皮帶運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)

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1、 皮帶運(yùn)輸機(jī)的動態(tài)設(shè)計(jì) 院 系 機(jī)械與汽車學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級 學(xué) 號 2 姓 名 羅 穎 指導(dǎo)教師 初麗微 負(fù)責(zé)教師 沈陽航空工業(yè)學(xué)院 2007年6月 13 / 14文檔可自由編輯打印 1皮帶運(yùn)輸機(jī)的動態(tài)設(shè)計(jì) 摘要 本論文是關(guān)于不同拉緊裝置的可伸縮性運(yùn)輸設(shè)備的裝配問題，研究方程式移置性質(zhì)和動態(tài)計(jì)算方法。它提供了關(guān)于拉緊裝置、驅(qū)動裝置和制動裝置的動態(tài)設(shè)計(jì)方法，也是研究控制皮帶運(yùn)輸機(jī)的振動和安全停止的一種方法，還對中國現(xiàn)有的皮帶運(yùn)輸機(jī)與美國

2、和澳大利亞的作了比較，它們的設(shè)計(jì)方法非常相似。這篇論文所提供的方法可用于理論研究和工程設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：皮帶運(yùn)輸機(jī)，彈性振動，動態(tài)張力計(jì)算方法，拉緊裝置設(shè)計(jì)，驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)和制動裝置設(shè)計(jì)。 0引論 皮帶運(yùn)輸是一種長距離、大批量、高速運(yùn)輸貨物原料的運(yùn)輸體系，它被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如冶金、煤炭、港口、建筑、食品加工等。運(yùn)輸機(jī)的輸送帶是一種彈性體，從它起始點(diǎn)和卸載點(diǎn)之間有大量的能量儲存與消耗。這種能量將使皮帶產(chǎn)生較大的張力。關(guān)于動態(tài)計(jì)算和設(shè)計(jì)的理論至今還不完善。在中國，皮帶在運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般被認(rèn)為是一種堅(jiān)硬的物質(zhì)。為了防止傳動滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)開始時(shí)打滑，要由它靜止時(shí)計(jì)算出的結(jié)果乘以一個系數(shù)（一般為

3、1.3到1.7之間）來得到，導(dǎo)致皮帶的張力和主要的承載設(shè)計(jì)參數(shù)增加，設(shè)備的成本也變得過高，另外它還可以經(jīng)常引起組成結(jié)構(gòu)、驅(qū)動裝置、卸載裝置和制動裝置的不穩(wěn)定變化，而皮帶的局部張力又是如此的小，從而導(dǎo)致經(jīng)常有事故發(fā)生，如輸送帶的松弛。由于原煤是不規(guī)則的塊狀，容易對皮帶造成損壞。美國和加拿大動力研究所把運(yùn)輸系統(tǒng)劃分成一系列的彈性膠帶和部件，用數(shù)學(xué)計(jì)算的方法分析運(yùn)輸機(jī)的動態(tài)特性。 本篇論文是根據(jù)一種彈性擺動設(shè)備來研究輸送帶的動態(tài)移動和在不同的卸載裝置下，皮帶加速和減速時(shí)的動態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)，也就是說能夠更合理的設(shè)計(jì)皮帶機(jī)的驅(qū)動裝置、卸載裝置和制動裝置，這對于消除或減小皮帶在加速或減速時(shí)的振動是有利的，可

4、防止皮帶局部壓力過大或過小，防止皮帶的打滑，保證皮帶的安全，使運(yùn)輸設(shè)備的整個系統(tǒng)和每個部件最優(yōu)化和最經(jīng)濟(jì)。 1皮帶運(yùn)輸機(jī)的動態(tài)特性設(shè)計(jì) 1.1 皮帶運(yùn)輸機(jī)的粘彈性擺動方程 皮帶運(yùn)輸機(jī)是一個運(yùn)輸系統(tǒng)，它包括環(huán)繞皮帶、張緊皮帶輪、驅(qū)動裝置、拉緊裝置和卸載裝置，設(shè)皮帶機(jī)的運(yùn)輸長度為L（m）皮帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾平衡重量為M（kg），皮帶的動態(tài)加速度為U＝U（x，t）；皮帶的彈性系數(shù)為E（N/）；皮帶的橫截面積為A（）；等效阻力為j（N），皮帶、輸送物料和托滾的總質(zhì)量是q（kg/m），皮帶運(yùn)輸機(jī)的加速度是a（t）（m/），則其彈性方程為： （00） （1） 其中：

