基于磁電理論對磁式帶式輸送機的機理分析

李 剛，孫瑞光

(山西職業(yè)技術(shù)學院，山西 太原 030006)

0 引言

連續(xù)運輸機俗稱輸送機，在一定的范圍內(nèi)，按照一定的技術(shù)要求，應(yīng)用它可以將散裝物料或者成件物品按照一定的輸送路線從裝載點到卸載點以恒定的或者變化的速度進行運輸。在現(xiàn)代的各個行業(yè)中，輸送機的應(yīng)用非常廣泛，比如：車站物品檢驗的輸送、港口糧食的運輸、建筑業(yè)沙土的運輸?shù)?。在所有的運輸設(shè)備中，機械式的輸送機獲得了極為廣泛的應(yīng)用，其中又以托輥式輸送機應(yīng)用較多，但其存在著成本高、運行阻力大、耗能大等缺點。氣墊式輸送機在技術(shù)上比托輥式輸送機要求嚴格，而且需要氣源向氣室內(nèi)提供具有一定壓力和流量的氣體，盤槽上的小孔也很容易被散裝物料以及灰塵等其他雜質(zhì)堵塞。因此，本文在目前氣墊帶式輸送機以及托輥帶式輸送機發(fā)展與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了一種可調(diào)磁力大小的磁式帶式輸送機設(shè)計方案。

1 三種帶式輸送機(托輥式、氣墊式、磁式)的比較

1.1 托輥式帶式輸送機

托輥式帶式輸送機是比較傳統(tǒng)的帶式輸送機，經(jīng)過近140年的發(fā)展仍然存在著成本高、運行阻力大、耗能大、維護保養(yǎng)以及維修費用高、個別零部件易損壞、只適合運輸一定種類的物料等問題。但是連續(xù)輸送機也有一些其他設(shè)備不具有的優(yōu)點：①因為輸送機可以沿相同的方向連續(xù)運輸貨物，裝卸無需停車，故可實現(xiàn)高速輸送；②運行速度穩(wěn)定；③輸送機的最大載荷與平均載荷相差不大。帶式輸送機的種類比較多(比如圓管輸送機、刮板輸送機、螺旋輸送機、振動輸送機等)，通用帶式輸送機的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1.2 氣墊式帶式輸送機

氣墊式帶式輸送機是一種主要利用空氣膜支撐輸送帶和物料的輸送機，不同于傳統(tǒng)的帶式輸送機，它利用具有一定壓力的氣流來平衡輸送帶和物料的重力，是輸送帶與物料一起高速運輸，所以輸送帶與托棍間的摩擦由傳統(tǒng)的滾動摩擦變?yōu)榱伺c空氣介質(zhì)的流體摩擦，有效地避免了托輥與皮帶間的干摩擦，減小了運行阻力，很好地起到了節(jié)能的作用。但由于氣墊式帶式輸送機在實際應(yīng)用中往往會出現(xiàn)供氣和沿線氣壓損失較大等問題，所以能源的消耗一直都是一個大問題，另外，氣體的產(chǎn)生也十分困難，對相關(guān)設(shè)備的要求較高。氣墊式帶式輸送機結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

1-機頭架；2-漏斗；3-機頭清理器；4-驅(qū)動滾筒；5-保護裝置；6-皮帶；7-支撐托輥；8-緩沖托輥；9-導(dǎo)向槽；10-從動滾筒；11-張緊裝置；12-機架；13-清掃器；14-回程托輥；15-中間機架

1-改向滾筒；2-輸送帶；3-料斗；4-物料；5-盤槽；6-氣箱；7-進風口；8-風機；9-電機；10-驅(qū)動滾筒；11-料倉；12-下托輥；13-節(jié)流孔

1.3 磁式帶式輸送機

磁式帶式輸送機主要利用磁性輸送帶與下部盤槽里的永磁鐵產(chǎn)生的磁場形成相互排斥的力，從而支撐輸送帶和物料。相比于托輥式帶式輸送機，它的接觸是懸浮式接觸，避免了直接與托輥接觸產(chǎn)生的運輸阻力，在運行時只受到空氣摩擦阻力，從而提高了輸送機整體的運行速度，還可以避免不必要的機械能源消耗、減小輸送帶的最大張力。在設(shè)計磁式帶式輸送機結(jié)構(gòu)時，應(yīng)注意做到防磁保護以及避免磁污染等問題。一般的磁式帶式輸送機結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

