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带式输送机的研究进展
浏览: 发布日期:2017-06-24

  带式输送机研究在世界范围内有了重大的发展。伴随着现代计算机的应用,许多工程技术人员已经研制出了新的产品,同时理解了有关运输的物理过程。
      随着全球经济的增长,带式输送机技术已成为当代科学技术发展的前沿之一。当今世界需要设计和生产“环保”型输送机,要求输送量超过10000t/h,并且要节约能量。输送机技术进步的一个重要特点是基础研究发展为应用技术,进而实现商业化。


1 通用带式输送机的重要研究工作


1.1  技术


    1980--2000年输送机技术有了明显的发展,这某种程度上应归功于研究。研究成果的应用和认可常常要求商业的决定和冒险以便把这些研究成果应用到工作系统中。国内的主要应用有:宝钢燃料输送系统,全长57km;小龙潭煤矿连续开采工艺输送系统;首钢水厂铁矿半连续开采工艺输送系统;大柳塔煤矿主平峒输送机,长4 602m;山西晋城矿务局寺河矿,长7 600m。


    毫无疑问,计算机在研究上的广泛应用已经对工业有了较大的影响。回顾出版过的有关输送机技术的著作,主要的研究与应用技术包括:输送机软起动控制(S曲线起动);摩擦和滚动损耗模拟(粘弹性);动力学分析(波和质量弹簧模型);通过无损测试,监测钢丝绳芯输送带状态:水平和垂直转弯输送机;助力器驱动长距离井下输送机;接头设计和故障研究;输送带清扫和翻转;输送带横向振动预测和消除;窄、高速输送带;大倾角和垂直输送机;气垫带式输送机;管状输送机;研究用实验测试装置的发展;拉紧装置。


1.2  改进设计和输送机运行状态的研究


    这些研究主要包括:


    (1)输送机起动的优化理论;


    (2)输送带横向振动理论的发展;


    (3)橡胶损耗装置的研究;


    (4)动力学分析预测输送带应力波的速度;


    (5)监测输送带状态的监视器研究;


    (6)输送带清扫研究;


    (7)橡胶粘弹性的特性和粘着力研究;


    (8)卸料轨迹与料流状态研究。


1.3  具体研究的情况


1.3.1  最佳理论S―曲线起动


    此研究1981年开始于澳大利亚联邦科学与工业研究组织(HARRISION),优化输送带的起动,使瞬时应力最小化。在起动时,S曲线在输送带上产生一个可预测的动态应力。通过使用微积分变换原理的数学研究,得出了S曲线,这是对“在一定的起动时间内应力最小问题”的一种数学说明。这些技术用来解决软起动问题和设计长距离、高带速的输送机。作为此研究的成果,发表了第一篇关于小带宽、高带速的文章。许多企业以各种形式把这一新的观念应用于现代输送机。Nordell提出了抛物线速度起动曲线,Dodge的Singh提出了带爬行段的起动过程。


 1.3.2输送带振动理论的发展   


    在1980-1984年间,对正交各向异性薄板理论的研究,对运动的输送带出现振动和弯曲现象有了第一次数学说明,提供了一种准确的方法预测带式输送机的回程段振动的能量。得出了4阶偏微分方程的解,并被应用于具体的称为薄板的弹性边界。得出了一种方法,对钢丝绳芯输送带和织物带,预测运输段和回程段带的振动形式需应用不同的特殊边界条件。该研究能进行自由共振设计并使由于托辊振动而产生故障的程度降低。仅有少数几家企业使用HARRISON的研究设计自由共振输送带。


    有关输送带振动分析问题已经编入“煤矿带式输送机设计规范”。


1.3.3  滚动损耗的研究


    输送带的张力受许多因素控制,如提升高度、长度、带的刚度、压陷、输送带经过托辊的挠度以及附加阻力。对此,在20世纪80年代以前已有许多文献,如DIN22101和CEMA,还有输送带厂商的内部计算手册。这些文献很大程度上利用实验结果确定输送带的工作点,如托辊级别、弯曲效果、倾斜效果以及局部的或整体的摩擦力。


    在1980―2000年间,进行了预测长距离和转弯输送机摩擦力的新研究。纽卡斯尔大学(HARRISON等)研究了物料和输送带弯曲的影响,并且发表了许多研究成果。这个时期,ZUR、ALLES、HAGER、BETZ、SPAANS、JONKERS、NORDELL、LODEWHKS等人写的文章主要体现了对胶带在托辊上的压陷阻力受黏弹性影响的科学贡献。