5、 j——皮帶輸送速度， j＝ 1.2 皮帶運(yùn)輸機(jī)的初始條件和邊界條件 皮帶運(yùn)輸機(jī)的邊界條件包括許多種不同的拉緊裝置，根據(jù)制造方法，拉緊裝置可分為固定式拉緊裝置、垂直重錘拉緊裝置和自動拉緊裝置。 固定式拉緊裝置皮帶運(yùn)輸機(jī)的邊界條件為： U(0,t)=0,U(L,t)=0 (2) 垂直重錘拉緊裝置系統(tǒng)為： 驅(qū)動滾筒 U(0,t)=0,U(L,t)=0 拉緊裝置 （3） 其中： 位移和時(shí)間的函數(shù) 一般說來，自動拉緊裝置是固定式拉緊裝置和垂直重

6、錘拉緊裝置的結(jié)合，由于論文的篇幅有限，在此不做討論。皮帶運(yùn)輸機(jī)的初始位移和初始速度為 U(x,0)=0, (4) 1.3位移和張力的計(jì)算方案 通過采用可變間距調(diào)節(jié)和總體協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，當(dāng)垂直重錘拉緊裝置被采用時(shí)，從方程式（1）中可得到位移方程為： （5） 皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)動分支的振動頻率 且 阻尼系數(shù)， 且 考慮阻尼時(shí)皮帶運(yùn)輸機(jī)的振動頻率， 且 -皮帶總質(zhì)量

7、，運(yùn)輸物料和滾筒平衡裝置系數(shù)，且 振動系數(shù)，且 皮帶的動態(tài)張力的計(jì)算公式為： （6） 同理，當(dāng)采用固定式拉緊裝置時(shí)，動態(tài)位移和動態(tài)張力的計(jì)算公式為： （7） （8） 其中： 1.4動態(tài)拉緊和張力計(jì)算 若皮帶機(jī)采用Y系列鼠籠式電動機(jī)，有輔助電動機(jī)有限扭矩的一對孔，它的初始加速度被近似地認(rèn)為是糾正系數(shù)，以確保在加速過程中時(shí)間為T（s），正常的運(yùn)轉(zhuǎn)速度是，這里不考慮阻力，用a(t)解答了采用垂直重錘拉緊裝置皮帶張力的計(jì)算方法。 （5） 公式（5）表明L是在正常情況下皮帶張力的計(jì)算方法，它表明了當(dāng)來回運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要

8、求把垂直重錘拉緊裝置安裝在機(jī)尾時(shí)皮帶上的張力更小。 同理，把公式a(t)代替（8）就是采用固定式拉緊裝置時(shí)的皮帶的張力的計(jì)算公式 （6） 因?yàn)槭橇悖?dāng)X為L/2時(shí)，皮帶在X為L/2時(shí)也是零，此時(shí)物料在機(jī)頭和機(jī)尾的分布比較均勻。但實(shí)際上并不是這樣的，帶的振動在回轉(zhuǎn)時(shí)更快，所以只有當(dāng)兩個振動相遇時(shí)，皮帶的張力才為零。 公式（10）表明當(dāng)機(jī)頭或機(jī)尾采用固定式拉緊裝置時(shí)，皮帶的張力是恒定不變的，比較這兩種拉緊裝置，采用固定式拉緊裝置時(shí)皮帶的張力更小，特別是在回轉(zhuǎn)分支上皮帶的張力只是采用垂直重錘拉緊裝置的一半。 2拉緊裝置的設(shè)計(jì) 皮帶輸送機(jī)的拉緊裝置可分為固定式拉緊裝置、垂直重錘拉緊

9、裝置和自動式拉緊裝置，它應(yīng)該能保證當(dāng)滾筒啟動，停止或有突發(fā)事故時(shí)，使皮帶不打滑，要保證在皮帶的每一個點(diǎn)上有一個必要的張力，為了防止下垂設(shè)備和不工作的零件之間變松，拉緊裝置的拉緊距離依據(jù)不同的拉緊裝置，皮帶使用過后的情況，在加速和減速的過程中保證預(yù)留的長度。 在固定設(shè)計(jì)中，拉緊裝置被稱為最小的張力點(diǎn)，一般來說，拉緊裝置一般要求安裝在礦石的下面，當(dāng)要求安裝在水平皮帶運(yùn)輸機(jī)的機(jī)頭上時(shí)也是一樣。 在動態(tài)設(shè)計(jì)中，皮帶的張力隨拉緊裝置的安裝位置和類型而改變。 當(dāng)驅(qū)動裝置突然停止時(shí)，為了減小皮帶的張力，防止皮帶張力過大或過小，在長距離，大輸送量，大功率皮帶機(jī)向上運(yùn)輸，水平運(yùn)輸，向下運(yùn)輸，雙向運(yùn)輸時(shí)，在

