环保型管状带式输送机的研究与计算

王 新1 敫旭东2
1 沈阳工学院 抚顺 113122 2 北方重工集团有限公司 沈阳 110000

摘 要：随着现代化生产发展的需要，节能与环保已经成为当今时代的主题，管状带式输送机已经成为当今发展的主流。文中详细说明了管状带式输送机的优点和缺点。对其运行阻力与普通带式输送机进行了比较，考虑了常规阻力及僵性阻力和转弯阻力的影响，给出了其计算方法，并得到整机功率，最后利用相关的实际项目对文中所叙述内容进行验证。

关键词：管状带式输送机；结构特点；功率计算；僵性阻力；转弯阻力

中图分类号：U653.922 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）06-0042-05

0 引言
随着现代化生产的发展，节能与环保已经成为当今时代的主题，散料输送系统在运行过程中产生的粉尘对环境造成的污染已经引起世界各国相关部门的关注。为了减小输送过程中的粉尘污染问题和实现无害化输送，技术人员对散料输送系统进行了全面的开发和研究，更多种形式的环保型带式输送机被陆续研发出来。其中管状带式输送机已成为当今发展的主流[1-2]。由于其结构特殊性, 利用托辊组将胶带强制的规范在圆管内的一种输送方式[1-2]，应用线路的多种多样，包括水平转弯和空间转弯等各种复杂的线路布置形式, 目前管状带式输送机广泛应用于港口、冶金、建材、电力、造纸及化工等行业。

1 管状带式输送机的特点
虽然管状带式输送机的结构形式多种多样，但不论哪种形式都具有以下特点：①物料不飞扬和撒落，全封闭输送物料。回程段物料不会撒落，实现环保输送。②复杂地形也能正常运输。采用独特的立体空间转弯形式输送物料，可同时越过多种障碍物，同时不需要设置中间转载装置。③可大大提高输送机的输送倾角[3-5]。封闭式管状输送带将物料包在管内，大大增加了物料与输送带的摩擦力，同时增大了输送机的输送倾角，缩短了整机长度，降低了前期成本和土建费用。④管状输送带结构决定了其运行时不会产生跑偏现象，减少了后期的维护费用。⑤圆管带式输送机机架宽度比同类型带宽宽度小。由于采用圆形截面输送物料，圆管输送机以较低的带宽，获得了较大的有效输送面积。⑥可实现双向物料输送[3-6]。管状带式输送机在承载段和回程段均采用封闭管状输送物料，同时只需要打开中间任意位置输送带就可以完成任意段加料。

除了具有上述优点，管状带式输送机还存在一些不足：①由于结构形式为管状，所运送物料的块度受输送带管径的限制，因此对于超大块物料就需要前期的破碎处理后才能正常运输。②在输送能力上，在带速和带宽相同的条件下管状带式输送机的输送能力小。例如，带宽为1 200 mm 时，普通带式输送机的物料的最大截面积为0.153 m2，托辊槽角30°堆积角为20°，而圆管带式输送机的物料截面积仅为0.052 m2。③胶带的材质和制造要求较高。由于输送带导向成圆管形状并要求密封的结构，因此要求管状输送带的边缘与普通皮带不同。④由于在管状带式输送机头部和尾部需要有成管和展开管两部分，胶带本身具有一定的韧性，需要设计一定长度的过渡距离，因此输送线路不长或者多处受料或卸料的场合不易采用管状输送。⑤在运行阻力系数比普通带式输送机大。由于管状带式输送机运送的物料都被围包在圆管内，因此物料与输送带之间的挤压力增加，接触面积增大。⑥设计计算复杂。在计算阻力时候除了其他阻力以外，还包括由于输送带在成管过程中产生的僵性阻力。而管带机大多应该用在路线弯曲的形式，因此在转弯处的弯曲阻力也需考虑。同时圆管带式输送机的运行阻力随运行速度的增大而增大，实际设计中运行阻力系数的选择较困难。大多是根据经验以及结合实际现场条件给出。⑦从结构上来看，圆管上方皮带搭接处重心悬空，若两侧受力不同，容易产生扭转现象[8]。如果下料处偏载，物料填充率过高，断续运载的情况都容易使皮带机产生扭转，输送带的扭转问题严重时会使输送带的边缘进入两个托辊的间隙内，造成输送带的损坏，甚至停产。以上是管状带式输送机的特点，具体选用时多方考虑。

2 功率的计算
对于管状带式输送机功率的计算，大体过程与普通带式输送机类似，需要重点考虑其运行阻力。功率的计算过程就是对各种阻力的计算过程。首先确定其摩擦阻力系数。

表1 是管带机的基本运行的摩擦阻力系数f0 的推荐值。在实际的工作状态下，表1 的值会根据具体工况做适当的调整，由于管状带式输送机应用在长距离输送工况，因此摩擦阻力系数的选值在皮带机整体功率计算中尤为重要。同时建议在之后的逐点张力计算过程中应考虑承载侧比空载侧的f0 大一个等级。这也是和普通带式输送机计算不同的地方。

