皮带机组成、布置、传动理论

1 一 皮带机基本组成一 皮带机基本组成 带式输送机的基本结构如图一所示 带带式式输输送送机机组组成成示示意意图图 1 尾尾部部改改向向滚滚筒筒 2 导导料料槽槽 3 中中间间架架 4 输输送送带带 5 下下托托辊辊组组 6 上上托托辊辊组组 7 拉拉紧紧装装置置 8 驱驱动动架架 9 驱驱动动滚滚筒筒 10 卸卸料料器器 11 驱驱动动电电机机 12 联联轴轴器器 13 软软起起动动装装置置 14 减减速速机机 带带式式输输送送机机组组成成示示意意图图 1 尾尾部部改改向向滚滚筒筒 2 导导料料槽槽 3 中中间间架架 4 输输送送带带 5 下下托托辊辊组组 6 上上托托辊辊组组 7 拉拉紧紧装装置置 8 驱驱动动架架 9 驱驱动动滚滚筒筒 10 卸卸料料器器 11 驱驱动动电电机机 12 联联轴轴器器 13 软软起起动动装装置置 14 减减速速机机 图一 带式输送机组成示意图 1 尾部改向滚筒 2 导料槽 3 中间架 4 输送带 5 下托辊组 6 上托辊组 7 拉紧装置 8 驱动架 9 驱动滚筒 10 卸料器 11 驱动电机 12 联轴器 13 软起动装置 14 减速机 2 3 4 二 带式输送机的类型及布置方式二 带式输送机的类型及布置方式 1 常见固定式带式输送机的类型 常见固定式带式输送机的类型 皮带机类型皮带机类型设计要点设计要点 平运带式输送机 1 如何保证停车时间 2 如何保证电机功率平衡 大倾角 上运带式输送机 1 如何防止皮带机倒转 2 如何保证电机功率平衡 3 如何防止大倾角皮带机物料的滚滑 大倾角 下运带式输送机 1 如何防止皮带机飞车 2 如何防止大倾角皮带机物料的滚滑 长距离起伏式 带式输送机 1 如何确定驱动方式 集中驱动 头尾 驱动 中间驱动 线摩擦驱动等 2 详细计算各种运行工况后确定基本配 置 平面转弯带式输送机转弯半径的确定 2 常见皮带机的布置方式 常见皮带机的布置方式 图二 常见皮带机布置方式 三 皮带机典型部件的分类三 皮带机典型部件的分类 3 1 驱动装置驱动装置 5 带式输送机的驱动装置的作用是为带式输送机提供牵引力 主 要由电动机 减速器 传动滚筒等组成 目前对驱动装置的研究主 要集中在软启动问题上 现在实际应用的软起动装置有以下几种 1 调速型液力耦合器 调速型液力偶合器的工作原理是 偶合器工作腔内充入一定量 的工作液 工作轮泵轮从电动机上获得机械能 并转化为液力能 推动 涡轮旋转 涡轮把液力能转化为机械能 通过输出轴输出 带动工作机 工作 周而复始 实现了从原动机到工作机之间的能量传递 3 液力耦合器的结构简单 维护量小 能够实现软起动 适应于 恶劣的工作环境 但因其传动有 3 5 滑差 效率损失在 2 左右 4 目前液力耦合器的技术已经比较成熟 在带式输送机及其他装 备中应用非常广泛 随着节能降耗的要求以及加工制造技术的提高 液力耦合器技术也得到一定发展 能量传递损失进一步降低 并提 出许多新型高效液力耦合器技术 例如无滑差液力耦合器等 2 电软起动 电软起动控制器以反并联的晶闸管组为开关 以软起动交流调压 方式限制电动机的起动电流 以使该电动机拖动带式输送机平稳地过 渡到额定转速 完成软起动 电软启动的体积小 价格便宜 低压 但考虑到谐波影响 选 用电机时要加大容量 一般应增加 20 30 起动瞬间 会先有一个 很短时的全压起动 待输送带运动后 再实现软起动 但此时已造成对 输送机的瞬时冲击 必须与限矩型液力偶合器配套使用 由于降压起 动 低转速时 电动机输出转矩不大 不能实现满载起动 不是真正意义 上的软起动 4 目前传统的降压起动已经逐渐淘汰 新型电软启动使用可控硅 降压 并利用全数字技术对电机的电压与电流进行控制以实现软启 6 动 3 液体粘性软启动装置 工作原理 主动轴带动主动摩擦片旋转 通过摩擦片之间的粘性液 体油膜的剪切力带动从动摩擦片旋转 通过电液控制系统 调节摩擦 片间的油膜厚度 控制输出扭矩 实现平滑启动及无级调速 5 液体粘性软启动装置使用 PLC 为控制核心 加 减速度调节范 