10、兩個滾筒之間應(yīng)安裝垂直重錘拉緊裝置。這樣，當(dāng)機(jī)頭的驅(qū)動滾筒突然停止時(shí)，垂直重錘拉緊裝置可以消除一半的振動，與采用其他的拉緊裝置相比，皮帶的振動力量和速度可減少到50%。垂直重錘拉緊裝置的極限條件是應(yīng)該在兩個驅(qū)動滾筒之間保持拉緊狀態(tài)；采用固定式拉緊裝置的極限條件是在驅(qū)動滾筒和改向滾筒之間保持張緊力，根據(jù)固定式極限條件，計(jì)算出的皮帶張力更小，這樣，皮帶的張力就有了很大的減小，于是，它可以在凹面截面或最小張力點(diǎn)上確保運(yùn)輸機(jī)安全運(yùn)行，使輸送帶的張力和承受載荷在允許范圍之內(nèi)降低成本。當(dāng)然，允許向上運(yùn)行的皮帶輸送機(jī)把垂直重錘拉緊裝置安裝在礦井的底部，對于水平皮帶運(yùn)輸機(jī)，要把固定式拉緊裝置放在機(jī)頭部位。拉緊

11、裝置的類型和安裝位置要根據(jù)皮帶機(jī)的參數(shù)來計(jì)算，設(shè)計(jì)過程中還要考慮到它的安全性、可靠性、技術(shù)含量、合理性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。 拉緊裝置的最小張力要根據(jù)機(jī)尾滾筒和皮帶輪之間的傾斜角度來確定，當(dāng)向上或水平運(yùn)輸，皮帶加速向下突然停止時(shí)，為了確保皮帶在驅(qū)動滾筒上不打滑，可以用下列公式計(jì)算最小張力 （7） 其中： -靜止時(shí)確保皮帶在驅(qū)動滾筒上不打滑的最小張力（N）, -圓周驅(qū)動力或工作阻力（N）, -傳動裝置的動載荷（N）， -摩擦常量， 由公式（5）可計(jì)算出采用垂直重錘拉緊裝置的輸送帶的位移，由公式（3）可算出拉緊裝置

12、的位移。 3驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì) 根據(jù)皮帶運(yùn)輸機(jī)的工作阻力和拉緊裝置的拉緊力，可計(jì)算出皮帶上每一點(diǎn)的張力，可以 確定驅(qū)動裝置的數(shù)量和其安裝位置，可以合理的選擇皮帶的型號，為了減小皮帶的張力和設(shè)備的成本，在設(shè)計(jì)中建議使用合理的柔性拉緊設(shè)備，合理計(jì)算柔性拉緊特性和合理的柔性制動特性。 在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，皮帶運(yùn)輸機(jī)開始加速的特征曲線是其中的一部分特征曲線，換句話來說，啟動時(shí)加速度從零增加到最大所產(chǎn)生的加速頻率超過了極限范圍，就導(dǎo)致壓力動態(tài)特性過大。在柔性拉緊設(shè)計(jì)中，急速頻率的變化在所允許的范圍之內(nèi)。因?yàn)榧铀俣仁菑牧憔徛卦黾拥阶畲笾?，沿著一個較緩的特征曲線，動態(tài)壓力的頻率特性隨著加速頻率的減小而減小

13、，特別是在某些特殊的條件下，皮帶的彈性振動可以被消除，這樣皮帶運(yùn)輸機(jī)就變得合理和經(jīng)濟(jì)。 近年來，柔性拉緊裝置得到了廣泛的應(yīng)用，如CST控制啟動運(yùn)輸設(shè)備，調(diào)速液力耦合器，軟硅控制拉緊裝置，頻繁變速設(shè)備等等。通過研究三角正弦拋物線和不規(guī)則加速度特征曲線，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用拋物線加速特征曲線時(shí)，皮帶的彈性振動可以被消除，皮帶的張力可以達(dá)到最小。 皮帶運(yùn)輸機(jī)拋物線加速度控制的計(jì)算公式如下： （8） 拋物線加速度控制曲線的最大值為，把公式（8）代入公式（6）就可得到當(dāng)采用垂直重錘拉緊裝置時(shí)皮帶張力的計(jì)算公式： （9） 同理，把公式（8）代入公式（5）就可以得出采用

