李明霞,張明鑫,王長(zhǎng)飛,李先磊
(1.青島華夏橡膠工業(yè)有限公司,山東青島 266228;2.中國(guó)檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)山東有限公司,山東青島 266073)
氣墊帶式輸送機(jī)是20 世紀(jì)70 年代荷蘭首先研制成功的。世界上第1 臺(tái)小型氣墊輸送機(jī)的帶寬為500 mm,機(jī)長(zhǎng)約13 m。經(jīng)過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn),取得了托輥膠帶輸送機(jī)難以達(dá)到的指標(biāo),如摩擦系數(shù)降低到0.02~0.002。氣墊帶式輸送機(jī)因其所特有的承載、輸送機(jī)理體現(xiàn)出節(jié)能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和綜合社會(huì)效益等幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì),日益引起人們的重視,并逐步向長(zhǎng)距離、大運(yùn)量方向發(fā)展[1]。早在1986 年,我國(guó)輸送機(jī)廠家制造的氣墊帶式輸送機(jī)就在輸煤系統(tǒng)得到成功應(yīng)用的先例。最大輸送量629 t/h 的氣墊帶式輸送機(jī)在北京礦務(wù)局王村平莊煤礦投產(chǎn)運(yùn)行,至今使用良好。據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證:氣墊形成良好,運(yùn)行阻力比托輥輸送機(jī)小2~3 倍,運(yùn)行平穩(wěn)可靠,能帶負(fù)荷啟動(dòng);間斷給煤(給煤量波動(dòng)范圍達(dá)30%)也未影響正常運(yùn)行[2]?,F(xiàn)有10 余條電廠輸煤系統(tǒng)使用氣墊帶式輸送機(jī)(全部國(guó)產(chǎn)),最大輸送能力為1 000 t/h[3]。
輸送帶作為氣墊帶式輸送機(jī)的核心關(guān)鍵部件,是氣墊帶式輸送機(jī)必不可少的部分。由于受輸送帶技術(shù)限制,長(zhǎng)距離、大運(yùn)量氣墊帶式輸送機(jī)受到限制,開(kāi)展新型鋼絲繩芯輸送帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并采取一定的柔性措施,提高鋼絲繩芯輸送帶橫縱向柔性,提高輸送帶成槽性,降低彈性模量,使其能成功應(yīng)用到長(zhǎng)距離、大運(yùn)量輸煤系統(tǒng)氣墊帶式輸送機(jī)中具有重要的研究意義。
氣墊式輸送機(jī)是用薄氣膜支承輸送帶及其上物料的帶式輸送機(jī),將托輥帶式輸送機(jī)的托輥用帶孔的氣室代替,當(dāng)氣源向氣室內(nèi)提供具有一定壓力和流量的空氣后,氣室內(nèi)的空氣經(jīng)盤(pán)槽上的小孔逸出,在輸送帶和盤(pán)槽之間形成1 層具有一定壓力的氣膜支承輸送帶及其上部物料。把按一定間距布置的托輥支承變成了連續(xù)的氣膜支承,使輸送帶與托輥之間的滾筒摩擦變成輸送帶與盤(pán)槽間以空氣為介質(zhì)的流體摩擦,減小了運(yùn)行阻力,帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn)[4]。
1)氣墊式輸送機(jī)由于采用氣膜支撐輸送帶,運(yùn)行阻力顯著降低。一般情況下,傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的模擬摩擦阻力系數(shù)為0.015~0.035,而氣墊式輸送機(jī)的模擬摩擦阻力系數(shù)為0.006~0.012。水平輸送的氣墊帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置能耗加風(fēng)源能耗比通用帶式輸送機(jī)減少10%~30%,節(jié)能效果比較顯著。
2)由于氣墊式輸送機(jī)運(yùn)行阻力小。輸送帶的張力大大降低,輸送帶的強(qiáng)度可大幅下降;同時(shí)輸送帶磨損顯著降低,輸送帶使用壽命可延長(zhǎng)1 倍以上。
