（机械工程专业论文）气垫胶带输送机主要技术参数的研究.pdf

浙江工业人学硕士学位论文 论文题目中文气垫胶带输送机主要技术参数的研究 摘要 气垫带式输送机是广泛用于煤炭、冶金、建材、粮食、化工、港口等行业和部门的一 种新型带式输送机。它用气箱替换托辊，以气垫支承输送带，变输送带与托辊间的滚动摩 擦为输送带与气膜的滑动摩擦，具有运行平稳、耗能小、维修方便等优点。 气垫式胶带输送机的技术关键是形成一层均匀稳定性的气膜，气膜均匀稳定性是正确 选择气垫式胶带输送机各参数的关键。但迄今为止，对气垫机的气膜形成、盘槽形式、气 孔分布等主要技术参数的理论分析与研究还不够深入，只是在常规设计和试验的基础上进 行设计制造，许多参数之间的关系还没能精确确定。因此进一步对气挚机工作机理和应用 的研究是十分必要的。 本文研究了气垫机工作机理，分析了气垫机的结构型式及工作原理，对气垫机的主参 数作了理论分析，根据平行平板间的径向流动理论，建立了计算模型，导出了计算公式， 可作为气垫机设计理论的依据。提出了气孔布置的原则：气孔的布置应使气膜的压力和厚 度与负载平衡，故中间的孔径大、孔距小，以增加中间流量，减少压降，承受载荷的主要 部分；其余的孔沿横向向两侧逐渐减小，孔距、排距沿横向向两侧逐渐增大，此种方法称 为“三不等”方法，效果较好，气孔排数应为奇数，由中心两侧呈对称布置。在此基础上 对风机的主参数、盘槽结构型式等进行了计算机辅助设计及仿真，并进行了实际计算和设 计。 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，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。 本文所研究的成果己应用于本人负责研究开发的、应用于扬州水运码头的气垫机中， 取得较理想的效果。 关键词：气垫带式输送机，主要技术参数，研究 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nm a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa i r c u s h i o nr u b b e rc o n v e y e r a b s t r a c t a i rc u s h i o nr u b b e rc o n v e y e ri san e w t y p eo fb e l tc o n v e y o rw i d e l yu s e di nc o a lm i n i n g m e t a l l u r g i s t ，b u i l d i n gm a t e r i a l s ，g r a i np r o d u c t i o n ，c h e m i c a li n d u s t r y , p o r t ，a n dm a n yo t h e r i n d u s t i e s i tr e p l a c e sr o l l e rw i t hp n e u m a t i cg r o o v e a n ds u p p o r t st h ec o n v e y e rb e l tw i t ha i r c u s h i o ns ot h a tt h er o l l i n gf r i c t i o nb e t w e e nt h ec o n v e y e rb e l ta n dr o l l e ri sc h a n g e di n t ot h e s l i d i n g f r i c t i o nb e t w e e nt h ec o n v e y e rb e l ta n da i rc u s h i o n i th a sm a n ya d v a n t a g e s 1 i k e s m o o t h o p e r a t i o n ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n dc o n v e n i e n ti nm a i n t a n c e ，a n ds oo n t h ek e yt e c h n o l o g yo fa i rc u s h i o nr u b b e rc o n v e y e ri sh o wt op r o d u c et h eu n i f o r ma n d s t e a d ya i rf i l m u n i f o r t u i t ya n ds t a b i l i t ya r et h ek e yt oc h o o s et h ee a c hp a r a m e t e r so ft h ea i r c u s h i o nr u b b e rc o n v e y e r b u ts of a rt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds