OVERLAND输送机的设计-有效的成本与性能-汉2

OVERLAND输送机的设计，有效的成本与性能 ，总裁劳伦斯K，Nordell 输送动力， 摘要 许多槽形皮带输送机，现在已经超过了15公里，在一个单一的飞行。 仍然是一个持续的愿望，进一步扩大其长度，容量，速度和力量，同时最大限度地降低功耗和提高成本效率。 这些改进可以测量的指标：a）最高吨/千瓦/公里和b）最低的整个生命周期中NPV成本。 在本文中，我们提出的技术来迎接挑战，实现最高万吨/千瓦/公里，在全寿命周期成本最低的利用现有的，成熟的技术。 资本和运营成本的优化程序。 现代带的覆盖胶和核心胶流变性的影响，这一提法有重大影响。 输送带安全系数和寿命进行了讨论。 简介 世界上每年花费约600万美元和更换皮带输送散状物料输送。 当考虑为总使用安全带，这代表每年30-40亿千瓦小时。 审慎的设计，减少全寿命周期的成本（TLCC），设备和运营成本，30-40，这取决于安装的配置。 该技术符合“京都议定书”的理念，节省了显着的资本，提供额外的容量和利润，与志同道合的工程师为下一代留下的遗产。 图。 1：沃克沃斯陆路谈判低调罩盖的障碍-澳大利亚 主要改进的地方 传统上在工厂和陆上系统，皮带输送机已经出了名的过度设计。 五十多岁的工程设计标准和方法仍然适用于今天。 使用这些标准的结果相比，那些把今天的技术进步，在更高的资本（CAPEX）和运营成本（OPEX）。 关键陆路技术使历史的设计标准，在世界各地使用，过于保守和陈旧的。 这些标准包括：CEMA（输送带设备制造商协会），DIN 22101（德意志行业规范皮带输送机- 2002年8月），与5048-1989 ISO（国际标准化组织- 2000年2月）。 关键陆路技术包括： 1. 功率分析/橡胶流变/理解的优点/检验结果 2. 托辊间距优化 3. 输送带安全系数 4. 头/尾灯驱动器 5. 消除转运站平曲线-参见图。 1 6. 皮带的使用寿命/传输槽 7. 动力学与控制 这些技术并没有穷尽工程师的工具箱。 他们的许多举措，产生有意义的储蓄只可作参考。 重大的问题仍然乞求加以解决。 其中有一些是： 1. 我们能持续多久做一次飞行，我们什么时候让多个航班 2. 托辊槽形状优化 3. 基于公斤/米和振动控制的优化惰轮支架 4. 惰转辊子的直径和间距的优化 功耗/橡胶流变学 皮带输送机消耗功率从皮带变形在惰转辊子和从惰拖曳损失，除了驱动效率和重力升力。 皮带罩，在接触的惰转辊子和皮带惰集之间弯曲，是负责最久的陆路输送机的功率消耗（1,2,3,4）的50-70。 超过十年的时间里，皮带制造商已经显着提高带覆盖胶技术。 这就造成了新的低滚动性的橡胶化合物，许多生产者，消费者从现在市售的。 动力分析，采用橡胶粘弹性力学的洞察力，可以降低功耗CEMA和DIN标准的方法，如高达50以上。 额外的好处，可以研究新的和老化的橡胶。 历史的动力分析方法使用5到指定的1950年的滚动阻力系数的经验因素。 没有考虑给予橡胶型，橡胶厚度，惰转辊子的直径，槽的形状，带速，零摄氏度以上的温度，带建设，或垂直和水平曲线压力，仅举几的疏忽。 这个方程是为圻贡献只，每图。 2A。 15年前CDI开发出了+17的属性，其中包括粘弹性行为的输送带覆盖胶化合物（3）的理论功率方程。 这种方法是比较CEMA和DIN 22101。 图。 图2a示出了示意性的滚动阻力系数，发现在CEMA和DIN 22101的功率计算程序。 图。 图2b示出矿石和带引起的压力梯度在从惰轮的槽横截面的皮带和惰轮之间的接触。 图。 