3)因輸送帶由連續(xù)介質(zhì)(空氣氣膜)支撐,所以物料在輸送過(guò)程中非常平穩(wěn),不會(huì)發(fā)生拋撒和攪混現(xiàn)象,特別適用于高速運(yùn)行,最高帶速可達(dá)8 m/s 以上,有利于文明生產(chǎn)。
4)氣膜具有自動(dòng)對(duì)中性。輸送帶始終處于氣室盤(pán)槽中心線(xiàn)(盤(pán)槽最低處)運(yùn)行,輸送帶不跑偏,不存在因輸送帶跑偏造成的撕裂問(wèn)題。
5)氣墊式輸送機(jī)在盤(pán)槽中運(yùn)行,避免了輸送帶與人的接觸,具有極好的安全性,有利于安全生產(chǎn)。
6)氣墊式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,氣室是固定件不易磨損;而普通帶式輸送機(jī)的托輥是運(yùn)動(dòng)件易磨損,需要經(jīng)常更換。若帶式輸送機(jī)的使用壽命為5 年,則每千米輸送機(jī)每年可節(jié)省托輥維修費(fèi)用10 萬(wàn)元以上。
7)氣墊式輸送機(jī)為全密封結(jié)構(gòu),輸送帶和物料被完全密封,不僅有利于防雨、防塵,潔凈工作環(huán)境,而且新建項(xiàng)目可省去基礎(chǔ)面以上的棧橋頂蓋及兩側(cè)建筑,節(jié)省基礎(chǔ)投資。
8)氣墊式輸送機(jī)電機(jī)裝機(jī)功率小。普通帶式輸送機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷啟動(dòng)時(shí),不但需要克服帶式輸送機(jī)物料的慣性阻力,而且還要克服大量托輥由靜止到轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性阻力以及輸送帶與托輥的機(jī)械摩擦阻力。這就要求普通帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須有較大的功率儲(chǔ)備,否則事故停機(jī)后(輸送帶上堆滿(mǎn)物料)將無(wú)法啟動(dòng)。機(jī)長(zhǎng)越長(zhǎng)、電機(jī)的功率儲(chǔ)備就越大。而氣墊式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí),輸送帶及物料被氣膜托起,其靜摩擦阻力很小,驅(qū)動(dòng)電機(jī)只須克服帶式輸送機(jī)物料的慣性阻力。因此,驅(qū)動(dòng)電機(jī)不需要很大的功率儲(chǔ)備就能達(dá)到滿(mǎn)載啟動(dòng)。
9)對(duì)于上運(yùn)輸送的工況,逆止安全可靠;對(duì)于下運(yùn)輸送的工況,停機(jī)后輸送帶無(wú)下滑現(xiàn)象。
氣墊帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)型式分為半氣墊型(僅上分支輸送帶以氣墊支承)和全氣墊型(上、下分支輸送帶均采用氣墊支承)2 類(lèi)。
1)半氣墊型。敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)的上部承載結(jié)構(gòu)為氣室,下部仍然采用回程托輥。該結(jié)構(gòu)為國(guó)內(nèi)使用較為廣泛的結(jié)構(gòu),主要適用于室內(nèi)和有輸送機(jī)走廊的場(chǎng)合。密封式結(jié)構(gòu)是在敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上,在氣室上方加防雨罩并加上密封條密封起來(lái)。輸送過(guò)程中物料不受環(huán)境及氣候的影響,用于露天防雨及輸送易飛揚(yáng)的粉狀物料如煤粉、水泥以及糧食等場(chǎng)合,半氣墊加罩型(密封式)氣墊機(jī)如圖1。
圖1 半氣墊加罩型(密封式)氣墊機(jī)