t u d yo nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s s u c ha st h ef o r m a t i o n so ft h ea i rf i l ma n dg r o o v es t y l e ，t h ed i s t r i b u t i n go fa i rh o l e ，a n ds oo n w h a tp e o p l eh a v ed o n ea r et od e s i g na n dc o n s t r u c tb a s e do nr o u t i n ed e s i g na n de x p e r i m e n t ，t h e y h a s n ts p e c i f i e dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h o s ep a r a m e t e r s a n di ti sq u i t en e c e s s a r yt og i v ea f u r t h e rs t u d yo nt h em e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o no fa i rc u s h i o n i n gm a c h i n e i n t h i sp a p e r t h ew r i t e rd o e ss o m em e c h a n i s ms t u d i e so nt h ea i rc u s h i o n i n gm a c h i n e h e a n a l y s e ss t r u c t u r a ls t y l ea n dw o r k i n gm e c h a n i s mo fi t a n dg i v e ss o m et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h e p r i n c i p a lp a r a m e t e r s a n db a s e do nt h er a d i a lf l o wt h e o r y , h ee s t a b l i s h e st h ec a l c u l a t i o nm o d e a n dd e r i v e st h ec o m p u t a t i o n a lf o r m u l ao fi t w h i c hc a nb eu s e da st h et h e o r ye v i d e n c et od e s i g n t h ea i rc u s h i o n b e s i d et h i s h ea l s op u t sf o r w a r dt h ep r i n c i p l eo fa i rh o l e d i s t i l b u t i n g a i rh o l e - d i s t i l b u t i n gs h o u l dk e e pb a l a n c eb e t w e e nt h el o a da n dt h ep r e s s u r ea n dt h i c k n e s so ft h ea i rf i l m ， s ot h ei n n e rh o l et a k e sl o n gd i a m e t e ra n ds h o r ts e p a r a t i o nd i s t a n c et oi n c r e a s et h ef l o wa n d d e c r e a s et h ep r e s s u r ed r o p ，a n db e a rt h em a i np a r t so fl o a d i n g s a n dt h eo t h e rh o l e sd e c r e a s e t h e i rd i a m e t e rg r a d u a l l yb yxw i r e ，a n di n c r e a s et h e i rs e p a r a t i o nd i s t a n c ea n da r r a yp i t c hb yx w i r e t h a ti sc a l l e dt h r e e i r r e g u l a rm e t h o d i no r d e rt og e tab e t t t e re f f e c t 。