图2c示出的惰转辊子和皮带的橡胶盖变形，接触的反作用力在惰轮直径的剖视图中，由于压力分布示于图。 2B。 图。 2c中示意性地表明滚动阻力力（F1，F2）和的力矩臂（A1，A2）之间的皮带的橡胶弹性的压缩变形区和的橡胶的弹性恢复区还包括在模型中的变化的不平衡是凹陷的几何形状有关的损失由于带弯曲和矿石搅拌之间的闲人（图2d）。 图。 2：滚动损失与皮带惰轮接口原理图所示，这四个数字。 图。 3：带压痕试验机，皮带弯曲和践踏试验机，粘弹性测定试验机，橡胶基准性能曲线图 图。 图3a是带缩进试验机用于验证机制图的照片。 2C。 一个完整的带宽，到1800毫米，可以进行测试。 带被插入所述滚筒内，并与面临的惰任一皮带罩固定。 一个惰转辊子，各种尺寸和结构，保持正常的感光鼓的旋转，并jigged包含代表最多20,000吨/小时的速度调节的各种权重。 滚筒旋转的支承辊上，它可以高达10米/秒的表面速度旋转鼓。 感光鼓可以被放置到不同的温度下降到-40冷室 图。 图3b是带弯曲和践踏材料试验机的验证图的照片。 2D。 图。 图3c示出的橡胶粘弹性性质的测试实验室，包括两个动态机械分析仪（DMA）的机器。 图。 3D图表23橡胶化合物基准，其个人权力表现评级经文温度。 请注意千瓦值大的价差在极端的温度。 低温行为也代表了高速的行为。 这种技术的使用允许工程师，以优化在设计阶段的系统组件。 通过将低滚动阻力橡胶化合物，主要组成部分的系统可以被优化。 减少电机的尺寸，较低的带评级，以及更轻的结构载荷，可以节省大量的资本成本产生的几个项目。 电源分析-认识的福利 一个假设的5公里陆路用于演示的滚动阻力和输送带的强度之间的选择差异CEMA标准的设计方法和替代粘弹性理论。 CAPEX和OPEX成本的差额计量。 四项措施的橡胶的性能和三个年度的生产场景指定，CEMA和底盖橡胶相比，6日，12日及18 MMT / Y负荷，这相当于1000，2000，和3000吨/小时。 以下标准： A） 托辊间距： 1.5米（4.93英尺），携带4.5米（14.8英尺）返回 B） 输送速度： 4.5米/秒（886 FPM） C） 皮带宽度： 允许100毫米边缘间隙 1000吨/小时= 900（35.4“）毫米 2000吨/小时= 1200（47.2“）毫米 3000吨/小时= 1500（59.1“）毫米 D） 输送带安全系数： SF = 6.5:1破：工作强度比 E） 托辊轴承的选择： 60,000 L10小时，152毫米直径的 另一种滚动阻力，肯塔基州，是比较高效的橡胶化合物指定R1（良好的天然橡胶-普通级以上的煤炭），R2（新（2岁），更好的滚动阻力），和R3（最近开发-过去6个月）。 下面 标准适用于： A） 托辊间距： 3米（9.84英尺）携带;9米（29.f英尺）返回 B） 输送速度： 5.5米/秒 1000吨/小时 6.2米/秒 1000吨/小时 C） 皮带宽度： 1000吨/小时= 800（31.5“）毫米 2000吨/小时= 1050（41.3“）毫米 3000吨/小时= 1200（47.2“）毫米 D） 输送带安全系数： SF = 5.5:1 E） 托辊轴承的选择： 100,000 L10小时，152毫米直径的 CAPEX和OPEX表给出的4个电源和3吨位的情况下。 的费用汇总带，托辊，和驱动部件只。 评论对储蓄是指潜在的成本更低，从“共同实践”，“最佳实践”。 最后表显示了运营成本的百分比是来自权力和惰轮更换成本。 剩下的OPEX费用不包括在内。 