带式输送机牵引理论与工程应用实验

王洪宾 汪大春 王 龙
国家能源集团 神华黄骅港务有限公司 沧州 061113

摘 要：带式输送机是煤炭高效开采机电一体化技术与装备的关键设备，研究其牵引理论对皮带机的应用具有重要意义。通过分析带式输送机受力关系，归纳总结了多种阻力对带式输送机牵引力的影响，运用工程力学方法建立牵引力的计算模型，得出牵引力的计算公式，理论分析牵引力与牵引距离的变化关系。设计牵引力实验系统，并通过理论值、测试值与工程实验值对比实验说明了实验系统的可行性，将牵引力计算模型应用于指导带式输送机的安装，通过模型计算结果与实验结果比较说明牵引力理论模型的合理性。研究结果表明，牵引力主要组成为皮带机阻力和胶带下滑力，牵引力与牵引距离存在线性的变化关系，完整的牵引力曲线存在极值点，不同的起始牵引点对应的牵引力曲线存在不同的极值点，理论计算结果与实验测试结果数据吻合。牵引力理论模型可以理想的计算输送带安装牵引力，基于该理论模型求解得到的带式输送机牵引力与工程际结果接近，最大误差为11.6%，对于工程设计、设备选型、设备安装提供有效的依据。

关键词：带式输送机；牵引力；模型；牵引力实验

中图分类号：TD528.1 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）08-0046-05

0 引言
带式输送机在工业部门和交通运输行业中被广泛应用于转运散装物料，因其运距长、运量大、连续输送的优点是煤矿理想的高效连续运输设备。国内外对带式输送机传动力的研究取得了丰富的成果，而对在带式输送机的设计和安装过程中出现的胶带牵引力的研究还基本处于空白状态，尤其是对开环胶带，在工程应用中一般仅依靠经验或者试验来评估牵引力的大小，由于缺乏理论依据，经常产生低效或者资源浪费的情况，甚至出现安装质量事故，造成无法估量的损失。因此，对于带式输送机牵引力进行研究，建立牵引力的计算模型，对工程应用具有重要意义。

1 牵引力分析
带式输送机胶带在牵引过程中的受力非常复杂，在不考虑风载和物料作用的理想情况下，胶带在牵引过程中受到重力、托辊阻力、导料槽及清扫器阻力等的作用。在建立输送机牵引力方程前作以下假设：1）托辊的旋转部分的等效质量在承载和回程段上均匀分布。2）牵引阻力在承载分支和回程分支沿输送带均匀分布。

1.1 重力
输送带在沿倾斜带式输送机倾斜面运动时，胶带在倾斜段因承载面和回程面长度不一致，需克服重力沿倾角方向分力，即

式中：qB 为每米胶带质量，l 为胶带在倾斜段承载面与回程面长度差值，δ 为带式输送机倾角。

1.2 主要阻力
主要阻力由上分支主要阻力和下分支主要阻力组成。
1）上分支主要阻力

式中：C 为长度系数，f 为模拟摩擦因数，LS 为胶带经过上分支托辊的长度，qRO 为上分支托辊转动部分质量，g 为重力加速度。
2）下分支主要阻力

式中：Lx 为胶带经过下分支托辊的长度，qRU 为下分支托辊转动部分质量。
3）主要阻力

1.3 附加阻力
附加阻力包括输送带经过滚筒的弯曲阻力和滚筒轴承阻力。
1）弯曲阻力

式中：B 为带宽，F 为滚筒上输送带平均拉力，d为输送带厚度，D 为滚筒直径。

2）滚筒轴承阻力

式中：d0 为轴承内径，Ft 为作用于滚筒上的两个输送带拉力和滚筒旋转部分重力的矢量和。
3）附加阻力

1.4 特种主要阻力
特种主要阻力由上托辊组前倾摩擦阻力和下托辊组前倾摩擦阻力组成。
1）上托辊组前倾摩擦阻力

2）下托辊组前倾摩擦阻力

式中：Cε 为槽型系数，μ0 为托辊与输送带间的摩擦因数，Le 为胶带经过装有前倾托辊的设备长度，ε 为托辊前倾角度，λ 为槽角。
3）特种主要阻力

1.5 特种附加阻力
特种附加阻力的计算可依据带式输送机设计手册中给出方法进行计算，包括导料槽摩擦阻力和清扫器阻力，但需要说明的是特种附加阻力只需计算胶带牵引过程中所经过设备产生的阻力。

1.6 牵引力
带式输送机胶带牵引力的定义为自胶带牵引点拉动胶带运动的力，其大小为胶带牵引沿线所有阻力之和。牵引力的作用点示意图如图1 所示。

当胶带匀速运动时，其具有最小数值，可表示为

图1 牵引力示意图

2 牵引力计算结果及对比
2.1 牵引力计算
图2 为某一向上运输单滚筒头部驱动带式输送机，输送机水平机长L 为395.9 m，提升高度H 为34.9m，倾角α 为12°，带宽B 为2 200 m，每米胶带质量ST2000 qB 为74.8 kg/m。牵引点自皮带机回程A点开始，研究牵引力大小随牵引长度的变化规律。

图2 皮带机布置图

在工程应用中，最小胶带牵引力更具有工程指导意义，将皮带机参数代入式（13），并忽略空载牵引过程中的导料槽摩擦阻力。

从图3 可以看出，当胶带在AB 段运动时牵引力较小，当胶带进入BC 倾斜段时牵引力逐渐线性增加达到最大值，在CD 段时牵引力逐渐降低，进入DA 段时牵引力再次开始增大。