t h en u m b e ro fh o l e r o w ss h o u l db eo d d ，a n dt h eh o l es h o u l db ed i s t r i b u t e ds y m m e t r i c a l l y o nt h i sb a s i s ，t h ew r i t e r d o e ss o m ec o m p u t e ra i d e dd e s i g n sa n ds i m u l a t i o n so ft h ep r i n c i p a lp a r a m e t e r s g r o o v es t r u c t u r a l s t y l eo ft h ea i rb l o w e r b e s i d et h i s ，h ea l s od o e ss o m ea c t u a lc o m p u t a t i o n sa n dd e s i g n s t h ew r i t e ra l s om a k e ss o m eu t i l i t yd e s i g ns t u d i e so nc o m p u t a t i n gt h e o r i e so ft h et r a c t i o no f a i rc u s h i o nr u b b e rc o n v e y e r , a n dt h ef o r m a t i n gt h e o r yo fa i rf i l m e s p e c i a l l yg i v e ss o m ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so ft h er e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o no ft h ea i rf i l m i m i t a t e si tw o r k i n g c i r c u m s t a n c e a n db r i n g so u ts o m en e wr e a s o n a b l ed e s i g ni d e a sa n dm e t h o d so fa i rf i l m t h ea c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e rh a sc o m eo f rs a t i s f a c t o r i l yi nt h ea i rc u s h i o n i n gm a c h i n eo f y a n g z h o uw a t e rt r a n s p o r t a t i o np i e r , a m o n gw h i c ht h ew r i t e rt a k e sc h a r g eo fr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：a i rc u s h i o nr u b b e rc o n v e y e r ，m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，s t u d y i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 盲掀卞 日期：呵年户月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并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 人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 日期：加哆年肛月1 7 日 日期：1 年2 月，7 日 育 狠中 青妥 浙江t 业大学硕士学能论文 第1 章绪论 1 1气垫带式输送机的构成 气垫带式输送机( 以下简称气垫机) 是一种新型连续输送设备。它以气垫支承输送带， 用来输送块状、粒状、粉状等松散物料及其袋装物料。 常见的气垫带式输送机的结构原理如图卜l 所示。气垫胶带输送机运行的关键在于要 在承托面一支座和承载机构面一胶带之间形成空气膜，称为气垫，有了气垫就能显著地降低 胶带的运行阻力，从而降低能耗，提高了运输效率n 儿2 】【：l 】。 a 示意图 图1 1 气垫机简图 七至三军司 b 横断面 1 2气垫机的工作原理 空气具有一定的压力和粘性、流动性以及超压很小气膜极薄时的不可压缩性、低的摩 擦系数等一系列与机械运动有关的特性乜1 。利用空气的这些特性应用到带式输送机上，即 是将鼓风机送出有一定压力的空气通过管路进入气箱，再通过气箱上盘槽形面板上排列的 截流小孔将气流进入输送带底面与面板之间，形成一层稳定的气膜( 即气挚) 用来支承输送 带及承载的物料重量。经过驱动机构使输送带围绕滚筒运转并在气箱上运行，因输送带与 面板之间有气膜隔开，所以输送带在气箱上运行是流体摩擦，其摩擦系数很小，因而改善 了工作条件。 气垫式胶带输送机的横向截面如图卜2 所示。当压气进入封闭的气室4 后，通过盘槽 1 浙江丁业大学硕士学位论文 3 的气孔5 排出。由于胶带置于盘槽上。