    SPAANS、HARRISON、ZUR、NORDELL、HAGE等的研究主要是对弯曲和有关滚动压陷损耗的橡胶特点影响的理解。汉诺威大学HINTZ的博士论文(1993年)考虑到了与压陷损耗有关的复杂情况。


  大多数的该项研究能够使得模型系统在设计早期被仔细审查,因而使企业更有信心。因此,已经出现了长距离输送机、带有水平或垂直转弯的长距离输送机以及长距离、大运量下运输送机。


1.3.4 动力学分析


    有多种方法可以解决输送带中弹性应力传播的问题,包括波动模型、质量―弹簧模型、边界元素模型和有限元/微分方法。每一种方法都有其数学根据。例如,对于波动模型方法有必要考虑全部应力波的傅立叶成分,而质量―弹簧模型的解决方案取决于产生应力各个模态的幅值,对于有限元模型,当运用大量的运算来模拟应力时若元素边界错误就可能出现问题,并且元素的模数会变成临界的模数。应用波动模型需要较多的数学基础,而质量―弹簧模型更易于用速度快、内存大的计算机来处理。


    在1980-2000年间,出现了有关这个主题的新研究。在国内,有关带式输送机动力学分析的问题也得到广泛的重视,太原重型机械学院、阜新矿业学院、中国矿业大学等单位都进行了一些理论方面的探索。本文第一编辑继博士论文“大型带式输送机动态过程的研究”(1996)之后完成了动力学分析App的开发,并于2001年对该App进行了进一步的开发,建立了完整的动力学模型和稳定的数值分析方法。该App已经在工程实际中应用。


    动力学分析能估算包括在起动或停车过程中的有关结构、滚筒和输送带载荷。对于长距离大张力的输送机,该方法是可靠性设计的重要部分,这已被工业界广泛地采用。通过动力学研究已经开发出许多计算机程序。


    (1)波动方程求解


    在1982年,HARRISON第一次阐述了输送带的波动方程求解。这要求找到输送带的承载分支和回程分支承受不同载荷时波动方程的特征函数,并将静态解(稳定运行张力)和动态解叠加。可用于输送带应力波速的精确预测。波动模型不能很好地处理运动的边界(拉紧),且运用它需要特殊的条件。不过,波动模型作为支撑设计的工具已经被应用了许多年。


    (2)质量―弹簧解


    输送带质量间通过粘弹性联系的模型由Noldell等在1984年首先提出。如同其他模型,在其边界单元需要相应的应力和张紧力,这种模型可能出现计算不稳定、产生错误的预测。Morrison的WBM讨论了这种不稳定情况。弹簧―质量模型在处理拉紧装置方面优于波动模型。世界上很多大企业都在应用这种方法或者开发出计算机程序。


    (3)世界范围的研究


    在动力学分析方面,随着计算机速度的急剧增快,使复杂的计算成为可能。下列机构具有开发动力学分析程序的能力,或者购买了程序的所有权(例如Beltflex)。如德国汉诺威大学;美国输送机动力学企业(CDI):Beltflex;美国输送机技术企业:Beltwin5;Flour Daniel(USA);Bechtel/Minenco(Australia);WBMPty.Ltd.  (Australia),Belsim;  Newcastle University(Australia);O’Donovan and Associates(Australia);Halpern Glick Maunsell Pry.Ltd.(Australia);东北大学机械工程学院(宋伟刚): BCD 2.0


1.3.5 输送带监控研究


    1980年Harrison最先发明了一种新的测试方法并获得专利,该方法可以在非接触状态下对钢丝绳芯输送带进行检测,监测断绳和钢丝绳接头,预报可能发生的损坏。


    第一次对钢丝绳芯输送带实现非破坏测试是在澳大利亚(1979年)。1982-1987年这种方法被用于德国、南非、加拿大、美国等的采矿工业。这种技术也广泛用于其他的工业领域以提高可靠性。根据这一研究,应用信号分析理论进一步发展了标准的测试和检验方法,实际上已经用于钢丝绳制造的产品质量检验。其美国专利为4439731和4864233。


    这项技术的应用使对有危险的和高张力钢丝绳芯输送带的监测成为可能,可对输送带的安全性能进行检验。通过磁场状况和接头条件覆盖层磨损情况可以检测出各种制造缺陷,例如钢丝绳的布置间距。