资本性支出（元/米） 6 MMT / Y 12 MMT / Y的 18 MMT / Y CEMA 408 483 587 R1（良好的天然橡胶） 247 331 424 R2（新的，更好的滚动阻力） 247 315 406 R3（发达国家） 246 315 406 R3/CEMA（储蓄） 40 35 31 CEMA/R3（点球） 66 53 45 OPEX（$ /米）15-NPV（5）6的速度 6 MMT / Y 12 MMT / Y的 18MMT / Y CEMA 163 274 366 R1（良好的天然橡胶） 130 246 356.5 R2（新的，更好的滚动阻力） 108 193.5 277.5 R3（发达国家） 97.5 173 246 R3/CEMA（储蓄） 40 37 33 CEMA/R3（点球） 67 58 49 的运营成本，电力成本 6 MMT / Y 12 MMT / Y的 18 MMT / Y CEMA 88 94 96 R1（良好的天然橡胶） 92 88 94 R3（发达国家） 88 84 92 图。 4显示了运营商的CAPEX和OPEX节省成本的R3（开发）橡胶相比，的CEMA的设计。 总之，作为一个典型的利益，从“共同实践”最佳实践“，具有以下优点是观察12 MMT / Y的： 属性 CEMA 与 橡胶粘弹性（R3） 平均。 功率差 100 60 实力 100 63 皮带速度 4.5米/秒 1386.2米32 / S 托辊间距 1.5x4.5 200 3mx9m 输送带的强度SF 6.7:1 82 5.5:1 皮带宽度 1200毫米 67或800毫米 资本节约成本 35R3/CEMA 营运成本节约 37R3/CEMA $ 0.030/kW-hrs/y （估计，非洲率） 总节约成本15-Y NPV 35R3/CEMA 图。 4：CAPEX / OPEX成本节约与开发橡胶 世界电力的节能潜力：7-10亿千瓦小时/年 验证 上述改善许多大型陆上系统 6公里债权的核实。 输送机系统的设计和优化CDI的典型例子示于图中。 5： 图。 5A 1989年恰那，澳大利亚- 20.5公里;全球最低公布的滚动摩擦 图。 5B 1995年ZISCO，津巴布韦- 16公里长的助推器驱动器，大托辊间距 图。 5C 1998年Muja /牧羊犬，澳大利亚- 14公里;低调，轻量级的纵梁 图。 5D 2000年CRU-II项目，南非- 8.8公里低调，轻量级的纵梁 图。 5示出了四个overlands 这项技术是去验证。 我们提供两个例子，输送机，实地测量验证的理论。 实施例1： 1998年- Muja，澳大利亚- 6公里; CEMA与橡胶流变（参考图5c以上） 图。 图6a所示CEMA和CDI理论的电功率预测与测得的功率在一定范围内的吨位。 “ 输送机使用的橡胶与R1和R2之间的属性。 实施例2： 1972年设计和测量2000 -南俄亥俄州煤炭，USA - 7公里 图。 6B显示对于CEMA，吨位为0-2000 stph和两个橡胶化合物的功率与吨位。 固特异委托 CDI，来衡量输送电力消耗较旧的化合物，类似R1，然后重新测量输送机 一个新的改进的化合物，类似R2。 请注意，CEMA不区分橡胶。 唯一的变化 输送机是改变的的底盖化合物（携带并返回惰轮和滑轮接触-带 失误）。 在这里，我们看到了橡胶之间的权力和降低24的R2以下CEMA减少了20。 表述为 罚款用于劣势橡胶，这意味着功率消耗增加26时，使用R1与R2的 化合物。 输送机的目的是在1972年。 1972年设计的改进会带来更多的利益。 图。 6A -功率测量，澳大利亚Muja 图。 