当压气从气孔排出时把胶带顶起，在带与盘槽间 形成一层气膜，物料2 靠胶带的支承一起在气膜上运行。输送带被浮起并可靠运行的一个 必要条件是在盘槽与输送带之间形成一层稳定均匀的气膜，其形成过程如图i - 3 所示，气 体从气孔排出后，贴近静止槽底的空气会通过最短的途径即沿横向从胶带与盘槽之间进入 大气( 卜a 方向) ：但贴近胶带的空气层，由于和胶带之间存在磨擦，因而被具有速度v a 的 胶带所带动，它们大体上沿曲线卜b 流动；所以从气孔中流出的气体是沿三角形面积i - a - b 流动并形成气膜，即图i - 3 的阴影线部分船】【钔。 图l 一2 气垫式胶带输送机工作原理 1 输送带2 物料3 盘槽4 气窒5 气孔 图i - 3 气膜形成过程 气膜在流体动力润滑理论上讲即气垫场，可根据雷诺方程加以研究，如图1 - 4 所示的 流体微单元，可得气垫场的一般微分方程嘲们： 晏f，厅s妻+旦f，厅s譬、l：一6要o 苏l融 zl 七 7 口瑟 式中，v e 一带速，u 一空气粘度，h 一气膜平均厚度，p 一气体压力 浙江工业大学硕十学位论文 ：l ：丰墨 图1 4气垫场和流体微单元分析 气垫式胶带输送机一般输送散装均匀物料，因而孚：o ，气室内的气体量在气箱全长 上基本均匀分布，故( 1 - 1 ) 式变为 旦f ，办3 至 ：o ( 1 - 2 ) 出l撖 沿x 方向的空气空量q x 为： ”：隐舻办枷面h 3 m 3 ， 可得一维气垫场微分方程： 办3 孕：一1 2 t q z ( 1 4 ) 1 3气垫机主参数研究的意义 气挚机用气室盘槽替换托辊，变输送带与托辊间的滚动摩擦为输送带与气垫间的滑动 摩擦，具有运行平稳、耗能小、维修方便等优点，可广泛应用于港口、煤炭、矿山、化工、 轻工及机械等行业。 对于气垫机的研究，国外较早，7 0 年代由荷兰首先研制成功。虽然我国对气垫机的研 制起步较晚，但近年来发展较快，在粮食码头及仓储中开始大量使用气垫机。通过使用， 尽管气垫机具有许多优点，但还存在一些不足之处，需要进一步完善和提高。迄今为止， 对气垫机的气膜形成、盘槽形式、气孔分布等理论分析与研究还不够深入，只是在常规设 计和试验的基础上进行生产制造，许多参数之间的关系还没能精确的确定嵋1 。这就给气垫 机的设计和制造带来很大的盲目性。 3 浙江工业大学硕士学位论文 近十几年来，国内和国外生产的气垫机都出现过由于主参数确定不合理引起输送效率 不足，输送带摩擦盘槽等质量问题，给用户造成很大损失。如1 9 8 4 年由英国s i m o n c a r v e s 公司为中国大连港提供的2 条总长3 6 0 m 输送效率1 0 0 0 t h 的气垫机，由于气孔不足，气 量太小，发生过输送带“压死”现象；1 9 8 5 年由英国s i m o n c a r v e s 公司为中国天津港 提供的8 条总长2 1 0 5 m 输送效率1 0 0 0 t h 的气挚机，据天津港人员介绍，实际输送能力在 8 0 0 t h 左右，b c 0 1 和b c 0 2 两条气挚机在运行初期遇潮湿天气常发生“飘带 和“擦边 现象，b c o i 气垫机驱动功率由3 0 k w 后改为5 5 k w ，减速器也加大；还有1 9 9 7 年英国a s c 公司为上海港民生码头制造的1 2 0 0 t h 气垫机，因气孔分布不合理，造成输送效率只能达 到原设计能力的5 0 ，后经改造增加气孔的数量才能使用。正因为存在上述问题，对气垫 机的机理和主参数作进一步的探索和研究是十分必要的，从而为气挚机的设计和使用奠定 理论基础3 3 引。 1 4 国内外概况、研究动态及发展趋势 气垫带式输送机是7 0 年代荷兰首先研制成功的。所见较早系统介绍气垫带式输送机 的文献是荷兰t w e r t e 大学c 0 j o n k e r s 的“输送机胶带利用气膜代替托辊一空气带式 输送机可供选择”。之后，荷兰s l u i s 公司开始制造气垫带式输送机。近年来气垫带式输 送机f 1 益引起人们的重视，美国、英国、俄罗斯、日本和加拿大等国都在加紧研制和生产， 有关气垫带式输送机的专利已有几十项。国外主要的生产厂家有荷兰s l u i s 公司、英国 s i m o n - c a r v e s 和n u m e c 公司、美国的w o l v e r i n e 公司等，产品销售到几十个国家和地区。 初期多用于输送面粉、谷物和木屑等密度较小的散状物料，近几年来才开始用于输送磷酸 盐、矿石等密度较大的散状物料，并逐步向长距离、大运量方向发展h 儿7 1 。 在我国，1 9 8 5 年天津港和大连港分别引进了s i m o n - c a r v e s 公司的气垫带式输送机。 1 9 8 6 年原煤炭部规划设计总院研制成功了带宽l 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。太原重机学院、合肥煤研所和东北大学等单位也分别进行了气垫 带式输送机的开发工作。据统计目前国内已有几百条气垫带式输送机在运转乜1 。 虽然我国对气挚机的研制起步较晚，但近年来发展较快。