温度对阻力系数影响也很大，同时在低温状态下，按照CEMA 标准，对阻力系数进行修正，修正后的阻力系数为fγ，则

式中 K 为温度修正系数。具体选用如图1 所示

图1 温度修正系数

管状带式输送机的运行阻力分为主要阻力，特种阻力和提升阻力等几部分。但是在逐点计算胶带各点阻力时，由于管状带式输送机结构的特殊性，还需要考虑僵性阻力[6] 和弯曲阻力[7]。

僵性阻力是由于管状带式输送机胶带成管状，在六边形托辊组内产生的，对于该部分的阻力计算，大多数利用利用特种检测装置检测其中一小段六个托辊上的反弹力Fi，则L 长度上的输送带的僵性阻力为

除了僵性阻力之外，将运行阻力分为直线段和弯曲段两个部分。直线段阻力计算如图2 所示。

图2 直线段阻力图

式中：Q1 为运动部件的线载荷，对于承载段：Q1=qR0+qB+q，对于回程段Q1=qRu+qB ；Q2 为运动部件的线载荷，对于承载段：Q1= qB+q, 对于回程段Q1= qB（qR0为承载分支托辊组单位长度旋转部分质量，kg/m；qB 为单位长度胶带每米质量，kg/m ；q 为物料每米质量，kg/m ；qRu 为回程分支托辊组单位长度旋转部分质量，kg/m）。
FC、FD 分别为C、D 点张力值；LC-D 为C、D 两点间的距离，m。
设C、D 两点提升高度HC-D 为C、D 两点的水平投影长度LoC-D，则：

由于管带机本身结构的特殊性，在计算弯曲段张力时，考虑弯曲段附加阻力，因此

式中：FC 、FD 分别为C、D 点张力值，ΔF 为C、D 路段之间的阻力。
弯曲线路上的阻力ΔF 包括主要弯曲阻力ΔF 主，带张力附加产生的弯曲张力ΔF 弯以及输送带的僵性阻力ΔF 僵即

下面分别研究ΔF 主和ΔF弯。
对于弯曲阻力ΔF 主的计算，需按照如图3 所示的空间弯曲线路上取一个单元dF, 记θ 为dF 与水平面的夹角，dF 近似为直线路段，将一段弯曲长度可离散成许多个直线段，将每一个直线段累加起来。

图3 弯曲段张力计算图

则弯曲CD 段上的主要阻力利用积分的形式得出：

因此不管是曲线段还是直线段，主要阻力的计算公式形式上相同。
下面讨论ΔF 弯的计算方法。阻力分析如图4 所示，同样的由于弯曲过程中受到向心力的作用，输送带张力在弯曲段的沿径向的分力为F分，若近似认为弯曲部分两端所受胶带拉力相同即FC = FD

图4 弯曲段阻力分析

则F分方向为CD 弧中点的径向方向，则

为了计算方便，采用Matlab[8] 软件计算上式，采用复化sinpson 公式n=4，得出

式中：σ 为曲线段弯曲路段的转角；L 为曲线段弯曲路线的长度。

在逐点计算张力法计算各点张力时，如果计算ΔF 弯弯时，可以Matlab[9] 计算出各个点的张力值，求出FD，ΔF 弯。

在改向滚筒处的张力计算时，当输送带绕过改向滚筒时，存在滚筒处轴承的摩擦阻力和输送带本身的僵性阻力两种阻力，进而使得输送带在进入点和奔离点处张力不同, 这里按照以往的实际经验，通常利用该处的绕入点张力值乘以一个系数，来满足上述说的张力不同值的问题，这里取系数C, C=1.01~1.03。因此

各段运行阻力相加，利用功率计算公式，得出整机的实际计算功率。

式中：F 为各个运行段阻力之和，N；V 为管带机速度，m/s。

3 计算实例
如图5 所示是某电厂一条管带机线路的布置简图。由图5 可知，整条线路包括水平段，斜线段，平面转弯和空间转弯。其输送量为Q=3 000 t/h，带速5 m/s 计算功率为P =（939 450-285 352）× 5=3 250 490 W

图5 管带机线路简图

考虑到现场的实际实用工况，和减速器联轴器等其他功率损耗，最后计算值为0.909 8，最后实际选择的电机功率为4×900 kW。现在该项目已经安装运行，运行情况良好。

4 总结
本文先后介绍了管状带式输送机的结构特点和其应用范围，同时计算各个运行阻力，最后给出功率计算方法。结合实际例子证明了本文所采用的方法是正确的，尤其采用Matlab 计算积分公式和相关其他计算，结果是正确的，由于在计算过程中用到了一些实际经验值，对于其结果的其准确性和合理性在今后的实际应用中加以完善和研究，进而加以修正。

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