在南俄亥俄州煤炭6B -功率测量 托辊间距优化 惰轮资本成本，营运成本和维护水平的传送带上有显着的影响。 惰优化实施BHP-DRI，澳大利亚双程7公里的陆路输送机，如图所示。 7A。 本研究的结果显示惰优化的重要性。 陆路输送机进行矿石4000吨/小时的进位链和高达1000吨/小时返回链同时在+100C。 在一般情况下，除了惰拖动，功率消耗增加作为惰轮间距增大，作为惰轮直径的增加而减小。 输送机托辊间距较大降低了资本成本。 图。 7b显示了需求功率为152毫米和178毫米的闲人托辊间距从1.5米到2.5米不等。 功率增加了12，增加了托辊间距1米。 图7C，7D，7E的权力，资本和惰轮重置成本作为托辊间距的函数。 图。 1408米的总输送NPV成本，包括电力，成本初始惰轮，托辊更换成本。 托辊间距并没有进一步增加，由于带建设的限制。 由于电力成本的增加和资本成本降低与中间间隔往往存在一个最佳的托辊间距，这两个因素产生的最小的净现值（NPV）。 在这个例子中，这被认为是与6305轴承系列以最佳的托辊间距是在2.25米。 托辊间距，在本例中，如果扩展到4米，将是一个同类最佳的间距为6306和6308轴承闲人，带建设，上述限制，除非另有说明。 必须考虑其他因素，在选择过程中，包括： 1. 托辊的支撑钢和谐波模型符合 2. 噪音，皮带和结构振动 3. 在惰轮结带建设的限制 一般来说，运营商，设计和建筑公司只关注与输送的资本成本。 然而，惰轮的优化，包括影响功耗和设备选择，与其他著名的考虑，可以降低全寿命周期成本的传送带上显示的一个显着的保证金。 注意到NPV成本为15年。 图。 7A：7公里BHP-DRI双程运输在4000吨/小时铁矿石1000吨/小时的热压块 图。 7C：电力成本与托辊间距 图。 7D：惰轮与托辊间距的资本成本 图。 7E：托辊更换成本与托辊间距 图。 1408米：总成本（包括NPV）和托辊间距 输送带的强度和安全系数 动态强度管带接头的强度等级。 结合电源和粘接强度福利可能会导致+25-50，减少强度等级。 调制解调器拼接技术和试验验证是众所周知的（5,6，7）。 我们将努力继续降低安全系数低于5.5:1。 不知道制造商的产品老化和长期的动态强度的意义，这可能是不明智的。 测试新的带表现出的能力，以降低安全系数远低于5.5:1。 然而，它不给老年带良好的知识。 核心胶拼接橡胶的老化研究目前正在进行中。 新的化合物和方法正在研究，以提高老年人的动态强度。 老人带构建的拼接，服务超过8年，显示动态的粘接强度降低50以上的。 一旦老人带接头发生故障时，应重新测试，交替剪接过程，以确定是否应该被用来获得恢复丢失的强度。 复合性能不同的位置，如炎热，干燥与寒冷，潮湿的环境中。 头部和尾部DRIVES 正确的驱动器位置是一个良好的输送机设计的重要组成部分。 可以降低成本和提高设计优化驱动器放置在输送机和尤其是在长overlands。 的陆路输送机的驱动器布局优化需要输入的输送机垂直和水平对齐。 在其中没有升降装置的控 制因素的输送机，它是通常是有益的，除了头驱动器驱动器放置在输送机的尾部。 一个尾部驱动器的目的是下降的张力，从而降低输送带的强度。 这可能是必需的传送器上的垂直和水平的曲线。 驱动器的位置和曲线尺寸的限制，导致过多的土建工程，或强制输送超过产权的方式。 作为一个例子，的CDI设计15.6公里的陆上输送为的1995年ZISCO的项目在津巴布韦。 该输送机是建立一个头部和尾部驱动器。 图。 图8示出这种建立在尾驱动器（实线）和所得的张力带的张力的档案，如果未安装尾部驱动器（虚线）。 