太原重机学院于1 9 8 0 年对 气垫机的机理最先进行研究，并建立静态试验台：1 9 8 2 年与山西原平机械厂合作试制出第 一台样机并进行动态试验；1 9 8 4 年在进行工业性试验的基础上，又与煤炭部规划设计总院 合作，研制出带宽1 m ，机长9 7 m 的气垫机，安装在北京矿务局王平村煤矿，一举获得成功， 4 浙江工业大学硕十学位论文 在国内引起很大反响。国内在设计理论上也有所突破，创建了三不等理论。有的厂家还编 写了气垫机设计选用手册，绘制了设计图纸，做了大量的技术准备工作。进入9 0 年代， 由于气垫机具有很多优点，因而逐渐被人们所认识并得到了进一步的发展，许多厂家纷纷 上设备上工装，结合国内用户需求进行了设计和制造。1 9 9 2 年鹤壁市太行机械厂为焦作电 厂试制了4 条输送效率5 5 0 t h ，总机长5 0 7 m 的气垫机；1 9 9 4 年郑州气垫输送设备厂为郑 州第二面粉厂试制了7 条输送效率1 5 0 t h ，总机长3 7 0 5 m 的气垫机；1 9 9 7 年河南信阳港 口运输机械厂为大连港制造了1 5 条输送效率1 0 0 0 t h ，总机长2 5 0 0 m 的气垫机。据介绍， 近几年来我国气垫机的年产量占全国普通托辊带式输送机年产量的1 0 口引。实践表明气垫 机在我国已受到普遍欢迎，逐渐被人们所青睐，具有广阔的市场发展潜力。 气垫带式输送机具有以下显著的特性： ( 1 ) 耗能少。气垫带式输送机以气垫代替托辊支承，变滚动磨擦为流体磨擦，大大 减少了牵引力和运行阻力，在输送量和工艺条件相同的情况下，功率消耗比托辊输送机节 约1 0 2 5 ，输送量越大，输送距离越长，节能效果越显著。 ( 2 ) 重量轻。由于气箱采用箱形断面，气垫带式输送机的纵向支架可承受较大弯矩 和扭矩；又因托辊数量极少( 仅在输送机两端各设几套过渡托辊) ，胶带层数和厚度较少， 自重较轻，单位自重的强度系数与刚度系数比较大，从而大大提高了设备的超载能力。 ( 3 ) 寿命长。气垫带式输送机便于实现全线防护式密封，同时由于胶带张力小，摩 损少、不跑偏，不撕带，加之气挚对胶带有冷却作用，故而胶带寿命可延长卜2 倍，设备 使用寿命也比托辊输送机长得多。 ( 4 ) 维修费用低。气挚带式输送机用气垫代替了托辊支承，转动部件少，事故点少， 可靠性强，摩损小，从而大大减少了维修工作量和维修费用。实践证明，气垫输送机比托 辊输送机节约维修费用6 0 7 5 。 ( 5 ) 输送平稳，工作可靠。托辊输送机运行中，输送带是波浪式向前运行，物料颠 簸、撒料严重，胶带跑偏、摩损大。气垫输送机完全克服了上述缺点，运行十分平稳，不 颠簸，不撒料，不跑偏，不扬尘，不会把散料的粒度自动分级，特别适宜输送按工艺比例 配制好的混合散料。 ( 6 ) 启动功率低，可以直接满载启动。托辊输送机的启动功率大，一般约为运行功 率的1 5 2 5 倍，并且难以实现全线满载启动。气垫带式输送机只要形成稳定的气垫层之 后，驱动电机的启动功率与运行功率相差甚微，并且在全线满载时，无须采取任何辅助措 施便可轻易直接启动。 ( 7 ) 输送能力高。气垫带式输送机最佳运行速度3 - 4 m s ，最低运行速度0 8 m s ，最 5 浙江工业大学硕十学位论文 高可达1 2 m s 。因此，可大大提高输送能力。加之其装料断面大，平稳性好，在同一输送 量和工艺条件下，气垫机可减少卜2 级型号，即托辊输送机需采用b 1 2 0 0 时，气垫输送机 只需采用b 1 0 0 0 或b 8 0 0 ；托辊机采用6 层强力带，气垫机只需用3 - 4 层普通胶带或轻型带， 从而大大节约了成本。 ( 8 ) 宜于密封，污染少。气垫带式输送机沿机长设有密闭气箱，可以进行全线密封， 易于安装防护罩及安全设施，宜于密闭输送和安装吸尘装置，污染少，噪声小，净化环境， 实现绿色生产。 1 5主要研究内容 本课题的主要研究内容是： 1 ) 气垫机气膜润滑机理和主参数的研究； 2 ) 计算机辅助设计； 3 ) 气垫压力数值模拟； 4 ) 输送机动态分析连续模型及计算机仿真； 5 ) 设计和选型专家系统； 6 ) 计算机优化设计通风机主参数； 7 ) 优选盘槽结构型式； 8 ) 设置溢气装置，解决气挚不均匀问题： 9 ) 设置卸压阀门，解决停机惯性问题； 1 0 ) 研究新型导料槽，解决气垫机跑偏问题： 1 1 ) 设置隔声和减振装置，解决通风机噪声问题。 1 6成果应用前景、经济和社会效益预测 由于气垫机具有很多优点，因而近年来逐渐被人们所认识，并得到了飞速发展。目前 国内生产气垫机的厂家已达数十家，生产数量也突破猛进。自1 9 9 5 年起，我国每年生产 的气垫机总长在5 0 k m 以上，占我国普通托辊带式输送机年产量的1 0 。较早以前，气垫机 用来输送松散密度为0 5 2 5 t m 3 的各种散料口引。国内外现用它输送烟草、木屑、谷物、 煤、矿石等。实践表明，气垫机对物料的块度、对工作环境均无特殊要求，可在较恶劣的 6 浙江工业大学硕士学位论文 工况下工作，适用于大运量、高速度、长距离运送。为了在输送中保护物料质量，避免过 托辊时的振动造成损坏，可选用气垫机。由此可见，气垫机是理想的各种散料输送设备， 可应用于各行各业，具有广泛的应用前景。 