1-物料；2-磁性輸送帶；3-磁體支撐系統(tǒng)；4-改向滾筒；5-回程托輥；6-驅(qū)動滾筒

2 可調(diào)磁力大小磁式輸送機結(jié)構(gòu)設(shè)計

鑒于以上三種輸送機的比較，本文進一步深入研究并設(shè)計了一種可以改變磁場大小的磁式帶式輸送機，其截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。在盤槽處安裝矩形通電線圈，輸送帶為磁性輸送帶，這樣可以通過調(diào)節(jié)通電線圈的電流進而改變磁場大小，適用于不同重量的物料輸送。與帶式輸送機相比，去除了上托輥，利用磁懸浮支撐代替托輥接觸支撐；下托輥設(shè)計數(shù)量比較少，因為此處輸送帶不受物料載荷，因此仍保持下托輥的接觸支撐結(jié)構(gòu)不變，與通用帶式輸送機設(shè)計一致。還需要注意：滾筒、托輥等部分零部件的材料應(yīng)調(diào)整為防磁性材料，以免引起不必要的磁污染。

圖4 可調(diào)磁式帶式輸送機的截面結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計我們只考慮機械結(jié)構(gòu)問題，忽略矩形線圈的間隙、漏磁、輸送帶厚度不均勻、灰塵對于托輥的影響等情況，將空氣域視為理想氣體，視永磁體線為線性關(guān)系，且只考慮永磁體與矩形通電線圈之間的磁場作用力一一對應(yīng)且均勻。磁式輸送機整體結(jié)構(gòu)與圖3所示一樣，具體大小以及尺寸還要根據(jù)實際情況進行布置。

3 磁式輸送機力學分析

在對磁式帶式輸送機進行磁學分析前，首先分析輸送帶所受的力。力學的簡化可以說是進行磁式輸送機力學分析最基礎(chǔ)的任務(wù)。由于實際力學分析較為復(fù)雜，且邊界條件、永磁鐵的布置以及受力、風速等其他需要考慮的因素很多，所以本文只考慮邊界條件，不再考慮其他因素。磁體支撐系統(tǒng)截面圖以及受力分析如圖5所示。圖5中，G為磁性輸送帶與物料的總重力，F(xiàn)1為n1匝通電線圈提供的磁場力，F(xiàn)2為n2匝通電線圈提供的磁場力，F(xiàn)3為n3匝通電線圈提供的磁場力。磁式輸送機的縱向力學分析模型如圖6所示。

通過分析可以獲取相應(yīng)的邊界條件。假設(shè)在輸送線路上均處于理想狀態(tài)下，則得到下列公式：

G=F2+F1sinα+F3sinα.

(1)

F1≈F3.

(2)

設(shè)n1匝、n2匝、n3匝為一套產(chǎn)生磁場設(shè)備，共布置n套該設(shè)備，且忽略每套設(shè)備間隙的誤差，則每套磁設(shè)備所需產(chǎn)生的勵磁力為:

(3)

F′=G.

(4)

輸送機勵磁力邊界條件為：

(5)

其中：m1為單位長度磁性輸送帶的質(zhì)量，kg/m；m2為單位長度物料的質(zhì)量，kg/m；a0為輸送帶承載分支托輥的長度，m；g為重力加速度。

通過查閱大量的文獻發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)托輥輸送機的各個輥子上的載荷分布滿足圖7所示情況。

圖5 磁體支撐系統(tǒng)截面圖以及受力分析

圖6 磁式輸送機的縱向力學分析模型

圖7 槽型各托輥受力情況

所以線圈的圈數(shù)可以近似根據(jù)圖7托輥受力的大小進行合理設(shè)置。

4 磁場變化的原理

設(shè)n匝矩形線圈通過的電流為I，矩形線圈長寬分別為a、b，由畢奧薩伐爾定律得軸線上離矩形中心x處的磁感應(yīng)強度為：

(6)

其中：μ0為真空中的磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7Wb/(A·m)。

在x處的電磁鐵磁力大小為：

(7)

其中：Φ為工作氣隙磁通,Wb；S為線圈截面積，m2。

由式(6)和式(7)可知，當n匝線圈確定后，線圈截面積S、矩形線圈長寬a和b也恒定不變，所以永磁體輸送帶在線圈x處的磁感應(yīng)強度隨通電線圈電流I大小的改變而改變。進而此處的磁力大小也與通電線圈的電流有關(guān)，通過增大或減小電流可以改變磁場強度，進而改變磁力的大小。

5 結(jié)論

本文提出了一種磁式輸送機的設(shè)計，可以通過調(diào)節(jié)電流的大小進而改變磁力的大小，從而承載不同的物料，適應(yīng)于輸送單位物料質(zhì)量不均的場合。在有一定坡度的場合輸送物料時，需要增大摩擦力以防止物料的滑落，而在近似水平(坡度很小)的場合輸送物料時，可調(diào)整磁式輸送機在高速度、低摩擦下運行，以提高輸送效率。

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