围大 能提供平滑的起动力矩 大大提高输送机的寿命 电动机能空载 起动 电气和机械冲击小 能实现多电机驱动功率平衡 能对传动系统 进行过载保护 提高使用寿命 与电动机的匹配特性良好 能实现重载 起动 传动效率较高 功率损耗小 缺点是每个液体粘性软启动装置需 要一个液压站 电液维护要求较高 5 液体粘性软启动装置是目前比较先进的软启动装置 能够很好 的与现有驱动设备匹配 具有良好的互换性 能够很好的对现有的 皮带机进行现代化改造 目前国内的液粘技术已经比较成熟 其应 用越来越广泛 是一种很有前途的高技术机电一体化产品 4 CST 系统 CST 是一个带有电 液反馈控制及齿轮减速器 在低速轴端装有 线性 湿式离合器的机电一体化驱动系统 由美国道奇公司设计 通过计算机编程 可以对起动加速度精确控制 但国产化率低 相 比液体粘性软启动装置性能基本相当 成本高 亟需国产化降低成 本 4 5 变频调速装置 变频调速装置主要由功率器件 GBT 绝缘栅极可控晶体管 控 制器与电抗器组成 其工作原理是通过控制器来调节功率器件中的 绝缘栅极 使进入功率器件的交流电源的频率发生变化 根据公式 所示 n 为电动机转速 f 为交流电源频率 p 为电动机极对数 电 p f n 6 7 动机转速与交流电源频率成正比关系 4 当交流电源的频率由小到 大变化时 电动机转速也随之由小到大变化 只要控制频率变化范围 以及频率变化的时间 就可使输送机按照设定的速度曲线平稳起动 达 到输送机的软起动 目前变频调速装置的防爆产品还依赖进口 价格昂贵 高电压 大功率变频调速还难实现 维护要求高 对环境温度和洁净度要求 高 在井下使用时功率器件的发热问题也比较难解决 但因为变频调速的范围广 精度高 不需要额外的机械装置 是调速和软启动的未来发展方向 3 2 制动装置制动装置 上运及平运带式输送机制动要求较低 一般采用推杆制动器 下运带式输送机的制动要求较高 常采用的制动系统有液力制动系 统 液压制动系统和盘式制动系统 1 推杆制动器 目前推杆制动器的技术已经发展成熟 已经标准化 系列化 用户可以按标准选择 由于推杆制动器结构简单 可靠 现在正发 展推杆制动器的软制动功能 通过对推杆的推动器改进 使其具有 软制动功能 2 液力制动系统 液力制动系统的液力制动器实质上是一种涡轮 定子 固定不 动的液力偶合器 其泵轮 转子 与减速器高速轴相连 随输送机转动 制 动时油泵向液力制动器供油 工作油在转子内被加速 在定子内被减速 给 转子以反力矩形成制动力矩 该系统结构比较复杂 维护难度较大 低速 n 500r min 6 易 振荡 并且无定车功能 定车需用机械闸 整机造价较高 不适宜 继续发展 3 液压制动系统 8 液压制动系统的制动器是通过柱塞泵将输送机的机械能转化为 液压能 然后通过有关控制阀节流所产生的高压作用于柱塞泵 形成 制动力矩 此系统结构复杂 各种阀组太多 维护难度大 需要 1 套小冷却 系统 且不适合用井下硬质水 无定车功能 仍需要机械闸 整机造价 较高 不适宜继续发展 4 自冷盘式制动系统 自冷盘式制动系统是通过闸瓦和制动盘之间的摩擦 将输送机具 有的机械能转换为热能 加以散耗 同时作用于制动盘的摩擦力形成 制动力矩 该系统结构比较简单 维护量较低 能够实现直接定车 造价 较低 尤其是通过与电控配合 使带式输送机的减速度可控 实现 可控软制动 该系统一般采用 PLC 为控制核心 工作可靠 应用广泛 目前 该系统已经广泛应用到带式输送机 效果良好 是一种很有前途的 高技术机电一体化产品 3 3 拉紧装置拉紧装置 目前带式输送机的拉紧装置有重锤式拉紧装置 固定式拉紧装 置 自动式拉紧装置 各种拉紧装置适合不同的拉紧场合 1 重锤式拉紧装置 重锤式拉紧装置包括垂直重锤式 重锤塔架式 重锤车式等 重锤式拉紧装置适用于固定带式输送机 能够提供恒定的拉紧力 自动补偿皮带的伸缩变化 相应速度快 应用比较广泛 但占用空 间较大 工作中拉紧力不能自动调整 2 固定式拉紧装置 固定式拉紧装置包括螺旋拉紧装置 适用于长度较短 功率较小的 