没有尾部驱动器，皮带张力将增加46，在所述头端。 安装与ST-888 N / mm的皮带输送机。 然而，没有尾巴的驱动器，所需的皮带评级是ST-1300 N / mm的（46以上）。 显然，降低输送带的强度和驱动系统是一个显着的CAPEX节省。 另外，ZISCO皮带的皮带的长度的30以上具有一个水平的曲线。 的水平曲线开始在站1160米和5710米结束。 水平曲线会更加困难较大的张力ranqe，如果不是尾部驱动器。 图。 8：皮带头和尾驱动的张力比较优化 水平曲面的OVERLAND -消除中转站 许多工程师的设计水平弯曲的陆路输送机。 主要好处是消除中转站和多个航班。 每增加一个航班： 1. 乘以由转印产生的磨损率降低皮带的使用寿命 2. 降低输送机的可用性或总吞吐量约1，每输送机 3. 增加CAPEX和OPEX成本 4. 增加了维护和停机时间修复传输设备和额外的滑轮，失误等。 5. 使皮带损坏的后果眼泪，穿刺，火灾等风险。 6. 提高逃 犯的矿石carryback和减少返回闲人生活 7. 降低电源效率。 每1000吨/小时将需要大约4.5千瓦，加快材料4米/秒。 和10千瓦，使各1000吨/小时至6米/秒。 8. 不再需要同时调节停止传输顺序流控制。 皮带的使用寿命和输送溜槽的设计 装车点转移生产砂带的磨损，并把风险带刺，刨，撕裂和火灾的危害。 一个带罩的磨损寿命超过95可以归因于输送溜槽的设计差。 对贫困槽设计，可以归咎于煤炭一次性降解，扬尘 ，火灾，噪音，泄漏，带跟踪误差，滑轮损坏，拼接损坏，惰轮和踢脚板损坏，及下裙边皮带损坏。 火和黑色的肺是煤炭运输的主要危害。 在槽气体动力学控制，将导致粉尘控制和改善其随之而来的结果。 今天，这些不希望的因素可以数学分析，并基于第一原则物理新的滑槽的形状，可以选择具有更好的流动性和缸套的磨损性能。 新的分析技术被称为离散单元法（DEM）（8）。 通过将 这种技术，皮带罩的厚度可以减少典型的规格的一小部分，而增加总的皮带寿命。 降解，灰尘，噪音，跟踪等。 得到改善。 增加皮带的使用寿命可以超过20年的服务，即使在极端条件下，如在南非帕拉博拉矿。 原来的6000吨/小时，1800毫米宽，15度的斜坡带穿在不到三年的时间。 1994（9,10）被安装在一个新的弧形滑道。 磨损测量，在过去的9年中预测的磨损寿命超过20年（预测25-30年）。 这示于图。 9A。 摇滚颜色表示各种尺寸和非球面形状。 图。 9B说明了重定向，删除的高吨位（10,000吨/小时）铜矿和中心到接收带负载的多岩石箱壁架。 颜色渐变蓝色最慢的，红色最高，表示速度变化。 槽的设计。 图。 9C说明了高吨位（8700吨/小时）和速度（6米/秒）在智利，1999年实施的洛斯佩兰布雷斯矿的岩石组合框和弯曲槽和改变方向。 图。 9D说明煤流控制，以尽量减少退化和灰尘的产生。 速度控制，以最大限度地减少粒子碰撞和气体夹带。 其他受到种种限制，这个现有的传输，包括卸料旅游有限的选择。 图。 9： -在各种溜槽配置的颗粒流 动力学与控制 目前CEMA，DIN，ISO动态分析计算程序是非常粗略的，或完全不存在的。 没有尝试去了解真正的动态行为的皮带。 这个“未知”的因素的查询结果增加皮带评分和结构设计载荷，功率消耗，并增加整个输送系统的风险。 可能出现的错误是显着的重载。 为了对系统进行优化设计，彻底的腰带的动态行为的知识是必需的。 动态分析使用二维的冲击波理论计算沿带大的力和位移干扰随时间变化的传输，结果在一个快速变化的局部带的紧张局势，如启动或停止驱动器或应用制动（11,12， 13）。 