由于气垫机用气室盘槽替换托辊，变输送带与托辊间的滚动摩擦为输送带与气垫间的 滑动摩擦，因而运行平稳、耗能小、维修方便。据初步统计，气垫机耗能比普通托辊输送 机低1 0 一3 0 ，维修量少7 0 ，经济效益十分显著聃儿1 0 1 。气垫机可做成全封闭型，能防止物 料在运行过程中粉尘外逸，运行噪声也很低，工作环境好，社会效益也十分显著。 浙江工业人学硕士学位论文 第2 章气垫机气膜润滑机理和主参数的研究 2 1 气膜润滑机理及气压分析 2 1 1 基本理论 因气垫的压力很小且流速不高，故空气可视为不可压缩的流体，其粘度可视为常数； 又因气垫厚度相对于盘槽半径很小，故将弧形的气垫展开，假设为直线形的气垫h 儿1 0 儿1 。 这样可用雷诺方程研究气垫场气垫压力的分布。该方程为： 丢 厅3 罢 + 参 y 3 罢 = 。 c 2 一- ， 式中，h 一气垫厚度，m ，p 一气垫压力，n m m 2 若气垫是平行的，即气垫厚度h 均匀，则气挚厚度h 恒定不变，且与x ，y 无关，此时 方程( 2 1 ) 变为： 窘+ 鲁= 。 治2 ， 图2 1 为将弧形盘槽及一段输送带展开后的气垫厚度示意图。设气室盘槽上开有n 排 直径为d i ( i = l ，2 ，n ) 的d q l ，忽略空气重力的影响有下列边界条件： x = 0 p = p 8 ( 2 3 ) x = + b 2 p = 只 ( 2 - 4 ) x = + l 2 尸= 只 ( 2 - 5 ) 式中，b 一带宽，m l 一所研究输送带长度，m p b 一气室压力，n m m p a - 输送带边缘气垫压力，n m m p c - 输送带中央气垫压力n m m 8 浙江工业大学硕十学位论文 根据分析有： 图2 1 弧形盘槽及成槽形后输送带间气垫厚度 - r f f - 11 ， p o f 、yi 、i、t 、i 、j 、i j 二 p - 图2 - 2 呈线性变化的气垫厚度 = 警c o s p ( 2 6 ) = 警( 2 一c 。s 移) + 9 棚0 b ( 、l c o s 秒斗锄口s i n 秽) ( 2 - 7 ) 其中， q 口每米输送带质量，k g m e 输送带成槽形后槽角，度 p 一有效带宽对应的槽角( 有效槽角) ，度 j 了 l 浙江工业大学硕士学位论文 a - - - 输送带上物料堆积角，度 气垫带式输送机在实际运行时，带及其上物料的重心并不能准确地与盘槽中心线( 图 2 - 1 中y 轴) 重合；物料在输送带纵向上的堆积高度不等，其压力也不同；在同一输送带横 断面内加载一般也是不均匀的。因此，在对应的横向和纵向( 图2 - 1 的x 、y 轴) 压力分布 是不对称的；气垫厚度沿x 向是变化的。为简化计算，假定加载均匀，即沿输送带纵向压 力不变，则沿y 向气垫厚度h 保持不变h 1 2 3 。这时，沿盘槽横向气垫不是平行的，而是以 y 轴为对称轴的楔形( 见图2 - 2 ) 。方程( 2 - 1 ) 在边界条件( 2 3 ) 一( 2 - 5 ) 下无法用解析法求 解，需用数值法确定气垫场压力分布，这里用有限单元法。 在已知的x y 平面内划分出一定数目的矩形单元，这些单元有r 个结点每个单元内 压力分布可用各自结点r 的压力值表示，因此压力可用与结点r 有关的形函数n i ( x ，y ) 表 示。 出 p = i n i f p ) = f ( x ，y ) ( 2 8 ) ，= i ( x ，y ) = j i ( q x + 鱼j ，) 式中，q ，岛一矩形单元边长之半，m a 一矩形单元而积，m 2 ( 2 9 ) 根据方程( 2 - 1 ) 将方程( 2 - 8 ) 改写成积分形式有 ，c p ，= 三办3 ( 罢) 2 + 向3 ( 考) 2 方 c 2 一- 。， 方程( 2 - 1 0 ) 给出每个单元独立的函数关系式。为简化每个单元结点压力的计算，给 o ：1( i ：l ，2 ，3 ，r )( 2 1 1 ) a p t 由式( 2 - 11 ) 得到单元的刚度方程 引= 。 浯脚 这里 k 乃= s h s a n , 一百o n i 等一o n o y i d a 设沿x 向气垫厚度h 呈线性变化( 图2 - 2 ) 。若输送带及其上物料载荷的重心位于盘槽 浙江工业大学硕士学位论文 中心线，对盘槽中央单元，为对称载荷，其压力可将各单元的气垫压力叠加；而对于除盘 槽中央单元以外的其它单元，作用的载荷是偏心载荷，亦可将各单元的气垫压力叠加。对 输送带及其上物料重心与盘槽中心线不重合的情况，亦可用同样的方法处理。 2 1 2 气孑l 的压力分布 空气由气室经小孔出流后的压力损失主要有两个：一是空气加速的能量消耗，一是小 孔出流的压力损失。因这些损失很小，空气经小孔进入气垫场时的压力近似等于气室压力。 但我们在实验中发现，经小孔后空气的压力首先下降，然后在较短的距离内又回升。这主 要是由于空气经小孔后产生局部涡流所致h 川，因目前尚无空气经小孔后在气孔附近压降 的数据，故确定气孔附近压力变化的规律由实验数据进行回归分析。 图2 3 静态试验台 1 结构架2 气室3 毕托管4 倾斜微压计5 连接风管 6 u 型压力计7 测压管8 气室盘槽9 输送带l o 物料 图2 3 为气垫带式输送机静态实验台。