输送机 可按机长的 1 1 5 选取拉紧行程 和固定绞车拉紧装置 9 适用于大拉力 长距离 大运量的带式输送机 固定式拉紧装置 的拉紧滚筒在输送机运转过程中位置是固定的 其中拉紧行程的调 整通过手机或者自动两种方式改变拉紧滚筒的位置来实现 固定式 拉紧装置的优点是结构简单紧凑 工作可靠 缺点是对输送机运转 过程中由于输送带弹性变形和塑性变形无法适时补偿 从而导致拉 紧力下降 可能引起输送带在传动滚筒上打滑 所以在使用时应定 期张紧输送带 按最不利工况设定拉紧力 使输送机具有足够的张紧 力 以确保整条输送机正常运行 3 自动式拉紧装置 自动式拉紧装置包括自动绞车拉紧装置和液压拉紧装置 自动 式拉紧装置通过电动或是电液的有序控制 满足输送机启动时拉紧力 比稳定运行时大的要求 即输送机启动时拉紧力自动增加 输送机稳定 运行后 其拉紧力又自动降低到原定值 它能使输送带具有合理的张 力 自动补偿输送带的弹性变形和塑性变形 自动式拉紧装置能够在输送机运行过程中按一定的要求自动调 节拉紧力的大小 它响应快 适应性强 布置灵活 在现代长距离带式 输送机中使用较多 是一种理想的拉紧装置 特别是液压拉紧装置近几 年得到了广泛的应用 目前由于带式输送机 特别是大型带式输送机正向着整机自动控 制方向发展 因而需要对拉紧装置实现微机控制和监测 方便与输送 机其他部分联机控制 而液压自动拉紧动作快 容易实现自动控制 所 以将得到广泛的应用 3 4 托辊托辊 托辊是带式输送机的重要部件 其寿命的长短直接影响了皮带 机的运行时间 目前 托辊性能已成为带式输送机技术研究的焦点之 一 国内由于加工及装配技术的影响 托辊的寿命与国外还有很大 差距 国内要求托辊的使用寿命在20000h以上 而国外托辊的使用 10 寿命普遍在40000h以上 差距明显 当然衡量托辊性能的指标还有 运行阻力系数 重量等 随着我国煤矿高产高效工作面的发展 带式输送机将朝着长距离 大运量 大倾角及高速度等方向发展 为了适应这种趋势 托辊也将 朝着以下几个方面发展 1 塑料托辊 酚醛复合材料制作的管体及轴承座具有重量轻 几何偏差小和 耐腐蚀等优点 由其制作的托辊具有运行阻力小 噪声低 振动轻 微和使用寿命长等特点 因而塑料托辊将会有较大发展 2 单向托辊 单向托辊是为了防止上运带式输送机断带后输送带及物料下滑 而研制的一种新型托辊 输送机上运时 托辊正常运转 一旦发生 断带 托辊立即停止转动 在输送带与托辊的静摩擦力作用下 输 送带及物料处于静止状态 从而可有效地避免因输送带及物料下滑 而带来的损失及人员伤亡 因此 单向托辊将在上运带式输送机中 广泛应用 3 深槽型托辊装置 该托辊装置是为了适应大倾角上下运带式输送机的发展而开发 的一种新型双排形托辊装置 它取消了传统托辊装置中的水平托辊 从而提高了物料与输送带间的导来摩擦系数 物料最大许用倾角也相 应提高 实践证明 大倾角上下运带式输送机采用深槽型托辊装置 可使输送机倾角提高至25 不会发生滚料 塑料托辊 单向托辊及深槽型托辊装置均是新近开发成功的 随着技术的不断完善及各种技术的相互渗透 各种新型的组合托辊 装置将不断涌现 这对于提高带式输送机的综合性能是大有好处的 3 5 皮带皮带 11 目前输送带的产能过剩 为求得生存 各生产厂家都在改进产 品质量 开发新的产品 来更好的满足使用需求 主要有 1 为适应长距离运输要求 进一步增大了输送带强度 目前国 内主要使用钢丝绳芯带和整芯带 带强分别达到 ST5400 整芯带用 到 PVG3400S 但与国外最高水平仍有差距 国外输送带带强最高分 别达到 ST7500 钢丝绳芯 和 PVG4000S 整芯 2 为满足大运量要求 输送带的宽度也相应加大 除大多数 1 2 1 6m标准型宽度的胶带外 超宽型胶带已从3 2m进一步扩宽到 3 5 4m 从而使输送带的运量成倍增长 这类输送带以钢丝绳带为 多 在结构上施加各种防纵裂措施 并具有事故报警和纵裂监控功 能 3 为保证大倾角运输要求 开发出各种形式的花纹输送带和挡 边输送带 花纹带的表面花纹高度已经达到 