 弧上取出微弧单元，凼单元和带宽召面积上所受 的载荷驯= 础出，方向为外法线方向。西弧上的合力在垂直方向的分力支承输送带和物 料载荷( q 带+ q 物) 班，在水平方向的分力即为托辊压陷阻力： n c o s a = g ， n s i n a = 丛 即有下列积分表达式： a c r b d x = g 意叮b d y = 怂 ( 2 2 2 ) 图2 2 3输送带压陷滚动受力分析 2 2 橡胶的应力应变关系 橡胶的单向压缩应力一应变关系公式【4 8 】( 2 2 3 ) 在小变形情况下( o 8 五1 2 ) 满足公式( 2 2 4 ) ： 仃= e ( 2 1 2 2 ) ( 2 2 3 ) 仃= e ( 2 1 ) 1 7 一 ( 2 2 4 ) 贵州大学机械t 程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 弘盱南卜 亿2 6 ， 叫卜手一南卜丛 3 结论 本文通过详细的理论推导给出了计算单个托辊处输送带压陷滚动阻力的计算分式，沿输 送线路全长的托辊压陷阻力与托辊数成正比。这对于在输送机的动态设计计算中，进行张力 计算和功率计算，提供了可行的阻力计算公式。便于利用计算机精确计算。由于假设，在计算 公式中没有考虑橡胶剪切对压缩的影响。本文仅为理论推导，有待在实践中进一步修正。 1 8 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 第三节扁管带式输送机的楔形挤压阻力分析 扁管带式输送机是在槽形带式输送机基础上发展起来的一种新兴环保型特种带式输送 机自于1 9 7 9 年进入实际应用阶段以来逐步在矿山电厂港口冶金化工建材食品等行业推广 成为带式输送机的发展方向之一。 由于扁管带式输送机结构等方面的特点，运行阻力较普通带式输送机大。原因有以下方 面：首先因为多边形托辊组中托辊数目较多，使得托辊运行阻力和压陷阻力增大：另外，还 有如下所谓楔形阻力的产生：输送段的输送带是由多边形托辊组强制将卷成扁管状的，处于 相邻两托辊组之间的扁管状输送带会因其本身的刚性以及失去托辊组的约束而使其扁管状 断面变大或变形。一般情况下，物料在扁管输送带内的充填系数达7 5 左右，而当输送带进 入六边形托辊组时，又得被强制成型为设计成的扁管状，输送带连同其内的物料就受到挤搓， 好像楔子一样，我们形象地称由此而产生的阻力为楔形阻力。本文就是以边形托辊组的扁 管带式输送机为例对楔形阻力进行理论分析及计算。 楔形阻力的产生机理分析 假设从扁管带式输送机的尾部加料，那么物料在扁管带式输送机中被输送的过程如下： 物料在扁管带式输送机尾部被装入输送带中，物料会被卷入逐步卷成扁管状的输送带中：输 送带在六边形托辊组间运行时，由于物料和输送带的重量及输送带本身的弹性等，在离开托 辊组时输送带的搭接处有张开的趋势，且在两托辊组间输送带会下垂；而在进入托辊组的过 程里，由于受到六边形托辊组的限制，输送带会由张开状态逐步变成托辊组限制的扁管形状， 同时其中的物料会受到挤压；在卸料区段，输送带由扁管状逐渐展开，物料也就逐步松散，直 至卸出这里我们所谓的楔形阻力，就是指在扁管成形阶段和进入六边形托辊组时，当输送带 及输送的物料进入六边形托辊组时，由于输送带连同物料受到挤搓而产生的阻力 2 物料对扁管状输送带管壁的侧压力 2 1 假设 ( 1 ) 扁管带式输送机的输送物料在输送过程中始终处于松散状态； ( 2 ) 在输送过程中，扁管输送带的截面始终保持扁管形状，在输送带搭接部分结合紧密， 且沿扁管的竖直对称轴呈对称分布： ( 3 ) 假定扁管带式输送机输送带内的物料在其穿出六边形托辊组后的a 2 ( 口为相邻两托 辊间距) 距离内的主动应力的大小是不变的； ( 4 ) 假定扁管带式输送机输送带内的物料在其进入六边形托辊前的a 2 ( 口为相邻两托辊 间距) 距离内的被动席力的火小是不变的： 1 9 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 ( 5 ) 假定输送带本身不变形。在有约束时，扁管带式输送机的输送带完整闭合；在无约 束时，扁管带式输送机的输送带在搭接处有张开的趋势。 2 2 进入托辊组的过程中物料对圆管壁侧压力的计算 2 2 1 在扁管状输送带中心线以上部分物料对管壁作用力的计算 在计算过程中，假设所输送物料的粒度较小、堆积断面的上部为三角形，动堆积角为口。 对充填率为7 5 的情况来说，角a 所对应的弧长不大，可近似以直线代替进行分析。根据散 体力学，把中心线以上物料在扁管中的堆积形状近似为在垂直壁容器中的堆积形状，如图 2 3 1 所示。 图2 3 1 计算简图 物料对管壁有侧压力作用，物料对管壁侧向力为： e 2 一p g h l 鲁l 疗一1 0 巧 ( 2 3 1 ) 式中p 物料的密度，k g m 3 风一微元体在物料中的深度，m m a 托辊间距，m g 一重力加速度，m s 2 己一中心线以上部分物料与管壁接触的弧长，肌所 以一一被动侧压应力系数 此时的摩擦力为 乃2 = l ? g h 。