2)全氣墊型。敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)是在承載和回程分支采用全氣墊支承。它能充分體現(xiàn)氣墊機(jī)的優(yōu)點(diǎn),但設(shè)備造價(jià)較高,質(zhì)量較重,全氣墊型(敞開(kāi)式)氣墊機(jī)如圖2。密封式結(jié)構(gòu)是在敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上,在氣室上加密封罩。
氣墊機(jī)傳動(dòng)滾筒上所需圓周力FM系主要阻力FH、附加阻力FN、特殊阻力FS和傾斜阻力FSt之和。
對(duì)于均勻而連續(xù)加載的氣墊帶式輸送機(jī),可按下列公式計(jì)算:
圖2 全氣墊型(敞開(kāi)式)氣墊機(jī)
式中:δ 為輸送機(jī)傾角,(°);qG為每米長(zhǎng)度輸送物料的質(zhì)量,kg/m;qB為每米長(zhǎng)度輸送帶質(zhì)量(kg/m);qRO為承載分支每米長(zhǎng)度托輥轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量,kg/m;qRU為回程分支每米長(zhǎng)度托輥轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量,kg/m;fA為氣墊的運(yùn)行阻力系數(shù);fi為托輥的運(yùn)行阻力系數(shù);L為輸送機(jī)長(zhǎng)度,m;LA為氣墊機(jī)氣室段支承的長(zhǎng)度,m;Li為氣墊機(jī)托輥段支承的長(zhǎng)度,m;g 為重力加速度,9.81 m/s2;ρ 為物料的堆積密度,kg/m3。
式中:IV為體積輸送量,m3/s;ν 為帶速,m/s。
對(duì)于長(zhǎng)距離氣墊機(jī)(一般長(zhǎng)度大于80 m),附加阻力明顯小于主要阻力,因此可以引入一個(gè)取決于氣墊機(jī)長(zhǎng)度的附加阻力系數(shù)C,可按下式簡(jiǎn)化計(jì)算:
式中:C 為附加阻力系數(shù),其值須大于1.02;H為加料段與卸料段之間的高度差,m。
對(duì)于傾角<18°的氣墊機(jī),可以認(rèn)為cosδ≈1,進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算[5]。
結(jié)合氣墊輸送機(jī)運(yùn)行阻力分析,與普通帶式輸送機(jī)對(duì)比,氣墊帶式輸送機(jī)整機(jī)運(yùn)行阻力下降。根據(jù)氣墊輸送機(jī)氣膜形成理論研究和行為分析[6-7],氣墊輸送機(jī)節(jié)能運(yùn)行的前提必須保證輸送帶與盤(pán)槽之間形成穩(wěn)定的氣膜。為了保證輸送帶與盤(pán)槽之間形成穩(wěn)定的氣膜,則輸送帶的成槽性要求高,與盤(pán)槽底面能緊密貼合。所以在氣墊輸送帶選型中通常會(huì)選用骨架材料層數(shù)少,厚度小的織物芯輸送帶。
對(duì)于長(zhǎng)距離、大運(yùn)量煤炭系統(tǒng),要求輸送帶強(qiáng)度高,而由于織物芯輸送帶的層數(shù)限制,且織物芯輸送帶會(huì)在使用過(guò)程中在牽引張力的的作用下產(chǎn)生較大的不可恢復(fù)性伸長(zhǎng),產(chǎn)生設(shè)備打滑,影響傳動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng),不能滿(mǎn)足長(zhǎng)距離輸送要求。高強(qiáng)度織物芯輸送帶由于骨架材料剛性太大,成槽性差,會(huì)導(dǎo)致輸送帶無(wú)法與盤(pán)槽間形成穩(wěn)定的氣膜,在氣墊式輸送機(jī)中的應(yīng)用受到限制。普通鋼絲繩芯輸送帶由于質(zhì)量大、橫向剛性大問(wèn)題,也無(wú)法和盤(pán)槽間形成穩(wěn)定的氣膜,使氣墊式輸送機(jī)在長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高強(qiáng)度輸煤系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。