1.3.6 接头测试与测试装置


    从3个方面对接头进行研究,特别是对高强度(钢丝绳芯)输送带,研究重点是对大型接头设计的理解、破坏试验装置和优化接头强度。包括接头破坏试验装置、几何和机械设计、动力学效应测试和研究。


    汉诺威大学最早开始接头动力学强度的研究,它的一部分内容是确定接头寿命和寻求降低输送带强度的方法。他们建立了实验台用于研究和测试接头疲劳强度和寻求提高接头强度的方法。


    目前只有有限的实例用理论进行接头设计,但工业界有提高接头强度的要求。另外,对粘接和等强度问题也进行了广泛的研究。Nordell用有限元分析(FEA)研究各种不同的钢丝绳接头设计的应力分布情况。


1.3.7 输送带冲击和缓冲的研究


    硬岩对输送带的冲击是造成输送带纵向撕裂和降低输送带寿命的重要因素,特别是在中国,由于矿石的品位较低,因此矿物的硬度高于国外矿石,本文第一编辑在硕士学位论文中提出了一种在托辊组托辊间增设缓冲弹簧的缓冲方法,并进行了实验研究。主要工作包括:(1)托辊等效质量的理论计算;(2)比较了各种缓冲形式的效果;(3)提出了中间增设弹簧的缓冲措施。


2 特种带式输送机系统的研究


2.1 钢丝绳牵引带式输送机


    1980年以前钢丝绳牵引带式输送机已经广泛用于长距离、大提升高度场合。这种输送机用2条钢丝绳作为牵引元件,由输送带承载物料。


    钢丝绳牵引带式输送机能够广泛应用于矿山和物料搬运企业的原因是:适用于长距离输送,在地形限制下可以实现水平转弯,输送带维护方便、易于更换。在过去的20年里,钢丝绳牵引带式输送机企业(Svedala),在以下几方面发展了钢丝绳牵引带式输送机系统:  (1)多椽滚筒,以减小噪声;(2)PVL输送带,用以预先的成槽,以提高物料的稳定性;(3)输送带加强网;(4)水平曲线单元:(5)研究绳的覆盖层和纺纶加强绳。


2.2  管状和垂直提升输送机


    出于环境保护的原因,出现了管状带式输送机,它将物料密闭在输送带内。这种技术要求输送带经过滚筒时为平型,因而有形成管状的过渡段、管段、由管状变成平型的过渡段3段。这种输送机在良好的工作状态下可以避免洒料,其托辊组结构形式可以有多种形式,如3托辊和6托辊系统。国内管状带式输送机研究及开发始于20世纪80年代初期。


2.3  助力驱动带式输送机


    各种形式的助力驱动带式输送机已成为井下采用的普通设备,特别是在美国。输送机的驱动布置在输送带的多个部位上以减小输送带张力,输送过程中也可以实现输送机卸料。采用这种方法建造的长距离输送机可以使用低抗拉强度的输送带,取代单独驱动时需要的强力输送带。


    高生产率的长壁开采开始时需要一个长距离输送机(>5km),随着开采的后退输送机的长度需要缩短。目前已经开发出了满足这种要求的系统,包括PLC控制、拉紧装置、仓储环和独立的驱动站。


    对这种长距离、多驱动系统进行动力学控制的研究,需要特别考虑输送机的工作条件,例如局部有载的问题。有关这方面的研究集中在拉紧装置的摩擦和动力学控制方面。


2.4 输送带翻转


    输送带翻转对控制平面转弯的轨迹具有良好的效果,保持输送带和托辊之间的摩擦特性不变。输送带翻转还可以避免粘在输送带表面的物料在沿线撒落,这有利于环境保护。很多输送带制造商都给出了翻转的长度,并研究了输送带翻转区段的强度和挠度问题。


2.5 滚筒的发展


    滚筒强度的分析与设计和寿命分析是输送机设计的一个重要方面。很多研究者都是滚筒供应商。目前有限元工具已得到广泛采用,而现代大型高强度滚筒的设计同样需要采用有限元法。CEMA已经改进了滚筒强度的计算式。


2.6 气垫带式输送机


    国内气垫带式输送机的研究始于20世纪80年代,进行了大量的实验研究,并发表了多篇有关研究文章,在国内形成了气垫带式输送机热,发表了气垫带式输送机的设计方法。


3 结束语


    本文考察了带式输送机的研究现状及其在带式输送机系统和设计中的作用。在过去的20年里,完成了一些标志性的研究与开发工作,应用这些成果所制造的装备满足了采矿工业的需求。应用计算机能使模型、测量和理论相互检验。

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