帶式輸送機綠色設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用簡析

劉鵬　李建　張棟

摘要：帶式輸送機在電力、煤礦、港口、物流、冶金、化工等眾多行業(yè)領(lǐng)域是一種極其重要的散狀物料運輸設(shè)備，被人們廣泛應(yīng)用。文章把綠色設(shè)計這種技術(shù)理念引入到帶式輸送機的設(shè)計過程中，在分析帶式輸送機的經(jīng)濟屬性、能源屬性、資源屬性與環(huán)境屬性等的基礎(chǔ)上，對帶式輸送機的綠色設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行了理論研究。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機；綠色設(shè)計；關(guān)鍵技術(shù)；動態(tài)綠色設(shè)計；虛擬樣機技術(shù)；可拆卸設(shè)計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ172 文章編號：1009-2374（2016）16-0088-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.042

隨著科技的發(fā)展以及人類物質(zhì)文明和精神文明的不斷提高，人類意識到生存的環(huán)境日益惡化，可利用的資源日趨枯竭，經(jīng)濟的進一步發(fā)展受到了嚴重制約，綠色設(shè)計理念被提出，并應(yīng)用到設(shè)計加工過程中。因此，綠色設(shè)計也稱生態(tài)設(shè)計，在產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)，著重考慮產(chǎn)品環(huán)境屬性并將其作為設(shè)計目標，在滿足減少環(huán)境污染、減小能源消耗、零部件回收循環(huán)或再利用的同時，保證產(chǎn)品應(yīng)有的功能、使用壽命、質(zhì)量等要求。筆者針對帶式輸送機介紹了其綠色設(shè)計技術(shù)以及相關(guān)應(yīng)用，具體如下：

1 帶式輸送機的綠色設(shè)計技術(shù)

1.1 動態(tài)綠色設(shè)計

輸送帶是帶式輸送機的重要部件，具有傳遞動力及承載貨物的作用。通常輸送帶都是由帶芯和覆蓋膠層構(gòu)成。因輸送帶表現(xiàn)的力學(xué)特性較為特殊，至今人們還未完全弄清。目前公認的帶式輸送機靜態(tài)設(shè)計方法有國際標準ISO5048-1989、美國CEMA、德國DIN22101等，必須依靠增加安全系數(shù)的方法提升可靠性與安全性。對于帶式輸送機系統(tǒng)而言，不僅造成投資成本的大幅上升、鋼材與膠帶的浪費、電能消耗的增加，還在一定程度上增加了環(huán)境的負擔。針對此種情況，急需一種綠色方法校驗完善靜態(tài)設(shè)計，這便是帶式輸送機的動態(tài)設(shè)計。

帶式輸送機的動態(tài)設(shè)計主要將系統(tǒng)動力學(xué)當作基礎(chǔ)，著手于輸送帶的實際動態(tài)響應(yīng)，細致探究了其正常運行、制動與啟動等情況下輸送機系統(tǒng)表現(xiàn)出來的動態(tài)特性，掌握輸送帶張力的分布情況，從而設(shè)計和分析輸送機的整個系統(tǒng)。這樣既提高了輸送機設(shè)計的可靠性與準確性，又減少了生產(chǎn)資金的投入，同時還起到了節(jié)約資源及保護環(huán)境的作用。

1.2 虛擬樣機技術(shù)

虛擬樣機技術(shù)主要把數(shù)字技術(shù)作為基礎(chǔ)，在一個虛擬的環(huán)境中對樣機模型進行還原，以達到仿真模擬原型機所具有的功能的目的，進而實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化、性能評估及方案設(shè)計等諸多功能的設(shè)計。由于此項技術(shù)不需要物理樣機，只需要重設(shè)系統(tǒng)參數(shù)與改變樣機模型就能夠完成修改和預(yù)測設(shè)計方案的目的。此項技術(shù)具有容易協(xié)同合作、設(shè)計靈活、開發(fā)成本低、資源浪費少等諸多優(yōu)點，是能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計過程“無紙化”的綠色設(shè)計。

1.3 可拆卸設(shè)計

帶式輸送機系統(tǒng)由諸多零部件構(gòu)成，若都通過銷釘或螺栓等方式進行連接，便可輕松進行拆卸，當有失效零部件之后，能夠在極短的時間將其更換。帶式輸送機的零部件一般都是從功能的角度來設(shè)計，并沒有對廢棄淘汰和系統(tǒng)維護加以特別考慮。針對滾筒等主要零部件，其造價較高且為整體式設(shè)計，若出現(xiàn)損壞失效，就需要整體更換，既提高了維護成本，又造成了資源浪費，不符合綠色設(shè)計的準則。所以，研究可拆卸技術(shù)能夠起到降低輸送機的運行成本、保護環(huán)境及節(jié)約資源的作用?？刹鹦缎匝芯康闹饕康氖橇悴考闹貜?fù)利用、原材料的回收和產(chǎn)品的易維護易維修性。