第一维是指轴向位移。 第二维是指惰集，我们首次发表于1984年（11）之间的垂直位移。 该带被分为一系列的弹性的弹簧和群众，沿皮带的轴变形。 模拟是根据与非线性的阻尼（图10）上的集中质量和弹簧模型。 电源上的驱动器，和关闭导致行进距皮带的张力介质中的声音速度的脉冲源在一个本地的张力变化。 冲击波速度可以达到2.5公里/秒的高张力钢线电缆。 图。 10：实施例的有限元表示沿皮带瓦特/弹簧和阻尼 用于动态分析： 1. 模拟所有的电机和制动器的启动和停止控制功能，并结合自己独立的控制方法与皮带的松紧响应的。 2. 制定限制的冲击波部队和带线位移到可接受的水平，传动惯量调整等方法，控制策略和动态调整的方法。 3. 分析和控制的“what if”操作的情况下，如驱动和制动故障的原因和影响。 自1980年以来，CDI已纳入到输送机设计的冲击波动态分析。 一对夫妇的二维模拟（动画），突出的困难停止。 停止通常是更困难的，因为不久的瞬时功率损耗（1-4秒）与较长时间（30-500秒），加速斜坡。 图。 图11示出了动态力的后果。 上面的照片显示，折叠皮带的张力，从而导致煤炭洒在可预测的位置沿其轮廓。 在起动过程中，右手移动的皮带拉右手惰满分支持的倾向。 较低的两张照片显示一个启动装置，压力过弱的钢铁结构件设计不良的结果。 这种组合产生了900万美元的故障。 有许多例子，世界各地的，不公开的。 客户往往相信设计的罪魁祸首，当且仅当，承诺一个固定的错误是没有公布。 图。 11：结构故障在起动过程中，由于大的瞬时紧张 图。 12说明了在ZISCO在津巴布韦的15.6公里的陆上输送机在起动过程中的动态控制不稳定。 如图所示，此输送机建立与一个双头驱动器和单尾驱动。 12A。 的尾部驱动器的速度是主头配有负载细胞后，立即在头的辅助驱动器。 的负载传感器的作用为“助力器”的驱动器来控制的三头驱动器的加速过程中相同的方式。 头端负载细胞行为作为一个伪采取。 加速度是受抛光头驱动器的负载单元设定点和PID算法。 输送机的设计进行了优化与动态分析。 在调试过程中，启动速度控制图的头部和尾部驱动器之间的不稳定性。 12B。 调节算法，实现由制造商。 带的振动，如所示的12b的，可导致减少皮带和输送设备的使用寿命，并产生有害的工作条件下。 去除CDI的动态调节算法的控制不稳定，如图同步的头部与尾部驱动器。 12C。 图。 12：不稳定和稳定的起动控制of15.6公里的陆上输送机 粘弹性分析与应用-接受障碍 粘弹性动力分析方法都没有出版或在公共领域。 这导致电阻使用这些程序。 工程师不想承包的服务时，他们不能确定的利益或了解分析程序。 德国和荷兰都追求的潜力，因为Spaan出版于1978年和1980年的琼克的纸张。 CDI开发制定于1988年，并取得了持续改善的理论和测量。 超过一百万美元的投资，开发的程序，并验证其准确性。 加拿大Syncrude公司的一项为期三年的研究，证实了这一理论， 包括许多实验室和现场测试（3）。 结论 综上所述，显着的好处，可以是来自于今天是可利用的，但不常用实行的关键技术。 1. 了解粘弹性橡胶分析性能和他们的影响力，动力分析方程组的CAPEX和OPEX 2. CAPEX和OPEX节省超过30，比传统的设计方法 3. 世界的电费可能会减少，很可能超过十亿千瓦小时/年全面实施 4. 动态分析是一种工具，可以提高安全性和减少风险在现代的陆路和高扬程输送机的设计 5. 现代滑道设计，消除了粉尘排放，噪声和皮带损坏，产生20年加寿命可提高符合环保