其主要参数如下：气室长度l o = 2 6 8 m 带宽 b ：1 2 0 0 m m ；试验用输送带长l = 2 5 m ；单位长度带重q o = 2 1 5 6 n m ：试验用物料褐煤；物料 松散密度y = 9 8 0 0 n m m 3 ；圆弧形盘槽槽角o = 3 8 。；圆弧半径r = 9 0 5 m m 。 图2 4 为每排孔孔径均为3 o m m 。物料在输送带上堆积角a = 1 5 0 时中央气孔附近的压力 变化曲线。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 4 气孔附近压力变化曲线 2 1 3 气垫场压力分析 将气垫场划分为1 2 1 个结点的1 0 0 个矩形单元后进行计算，得到在y = o 的横断而上气 垫压力值如图2 5 所示。 一o 一o 鹅 一o 靼一o 2 4 0 1 20 。0 i t , a o 飘o 弱o 0 图2 5气垫场压力 图2 5 给出压力计算公式得到的压力分布理论曲线以及压力实测值。由图可见：用有 限元法所得结果与实测值很吻合，与理论曲线也比较吻合。 经理论研究和实验证明，用有限元法分析气垫场的压力分布是确实可行的；空气经小 孔流出后压力首先下降，然后回升到某一稳定值，该稳定值为带及其上物料产生的压力， 故经小孔后压力的下降对整个气垫场影响很小n 1 7 1 。 浙江工业大学硕十学位论文 2 2气垫胶带输送机主要技术参数的分析计算 2 2 1 气垫压力p f 根据流体动力学原理：“压力取决于外界负荷f 1 1 8 ，气垫胶带输送机主要负载是单位 长度上输送胶带重量及其输送物料的重量，与生产率q 。、带宽b 、带速v e 以及输送物料的 容重圪、盘槽形式有关，见图2 6 ，图2 7 。 b ? ：戮 广7 k 州， 图2 - 6 负载带子的横断面带子与盘槽的气膜压力为p f 图2 7 输送胶带微单元的受力分析 气垫压力：p f = p k p o ；令= p o p f ，则 片= 只( i - - 占) 又： 耳= 最+ 丢g 跗+ 日 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 浙江工业大学硕士学位论文 其中，p k ：气箱进口气压：( n m 2 ) p o ：槽低气孔的压力降；( n m 2 ) p b ：胶带重量所需的压力；( n m 2 ) b ：输送带边缘间距离；( m ) g b m ：每米胶带重量；( n m ) h ：胶带上物料高度；( m ) e ：气孔阻尼系数，常取= 0 8 ( 小气压下即相对压力小于1 个大气压) 若p k 恒定，太大即气孔直径小，p o 增大，因而p f 减小，这时气压损耗增大，但 气膜压力随外界压力变化而变化的程度减小，空气膜比较稳定；但e 过大即孔径过小， 气孔中气流速度加大，v a v b 将增大，又不利于气膜的均匀性。 e 太小即孔径过大，则p o 减小，p f 增大，空气气压损耗减小；但p f 随外界变化而 变化的程度增大，气膜很不稳定，但对气膜的均匀性有好处n 1 9 1 。综上所述，阻尼系数e 大小是衡量系统惯性大小的量度，为保证气膜既均匀又稳定，气压损耗不大，一般设计时 的经验数值为0 8 左右。 如：生产率q m ( 一般指体积输送量) 可用下式计算： 鲸= c b 2 = 0 1 l 3 1 5 = 0 3 1 5 ( m 3 s ) 若输送煤炭则重量输送量的生产率为鳓 鳓= 0 3 1 百5 x 百3 6 0 矿0 x 1 0 0 0 0 其中：= l x l 0 4 n m 3 ( 煤炭重量) 带宽b = l m = 11 5 7 ( t h ) = 3 2 1 ( k g s ) c ：盘槽常数( 圆弧形c o 1 ) q 为每米带子上物料重量，其算法如下： =既=丽321q = 1 0 2 k g m = 既= _ = g b m = i o 7 k g m ( 选用“运输机设计手册数据) 耳= ( 1 0 2 + 1 0 7 ) xi = i1 2 7 堙m 2 = i1 0 5 p a 取阻尼系数= o 8 浙江工业大学硕士学位论文 则气孔压力降 p o = 占乓= 8 8 4 p , , 气箱压力 最= 昂+ 昂= 1 9 8 9 若选用鼓风机压力在3 0 0 0 pa 以上，能满足输送机的工作条件。 第二种计算方法： 耳= 最+ 丢g 删+ h = 器+ o 2 1 1 0 3 = 2 1 1 k gl 所2 du y ， 如h = o 1 2 m ；则 耳= 1 3 1 k g m 2 = 1 2 8 4 p a e o = 1 0 2 7 p a ；最= 2 3 11 p a ； 精确计算方法如图2 8 图2 8 装料断面示意图 么= 2 a l = 2 吾 ，e c ( ，一厅) = 2 导【1 2 0 0 l o o o 一9 7 l 1 0 9 7 】= o 3 1 4 ，2 按运输手册规定： 彳= y b 2 = 0 3 1 2 m 2 y 一断面系数 每米带子上物料重 g：业型：1367k998 j 每米带子及负载重为 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 从以上计算得 1 3 6 7 + 1 0 7 = 1 4 7 4 k g 斥= 1 4 4 5 p a ；p o = 11 5 6 p a ；最= 2 6 0 1 p a ； 耳= 1 1 0 5 1 4 4 5 p a 2 2 2 空气流量q a 根据流体动力学空气层流状态雷诺数r e 2 3 2 0 时，气层厚度6 为常数，当气速v 、 流长l 、缝厚6 的压力降： p ：12 , u v 。