35mm 挡边带的挡边 高度达到 600mm 以上 运输倾角最大可达 50 90 这种输送带近 年来有了很大发展 用途也不断扩大 4 为解决输送带经常检修更换给使用部门带来麻烦和影响生产 的矛盾 多年来除把提高输送带使用寿命作为重点研究工作外 还 开展了输送带现场接头和翻修等方面的服务工作 输送带的使用寿 命一般已达 5 年以上 钢丝绳芯带最高可达 15 年 输送带的现场修 补和翻修在使用部门得到广泛推广 使输送带的使用寿命大大延长 运输成本进一步下降 5 大力改善运输环境 降低能耗 发展全新的封闭式输送带 保证物料运输质量 提高运输效率 这种环保节能型输送带 除能 防止物料散落 粉尘飞扬外 还可使运输方式进一步现代化 目前 生产使用的封闭式输送带已形成吊挂 圆管 折叠 双带四大类型 各种系列 最大运输能力可达3000 t h 带速0 5 5m s 带长3400m以 上 12 随着全球高新技术产业的日益扩大 以及传统产业高新技术含 量的不断提高 为之服务配套的各种输送带也出现了新的概念 强 调以 技术创新和绿色环保 为主题 向多用途 多功能的方向发 展 四 皮带机传动理论四 皮带机传动理论 下图所示为胶带的传动原理图 由胶带的逐点张力法可知 除主动段以外 除主动段以外 胶带沿运行方向前一点的张力等于后一点张力加上两点间胶带的运行阻力胶带沿运行方向前一点的张力等于后一点张力加上两点间胶带的运行阻力 以 水平运输为例 胶带的张力从 1 点到 4 点是逐渐增加的 这样一来 在主动段 4 1 点之间 张力是逐渐减少的 也就是说 为了克服阻力使胶带运动 必须 使得滚筒相遇点的张力大于分离点的张力 这两点的张力差就是传动滚筒给胶 带的摩擦力 也就是输送机的牵引力 图三 传动滚筒受力分析图 设胶带在分离点 1 得张力为 Sl 在相遇点 4 的张力为 Sy 而其极限张力 为 Symax 胶带在滚筒上围包弧 1 4 所对的围包角为 在围包弧 1 4 之内 胶带任一点 A 的张力为 S 弧 1 A 所对之围包角为 当 有一微小增量 13 d 时 胶带长度由 A 点变化到 B 点 即有一长度增量 dl 在 B 点的张力为 S dS 即当 有一微小增量 d 时 张力增量为 dS 取 AB 上的这一段长 度为 dl 胶带为隔离体 如上图 c 所示 当传动滚筒顺时针方向旋转时 作 用在这一单元胶带上的力有 A 点的张力 S 作用在 A 点的切线方向 B 点 的张力 S dS 作用在 B 点的切线方向 与 S 成 d 角 传动滚筒对胶带的 法向反力 dN 及摩擦力 dN 为滚筒与胶带之间的摩擦系数 如前所 述 在这里对胶带自重 离心力和弯曲力矩忽略不计对胶带自重 离心力和弯曲力矩忽略不计 由于 dl 长度很短 如果又不考虑胶带的厚度 那么可认为上述四个力为共点力系 作用点在 dl 长度的中点 以这一点为原点立一直角坐标系 X Y 在极限平衡状态下 即摩擦力达到最大静摩擦力 胶带在滚筒上沿逆时针方向有滑动趋势而未打 滑时 可列出该单元长度胶带受力的平衡方程组 2 cos 2 cos 2 sin 2 sin d dSSdN d S d dSS d SdN 由于 d 很小 因此 上述方程组可简化为 22 sin dd 1 2 cos d dNdS d dSSddN 2 略去二次微量 dSd 项 解上述方程组 得 d S dS 上式为一阶常微分方程 解之可得出张力随围包角变化而变化的函数 S f 但对我们来说 最有意义的是在极限平衡状态下 相遇点与分离点两点张力 的关系 由前所述 在极限平衡状态下 当围包角 由 0 增到 时 张力由 Sl 增到 Symax 利用这两个边界条件 取微分方程两端的定积分 0 max d S dSy l S S 解上式 得 即 e S S l y max eSl ymax S 上式即为挠性体摩擦传动的欧拉公式挠性体摩擦传动的欧拉公式 它表示的是输送带相遇点和分离点 的张力关系 按上式给出的输送带在传动滚筒的张力线 a1cb 如图四 在实际 14 运行中 如果输送带在相遇点上的实