图3 牵引力变化曲线图

胶带牵引安装过程中牵引力在各个区段都呈现出了与牵引距离的线性关系，各区段曲线斜率不同，反映了牵引力与牵引距离的不同对应关系，C 点为牵引力最大值。

2.2 牵引力比较
当起始牵引点由皮带机回程B 点开始时，牵引力与牵引距离的变化规律与牵引点自皮带机回程A 点开始的牵引力与牵引距离变化规律具有相似的形式，均具有4 个明显的变化阶段，牵引力从0 逐渐增加到最大值，随后降低，最终牵引力的数值保持一致。比较图4 中两种不同牵引方法，自A 点开始的牵引过程中最大牵引力值要大于自B 点开始的牵引过程中牵引力最大值。一般带式输送机设计中，承载分支和回程分支对胶带具有不同的阻力，故牵引力的最大值与起始牵引点的选择有关，但初始和最终牵引力的大小与初始牵引点的选择无关，不同初始牵引点的牵引力在初始和最终位置具有相同数值。

不同的带式输送机布置形式会对应相应的牵引力曲线，利用牵引力公式计算牵引力对于选择工程安装方案具有非常重要的作用，通过不同起始牵引点的选择寻求相对较小的最大牵引力方案，可以降低安装风险和安装投入。

图4 牵引起始位置不同时牵引力

为了比较牵引力数值与带式输送机主要设计参数的关系，计算所选取带式输送机的传动力，由表1 可见牵引力最大值小于满载运行状态圆周力。

牵引力最大值可作为带式输送机设计和安装的重要参照值，作为带式输送机安装设备的选用和设备设计研发的依据，其数值具有重要的工程应用意义。

3 工程应用实验
3.1 带式输送机牵引力实验设备
依托黄骅港三期工程BH11-2 高架带式输送机对本文提出的带式输送机牵引理论进行实验研究。实验选用的BH11-2 带式输送机参数见表2。

3.2 实验系统测试
实验系统通过在胶带牵引端安装牵引力计量装置实现带式输送机牵引力的测量，计量装置选用高精度无线数传电子吊秤，计量准确度可达III 级。

为了验证实验计量系统的可靠性，采取对实验系统生成数据进行对比实验的方法进行验证。高架带式输送机胶带的牵引安装，首先需克服胶带自身重力将胶带牵引至带式输送机处，对比实验选用工况即为胶带自地面牵引至带式输送机处。通过理论计算生成胶带垂直牵引的理论牵引力曲线，采用吊车挂载吊秤模拟实验工况进行胶带垂直牵引生成牵引力测试曲线，在BH11-2 高架带式输送机实验系统生成牵引力实验曲线，得到图5 数据对比结果。由图5 可知，实验结果数值、对比实验数值与理论计算数值基本一致，说明采用的实验装置是合理有效的，实验系统可以满足工程实验的要求。

图5 实验测试数据与理论分析数据对比

3.3 实验测试结果与理论计算数值的比较
实验方案为利用所选高架水平带式输送机，胶带自
地面起，牵引方向从自尾部滚筒开始，沿回程段下托辊至头部滚筒后再经上托辊返至尾部滚筒，胶带牵引过程中每牵引1 m 采集一次牵引力数值。将生成的牵引距离与牵引力测试值曲线与牵引力理论计算值对比，如图6所示。

图6 实验值与理论计算值的对比曲线

3.4 实验结果分析
通过实验与理论计算对比可以看出，胶带牵引过程中牵引力与牵引距离之间保持线性的变化关系，牵引力随着牵引距离的增加呈现了逐渐增大又逐步减小的变化，牵引力存在极大值点。

利用牵引力理论计算所得牵引力曲线与实验曲线较好的吻合，理论计算结果与实际实验结果高度一致，理论计算高精度模拟了带式输送机牵引力的变化特性，实验结果与理论结果存在最大11.6% 的误差。需要指出的是，由于实验选取的是高架带式输送机，初始牵引力需克服牵引钢丝绳阻力，故牵引力具有非零初值；实验测试数据是在轻风条件下取得，实验结果未能体现风力作形式的供电装置，避免了电缆的过分受力，延长了电缆的使用寿命，也规避一系列的安全问题。

图 6 1 500 t/h 链斗式连续卸船机回转供电

3 结语
链斗式连续卸船机是正在发展的新机型，各结构、机构都有改进的空间和优化的必要性。针对该国外沿海卸煤码头，研制的1 500 t/h 链斗式连续卸船机，创新型采用±150°范围的回转机构，两面可卸，充分考虑到栈桥式码头的特殊性，符合作业的实际需求，并且提高了卸煤效率。针对煤炭、铁矿石等散货装卸码头，链斗式连续卸船机充分体现环保、高效、节能的优势，并且可以根据码头布置形式作针对性设计，在国内外有着广阔的市场空间。

参考文献
[1] 陈再兴，周筱川. 大型散货码头链斗式连续卸船机的应用[J]. 起重机运输机械，2011（Z）：8-10.
[2] 陈再兴.ZPMC 环保型链斗式连续卸船机的研究与应用[J].交通节能与环保，2012（2）：42-44.
[3] 陈洁，陈再兴. 桥式抓斗卸船机与链斗式连续卸船机的比较与研究[J]. 起重机运输机械，2013（2）：100-103.