号上疗。1 0 一 ( 2 3 2 ) 方向沿管壁向下。 2 2 2 在扁管状输送带中心线以下部分物料对管壁作用力的计算 在扁管状输送带任一截面从1 2 托辊组间距处运行到进入多边形托辊组的过程中，物 料受到夹楔。取扁管输送带和物料接触部分处的单位长度的三棱体微元a b c ，建立如图2 3 2 所示的坐标系，分析微元的受力。 物料深度为h 处的乖直压应力为 盯。= p g h l o 刁 ( 2 3 3 ) 2 0 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 式中p 一物料的密度，船m 3 一微元在物料中的深度，m m g 一重力加速度，m s 2 在讲的微元弧段上有以下方程成立 s = sj ，( 刀, , 。g s i n o g c o s 2 0 + c o s o g s i n 2 0 ) 式中厅舢啊被动侧压应力系数 入f l l y 图2 3 2 单兀体受力分析 在d l 的微元弧段上有以下方程成立 d n _ 三讲一吼兰尺( 驯 d f | i 飞d l | f t y r2 r ( d 8 ) 式中棚一作用在微元上的法向力， 矾一作用在微元上的摩擦力， 五一物料与输送带内壁的外摩擦因数 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 把柳和珥分别钕轴和y 轴上投影，分别得到投影极轴柳轴上的力，并在区间 【0 ，2 1 _ k 进行积分，整理后得 = p g o 2 5 d 2 口1 0 。6 【5 砌+ 忙o s a - $ f n p ，5 砌笔】( o 1 9 6 1 ，l 州。z + o 2 5 厂l 疗m 口善+ 0 1 9 6 1 f + 0 2 5 ) + ( o 17 9 3 n+ f 2 3 7 + ，+ 82),n0 01 7 9 3f02 1 1 、 r a a x1m 口j o ( 2 3 6 ) 勺= p g o 2 5 d 2 口1 0 。6 删，l 墨+ ( c o s a - s i n f l ) 咖笔】( o 2 5 n , a x - f l l l m a x 0 1 9 6 1 0 2 5 + 0 1 9 6 1 、+ ( 0 2 3 7 0 nf ，l0 1 7 9 3 0 2 1 8 2 f4 - 0 1 7 9 3 ) 1、 r t l “。1m a x o1一 ( 2 3 7 ) 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 2 2 3 侧压应力表达式 扁管带式输送机六边形托辊组各个托辊的受力分析情况如图2 3 3 所示：其中n m 表示 侧压应力；n 成表示使输送带卷成扁管状的成形力；n o 表示托辊承受的输送带和物料的重力。 由于托辊组中的托辊呈对称布置。在理论上应有： n 成5 图2 3 3 托辊组受力分析 侧1 。侧3 ，n 侧2 。侧2 成1 。3 ，彪。4 根据力学知识可以求解出瘌1 枞4 的表达式： n g l ( 2 3 8 ) m 32 倔12j f e f y 。g 一2 0 2 j i 州成3 + n 0 3 + 成4 一n g 2 。成2j 4 侧42 侧623 ( 4 n 0 2 + 4 成2 。4 n 成2 3 成5 ，。 侮+ 2 02 。2 0 ， ( 2 3 9 ) 2 3 离开托辊组的过程中物料对扁管壁侧压力的计算 在扁管状输送带任一截面从托辊组运行到1 2 托辊组间距处的过程中，物料由受夹楔变 为松垮，同时在输送带内部的物料受到主动应力作用。 该部分计算与物料在进入托辊组的过程中对扁管壁的侧压力的计算思路基本相同。根 据2 2 节的计算步骤就可以得剑输送带在离开托辊组过程中物料对管壁的侧压力，为 ， l 1 侧32 侧l2i 2 母。g - 2 0 2 j 。；j 茂3 + n g 3 + 成4 n g 2 - n 成2 ) 2 2 贵州大学机械工程学院2 0 0 8 届硕士毕业论文 n 侧4 = n 侧6 = ( 4 n g 2 + 4 成2 4 成2 3 n 成5j - 詈俺+ 2 0 2 。2 0 j ( 2 3 ，1 0 ) 式中 n 侧3 、n 侧1 、n 倜4 、侧6 输送带离开托辊组过程里物料对管壁的侧压力，n 。 。 其中 0 = p g o 2 5 d 2 a l o e s i n 墨+ ( c o s a s i n f l ) s i n 虽2 ( o 1 9 6 k f 1 n 0 2 5 0 1 9 6 1 厂+ o 2 5 ) + ( 0 1 7 9 3 n 加0 2 3 7 0 0 1 7 9 3 + 0 2 1 8 2 ) o17 、，埘。1m a x o1 ，一 f f 2 l 一 l p g h ll n 血 式中刀舶h 物料主动侧压应力系数 以晌。t a n 2 ( 4 5 。一詈， 缈物料内摩擦角，度 3 楔形阻力