1.4 模塊化通用性設(shè)計

帶式輸送機的主要零部件采用模塊化通用性設(shè)計，可以減少設(shè)計開發(fā)周期和加工周期。滾筒輪轂的系列化可減少制造加工成本，適當擴大滾筒的通用性，以節(jié)約維護成本，減少備品備件種類。模塊化通用性設(shè)計可與可拆卸設(shè)計結(jié)合，以實現(xiàn)零部件的重復(fù)利用和易維護易維修性，得到效益最大化。

2 帶式輸送機的綠色設(shè)計應(yīng)用研究

2.1 開發(fā)案例

以一部煤礦井下主運帶式輸送機為例，在綠色設(shè)計基礎(chǔ)上對其進行再開發(fā)研究。此輸送機的系統(tǒng)參數(shù)指標如下：

運輸物料為原煤，運量Q=2000t/h，物料堆積密度ρ=0.9t/m3，輸送長度L=1200m，帶寬B=1400mm，運輸傾角δ=1°～3°，帶速v=3.15m/s，鋼絲繩芯輸送帶ST1250，驅(qū)動電機功率為400kW×2。帶式輸送機的系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示：

2.2 分析系統(tǒng)方案的動態(tài)情況

把有關(guān)參數(shù)代入系統(tǒng)模型之中，然后對動態(tài)仿真進行分析。經(jīng)過步長是0.1s，時長是100s的動態(tài)仿真結(jié)果具體如圖2與圖3所示。

分析輸送帶的速度曲線后可以發(fā)現(xiàn)，輸送機根據(jù)可控速度曲線進行運轉(zhuǎn)，在剛剛啟動的時候，速度會出現(xiàn)波動。當爬行一段時間后，速度開始變得平穩(wěn)；在運行80s以后，速度與設(shè)定帶速相符合，速度曲線比較合理。

分析輸送帶的張力曲線后可以發(fā)現(xiàn)，輸送機在剛剛啟動的時候，需要克服沿程摩擦力及系統(tǒng)慣性，當張力達到最大值經(jīng)過震蕩之后，張力曲線達到穩(wěn)定工作值，此時輸送機已經(jīng)完成了啟動，系統(tǒng)拉緊力達到正常拉緊值，由圖3可知，張力曲線的后段出現(xiàn)了短暫波動，然后在液壓拉緊的作用下恢復(fù)平衡狀態(tài)，從而使輸送機開始穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

2.3 優(yōu)化設(shè)計輸送機的零部件

根據(jù)輸送機的實際選型設(shè)計方法，來對零部件設(shè)計進行優(yōu)化。我們可以應(yīng)用虛擬樣機這項技術(shù)對拉緊裝置、驅(qū)動裝置、托輥及滾筒等進行仿真優(yōu)化及性能測試，同時還要對裝配體進行合理的虛擬裝配處理，在一個虛擬裝配的環(huán)境下，完成裝配處理、干涉檢測及造型檢查等工作，進而順利完成序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、可裝配性分析等。如圖4是虛擬托輥架的裝配圖，通過CAE軟件充分對輸送機的支腿、滾筒軸、中間架與架體等主要部件做力學(xué)分析，然后模擬現(xiàn)場的實際工況，輸出相應(yīng)的位移與應(yīng)力圖，為設(shè)計人員提供參考依據(jù)。針對那些與要求不相符合的零件應(yīng)重新進行設(shè)計，而對于有較大結(jié)構(gòu)余量的部件要進行優(yōu)化處理，并且應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)模擬分析主要零部件，得出其振型與頻率，之后再制定一些方案以使系統(tǒng)震動得到控制，進而減少污染、降低噪聲，使系統(tǒng)可以安全可靠地運行。

2.4 評價綠色設(shè)計方案

針對輸送機所做的綠色評價極其特殊，其中很多評價標準與指標是無法進行準確預(yù)算和描述的，并且具有很強的模糊性，所以針對輸送機而言，應(yīng)該利用模糊評價法來評價綠色度。此外，綠色度的評價指標具有極其明顯的層次，容易進行相應(yīng)的劃分，所以我們可以應(yīng)用層次分析法來做適當?shù)木G色評價。

3 結(jié)語

總之，文章重點研究了帶式輸送機系統(tǒng)的綠色設(shè)計技術(shù)和實際應(yīng)用，因為筆者的條件與水平有限，研究出來的結(jié)果尚有不足，但綠色設(shè)計必將成為礦山機械設(shè)計的主要發(fā)展趨勢。因此關(guān)于輸送機有關(guān)的綠色設(shè)計，也需要我們在未來的工作當中不斷進行研究。輸送機綠色設(shè)計理念和技術(shù)要發(fā)展和完善，眾多新課題需要我們?nèi)ヌ剿骱脱芯?，進而更好地實現(xiàn)減少環(huán)境污染、減小能源消耗的環(huán)境保護的目的。

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