為滿(mǎn)足長(zhǎng)距離、大運(yùn)量輸煤系統(tǒng)的需要,需要設(shè)計(jì)新型鋼絲繩輸送帶,優(yōu)化橡膠柔性,降低內(nèi)應(yīng)力,大幅度提高成槽性,使鋼絲繩芯輸送帶與盤(pán)槽間形成穩(wěn)定的氣膜,在保證整體帶體強(qiáng)度的前提下有效降低輸送帶的整體質(zhì)量和運(yùn)行阻力,使鋼絲繩芯輸送帶適宜于輸煤系統(tǒng)用氣墊帶式輸送機(jī)。
青島華夏橡膠研發(fā)的HHE 鋼絲繩芯氣墊輸送帶,采用了專(zhuān)業(yè)化結(jié)構(gòu)和特殊性能設(shè)計(jì),具有帶體強(qiáng)度高、帶體薄、質(zhì)量輕、疲勞壽命長(zhǎng)、耐磨、壓陷變形小[8]等顯著優(yōu)勢(shì),解決了高強(qiáng)度輸煤系統(tǒng)輸送帶與盤(pán)槽間無(wú)法形成穩(wěn)定氣膜的行業(yè)難題。
普通鋼絲繩芯輸送帶設(shè)計(jì),骨架材料鋼絲繩直徑大,鋼絲繩排布間距大,適用于托輥式輸送機(jī),在惡劣工況條件時(shí),托輥給鋼絲繩帶來(lái)強(qiáng)制外力損傷時(shí),可盡量保證鋼絲繩的完好,減少鋼絲繩斷裂風(fēng)險(xiǎn)。
氣墊用輸送機(jī)無(wú)托輥,使用氣膜支撐輸送帶,不會(huì)出現(xiàn)因托輥導(dǎo)致的鋼絲繩斷裂風(fēng)險(xiǎn),采用小直徑多根鋼絲繩排布方式,是輸送帶整體受力更均布,輸送帶自身質(zhì)量分布更均勻,有利于氣墊式輸送機(jī)氣膜的形成。
以ST3500 和HHE3500 為例,鋼絲繩直徑下降42%,鋼絲繩根數(shù)提高163%,鋼絲繩直徑和鋼絲繩根數(shù)見(jiàn)表1。
表1 ST3500 和HHE3500 參數(shù)對(duì)比
普通輸送帶用鋼絲繩每根鋼絲繩最多由133 股編織而成,單股鋼絲直徑大,使用的材質(zhì)為普通型號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,捻距大,導(dǎo)致鋼絲繩整體剛性大。
HHE 輸送帶用鋼絲繩采用定制設(shè)計(jì),每根鋼絲繩最多用190 股編織而成,單股鋼絲直徑小,使用的材質(zhì)為更高型號(hào)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,經(jīng)熱處理后,單絲強(qiáng)度大,彈性好。捻距小,鋼絲繩整體柔性?xún)?yōu)異。ST3500 和HHE3500 參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。
在煤炭載入輸送帶上時(shí),煤炭在水平方向一般無(wú)速度,會(huì)與輸送帶形成相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生摩擦磨損。在設(shè)計(jì)使用壽命相同的條件下,通過(guò)配方設(shè)計(jì)提高HHE 輸送帶耐物料摩擦磨損性能,通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低輸送帶運(yùn)行中的磨損,根據(jù)氣墊輸送機(jī)特性?xún)?yōu)化覆蓋層厚度,以達(dá)到降低覆蓋層厚度、輸送帶輕量化的目的。
HHE 鋼絲繩芯輸送帶使用高耐磨和超高耐磨覆蓋膠。普通的ST 鋼絲繩輸送帶覆蓋膠DIN 磨耗≤200 mm3,而HHE 鋼繩芯帶高耐磨覆蓋膠DIN磨耗≤90 mm3,覆蓋膠耐磨性能提高了55%;HHE鋼繩芯帶超高耐磨覆蓋膠DIN 磨耗≤60 mm3,覆蓋膠耐磨性能提高了70%[9]。
ST 輸送帶鋼絲繩根數(shù)少,鋼絲繩間距大,每根鋼絲承受應(yīng)力大,鋼絲部位凸出于表面,壓陷變形量大,磨損加重。使用一段時(shí)間后,鋼絲繩部位的覆蓋膠磨損嚴(yán)重,鋼絲繩先從帶面露出。
HHE 輸送帶優(yōu)化內(nèi)部鋼絲繩排布,鋼絲繩根數(shù)增多,鋼絲繩間距減小,壓陷變形量小,減少鋼絲繩凸出與物料的磨損。