a l 6 万= ( 半) j 对于梯形盘槽的斜边长a 下的压力降( 图2 - 9 ) 图2 - 9 梯形断面的气垫厚度 p = 心口s i n o ； 体积流量9 。= 2 圪万；空气粘度心； 则 万_ ( 警) j ； 如丽6 i a q a , 扣l6 徊z a q a m ) j ； 如pa - 1 8 5 5 x1 0 5 ( n s m 2 ) ( 2 0 。c 时) 则 1 6 ( 2 一1 7 ) 浙江工业大学硕十学位论文 万= 0 0 4 8 f ，卫y ms l i n o ) - ； ( 2 1 8 ) 上式为近似计算气垫厚度，弧形槽及斗形槽亦可用此公式。 由式可知，平均气膜厚度随流量增加而增加，但增加到一定量时，气膜厚度就增加很 少。如图2 - 1 0 所示。 ( 帕) 0 5 0 4 答 o 3 j o 2 i o 。l _ 一一 一 ， | oo 2d 4o 6 一- ；惹茅 q - 0 81 o m j 唧 图2 - 1 0 平均气膜厚度与流q a 。、容重、盘槽倾角0 的关系 气流速度取决于流量的大小，因此近似计算时，可以先确定气垫厚度万后，再计算体 积流量q a m 而万是由设计时盘槽的加工安装等精度来确定n 3 m 5 引。 如确定气垫要求厚度为 万= 0 7 5 m m = 0 0 0 0 7 5 m 则 = 0 0 0 0 7 5 1 聊3 s ：6 1 6 0 m 3 h 或已知g = 6 0 0 0 m 3 h = 1 6 6 6 m 3 s o a n l = 鱼l = o 0 1 8 5 m 3 j 聊 万：0 0 4 8 f ，虹1 - - 0 7 4 3 m m l s i n o ) 即6 = 0 7 4 3 m m 时：体积流量q ，= 0 0 1 8 5 m 3 s m 0 r 饥 一口 l 卑= 铝 = m q 浙江工业大学硕士学位论文 气箱长9 0 m 时，总流量g = 6 0 0 0 m 3 h = 1 6 6 6 m 3 s 此外，从空气损耗来计算流量： 厶警等 设 r i x = 0 6 ；锄= 0 3 1 5 m 3 s ；l = 9 0 m ；f a = 0 0 0 6 ；h = o 1 2 m 则 幺。= 0 0 0 5 2 5 m 3 s - 朋；q = 0 4 7 2 5 m 3 s = 1 7 0 1 m 3 h 如： 六0 0 0 8 时：q = 2 2 6 8 m 3 s 因此，从气垫厚度要求来计算流量由于压力降及其它因素，算出的流量比较大，而空 气损耗系数f a 与带速成反比，带愈高f a 愈小，如图9 - 1 1 所示： o i o o 鹪 f 、 l 1 l 、 o 一 、 1 t - - l 1 k一 、- 鼢一 一 - a 。id 1 0 。j融z g m ，- 竺1 5 n m = 0 6 0 oo sl 。0 - v 1 5 2 o m 售 图2 11 支承座总损耗与带速的关系 2 2 3 阻力系数f 阻力系数即其损耗系数f ，其基本公式仍按库仑摩擦定律： f = f g 式中f 是当摩擦系数是f 时，克服一个重量为g 的物体的滑动阻力所需的力。这个力 推动物体g 产生速度v b 所需的功率为n ，则： 骶 舭 吆 仉 限 位 lj+季l 浙江工业大学硕士学位论文 n = f = 声； nn = 丽。霸丽； 瓯( 物悃= 警 g 8 ( 带子重) = 2 g 口。上； 则每米长度上的f 值： ，：丝 。锄+ 2 式中：肘一单位长度上的功耗 v b m 一单位长度胶带重 鲸一输送机的体积运输量 对于鼓风机消耗功率： 以：t 足q a ：堑丝； n 。 ：墨堕：! ! 兰! 垒坠 q i ( 研x 其中q 一鼓风机的风量 空气损耗系数 ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ：一g 。 q 。2 。 弦 厶= 菇一v 2g 2 2 ，川 刁( y 。q 材+ 占矗。) ” 怕7 若吒忽略：厶挚 仇 对胶带损耗系数： f 8 = f 虬+ f b l 以。一空气粘性造成的气膜摩擦： 厶：一胶带与盘槽间静摩擦损耗系数： 若气膜平均厚度为6 ，每数长度上气膜摩擦阻力为： ：_ a y b 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 n b m 喝阶掣 厶。=丽nbm = y m s i n0 1j盟y,qm+vb2gb, ( 2 2 3 )