14、固定式拉緊裝置時(shí)皮帶張力 的計(jì)算公式： （10） 如果，則是一次諧波頻率振動，第二個條件，如果式（9）、（10）都為零，則皮帶的彈性振動可以消除。 為了減小皮帶輸送機(jī)的動態(tài)張力的影響和消除皮帶的彈性振動，柔性拉緊裝置的加速和 減速控制曲線可以根據(jù)拋物線來設(shè)計(jì)，加速和減速的時(shí)間可考慮為基本振動波類型的6-10倍。在皮帶和滾筒之間應(yīng)有防滑設(shè)備，為了減小皮帶張力，柔性拉緊裝置和柔性制動器的加速和減速的最大值不能小于0.02～0.05m/，對于水平運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸機(jī)要求要小一些，但對于向上運(yùn)輸?shù)钠н\(yùn)

15、輸機(jī)則要求則要大一些。 在輸送機(jī)加速的過程中，設(shè)計(jì)初始加速度和緩沖設(shè)備是有必要的，它可以確保原來松弛的皮帶有一個張緊力，致使彈性振動可以緩慢地從機(jī)頭傳到機(jī)尾，這不僅對產(chǎn)生張緊力有幫助，而且可以減小皮帶的張緊力，初始加速度性質(zhì)可設(shè)計(jì)成三角形加速度形式，初始加速度時(shí)間應(yīng)為振動時(shí)間的一半，而制動的時(shí)間應(yīng)與振動時(shí)間一樣，其轉(zhuǎn)速應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速的10%。 4制動器的設(shè)計(jì) 當(dāng)運(yùn)輸機(jī)向上運(yùn)輸突然停止時(shí)，因?yàn)榇嬖谥亓菽?，所以會有向下運(yùn)動的趨勢，向下運(yùn)輸?shù)钠C(jī)在一般的電源條件下，用一般的制動器就可以防止皮帶的轉(zhuǎn)速過高，當(dāng)超過制動的范圍后，皮帶將會失去控制。對于水平和向上運(yùn)輸?shù)钠C(jī)，在大功率制動器的控制下

16、，其停止時(shí)間和消除位移時(shí)間過長，為了克服這種缺陷，防止事故的發(fā)生，要采用合理的制動裝置。 對于向上運(yùn)行的皮帶運(yùn)輸機(jī)，制動器的扭矩是逆扭矩的1.3倍；當(dāng)把制動器安裝在機(jī)頭時(shí)，對于水平和向下運(yùn)行的皮帶機(jī)，在大功率條件下，制動器可根據(jù)減速設(shè)備來設(shè)計(jì)；對于一般電流下向下運(yùn)輸?shù)钠л斔蜋C(jī)，當(dāng)驅(qū)動裝置制動力不能滿足制動要求時(shí)，制動器不但要滿足在一般的電流條件下輸送機(jī)的安全，而且要滿足皮帶不打滑時(shí)條件，使之安全停止。換句話說，皮帶運(yùn)輸機(jī)在制動后不能再轉(zhuǎn)動，如果皮帶在驅(qū)動滾筒上打滑，將會發(fā)生事故，在這種情況下，制動器的設(shè)計(jì)可分為兩步：第一步，用小一點(diǎn)的制動器使其減速停止，防止皮帶打滑；第二步，在輸送機(jī)停止后

17、，用一個較大的制動器，確保運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性和可靠性。 下面是制動器使運(yùn)輸機(jī)減速，停止的計(jì)算公式： （11） （12） 其中： ——運(yùn)輸機(jī)在一般電流下的所需要的制動器的力，（N）； ——皮帶運(yùn)輸機(jī)的等效質(zhì)量，（kg）； ——驅(qū)動滾筒和改向滾筒的質(zhì)量，（kg）. 對于固定式拉緊裝置；對于垂直重錘拉緊裝置； 當(dāng)皮帶機(jī)需要快速停止時(shí)，制動器的減速可設(shè)計(jì)成四邊形，在快速停止時(shí)為了有效的減小皮帶的彈性振動，要增長制動時(shí)間使其與振動系統(tǒng)的時(shí)間一致，對于向上運(yùn)輸?shù)钠C(jī)，當(dāng)突然停止時(shí)，減速太

18、快致使皮帶機(jī)上產(chǎn)生較大的彈性振動和較大的皮帶張力，因此要采用更大的減速設(shè)備。除了垂直重錘拉緊裝置安裝在兩個驅(qū)動滾筒之間外，可以選擇較大慣性的馬達(dá)或在高速架上安裝飛輪來增大皮帶運(yùn)輸機(jī)的有效質(zhì)量和減小減速時(shí)間。 5實(shí)例 沙區(qū)礦山傾斜皮帶機(jī)：運(yùn)輸量A=2000t/h；運(yùn)輸長度=1374m；傾斜角度=；采用機(jī)頭驅(qū)動裝置，；在機(jī)尾采用垂直重錘拉緊裝置，拉緊裝置的重量為M=6220kg；制動器安裝在機(jī)頭部位，制動力矩為100kNm，皮帶張力的計(jì)算根據(jù)本論文前面所給出的美國標(biāo)準(zhǔn)所用的方法，計(jì)算結(jié)果表明這兩種方法計(jì)算的結(jié)果非常相似。 晉城泗河礦山皮帶運(yùn)輸機(jī)：運(yùn)輸量2000t/h；運(yùn)輸長度1374m；運(yùn)輸

19、高度H=-136m（從機(jī)尾到機(jī)頭，下垂高度179.553m，=6347.789m，上升高度42.95m，=348.098m）；驅(qū)動裝置：2800kw，安裝在機(jī)頭，800kw安裝在機(jī)尾，自動拉緊裝置安裝在離機(jī)頭348.098m處；皮帶的張力為88kN，制動器安裝在機(jī)尾和輸送機(jī)之間，總制動力矩為133 kNm；皮帶的張力按照澳大利亞的標(biāo)準(zhǔn)來算。 計(jì)算結(jié)果如下表： 表1皮帶運(yùn)輸機(jī)的計(jì)算結(jié)果 工作條件 滿載 空載 加速 急停 加速 急停 總張力 （KN） 機(jī)頭 855.046 620.463 341.672 272.909 機(jī)尾

20、 32.733 28.918 32.668 30.242 總張力國CDI（kN） 機(jī)頭 852.78 639.87 341.37 261.37 機(jī)尾 36.24 27.58 33.9 31.43 表2 皮帶運(yùn)輸機(jī)的計(jì)算結(jié)果 工作條件 滿載急停 空載急停 上述方法 CDI 上述方法 CDI 急停減速度（） 0.31 0.436 動態(tài)張力 運(yùn)載分支的頭部 -237 -223.6 -108.9 -122.6 運(yùn)載分支凹面的底部 -213.34 -206.4 -90 -96.2 運(yùn)

21、載分支的尾部 241 232.6 131.6 125.8 總張力 運(yùn)載分支的頭部 94 107.4 186.9 173.2 運(yùn)載分支凹面的底部 18.8 25.8 171.1 164.9 運(yùn)載分支的尾部 423.5 415.1 335.9 330.1 表2表明在工作條件下兩種計(jì)算結(jié)果非常近似 另外，還有康家灘礦山神華公司生產(chǎn)的皮帶機(jī)：運(yùn)輸能力2500t/h；輸送機(jī)的長度4200m；垂直高度H=33m（從輸送機(jī)的機(jī)頭到機(jī)尾，地下200m，=3200m，地上233m，=1000m

22、）。驅(qū)動裝置：機(jī)頭4800kw。垂直重錘拉緊裝置安裝在兩個驅(qū)動滾筒之間，重錘的質(zhì)量為M=97000kg。制動器安裝在機(jī)尾，制動力矩為190 kNm。計(jì)算方法用美國的CDI法。兩種計(jì)算結(jié)果在工作條件下非常近似。 6結(jié)論 根據(jù)本論文所提供的關(guān)于皮帶機(jī)的計(jì)算方法，當(dāng)設(shè)備給定時(shí)是可以計(jì)算出皮帶的張力的，甚至計(jì)算結(jié)果簡潔﹑有用﹑精確，本方法可以用于皮帶機(jī)的學(xué)習(xí)和工程設(shè)計(jì)。 分析皮帶的張緊特性，合理的選擇拉緊裝置，他的安裝可以防止皮帶張力過大或過小，減小皮帶長度和確保皮帶安全運(yùn)行。 為了有效的消除運(yùn)輸機(jī)在加速或減速時(shí)所產(chǎn)生的彈性振動和減小皮帶的彈性張力，建議采用柔性曲線驅(qū)動裝置，并且啟動時(shí)間和停止時(shí)間（是基本頻率周期），柔性加速度和柔性減速度平均起來不應(yīng)小于0.02~0.05m/。