以ST3500 和HHE3500 對(duì)比為例:帶寬1 800 mm,安全系數(shù)為8。ST3500 每米質(zhì)量65 kg,每根鋼絲繩承受拉力平均值為6 731 N;HHE3500 每米質(zhì)量45 kg,每根鋼絲繩承受拉力平均值為2 557 N。HHE3500對(duì)比ST3500 質(zhì)量下降31%,每根繩承受的拉力平均值下降62%,使輸送帶受力分布均勻性有了顯著性提高。
為滿(mǎn)足氣墊式輸送機(jī)能形成穩(wěn)定氣膜的要求,除鋼絲繩特殊設(shè)計(jì)提高柔性外,對(duì)鋼絲繩芯膠和覆蓋膠的柔性也進(jìn)行了定制設(shè)計(jì)。
通過(guò)采用大分子本身有較高柔性的高彈性橡膠并用,提高芯膠和覆蓋膠的彈性和柔性。補(bǔ)強(qiáng)體系采用硬質(zhì)炭黑、軟質(zhì)炭黑和納米層狀硅酸鹽材料并用,既提高橡膠的物理機(jī)械性能,又保證了橡膠的柔性。增塑體系采用石油系增塑劑和煤焦油系增塑劑并用,降低橡膠分子鏈間的作用力,增加膠料的可塑性、流動(dòng)性、黏著性,賦予硫化膠較高的彈性和柔性,較低的生熱,提高耐寒柔性。
通過(guò)輸送帶中鋼絲繩結(jié)構(gòu)及排列設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)、膠料柔性設(shè)計(jì),使HHE 鋼絲繩芯輸送帶的彈性模量有了明顯下降,使鋼絲繩芯輸送帶的橫向和縱向柔性都有了進(jìn)一步的提高,適用于氣墊輸送帶的要求,擴(kuò)展了氣墊式輸送機(jī)在長(zhǎng)距離、大運(yùn)量工況的應(yīng)用領(lǐng)域。
由ST 和HHE 縱向、橫向彈性模量對(duì)比檢測(cè)圖(圖略)得到的ST 和HHE 彈性模量對(duì)比表見(jiàn)表2。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行對(duì)比分析,HHE 縱向彈性模量比ST 下降21.7%;HHE 橫向彈性模量比ST 下降54.8%。彈性模量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果充分證明,HHE縱向和橫向柔性都優(yōu)于ST。
表2 ST 和HHE 彈性模量對(duì)比表
為驗(yàn)證HHE 氣墊輸送帶使用效果,搭建長(zhǎng)度為9.5 m 的氣墊式輸送機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。輸送帶型號(hào)為HHE3500,帶寬為1 800 mm。運(yùn)載物料為煤炭。載重2 000 kg。
啟動(dòng)設(shè)備供氣后,輸送帶與盤(pán)槽間形成穩(wěn)定氣膜。使用電子拉力計(jì)對(duì)其啟動(dòng)時(shí)拉力和運(yùn)行時(shí)拉力進(jìn)行檢測(cè),啟動(dòng)拉力和運(yùn)行拉力實(shí)測(cè)記錄表見(jiàn)表3。
表3 啟動(dòng)拉力和運(yùn)行拉力實(shí)測(cè)記錄表
實(shí)測(cè)啟動(dòng)時(shí)拉力平均值為128.6 N,計(jì)算得摩擦系數(shù)為0.006 3;運(yùn)行時(shí)拉力平均值為79.9 N,計(jì)算得摩擦系數(shù)為0.003 9。遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)托輥帶式輸送機(jī)模擬摩擦系數(shù)0.015~0.035,在啟動(dòng)和運(yùn)行阻力方面,節(jié)能效果顯著。
雖然氣墊式輸送機(jī)的輸送傾角可比普通帶式輸送機(jī)大3°~ 5°,但是在超過(guò)各種物料最大輸送傾角的輸送機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),仍需要考慮使用花紋氣墊輸送帶??椢镄净y輸送帶,由于鑲嵌花紋導(dǎo)致非工作面平整度差,使其無(wú)法與盤(pán)槽之間形成穩(wěn)定的氣膜,不適用于氣墊式輸送機(jī)。
HHE 鋼絲繩芯花紋輸送帶,由于骨架材料挺性好,只要花紋類(lèi)型選擇得當(dāng),花紋膠彈性和柔性好,鑲嵌的花紋就不會(huì)導(dǎo)致非工作面平整度下降,可以與盤(pán)槽之間形成穩(wěn)定的氣膜,可適用于氣墊式輸送機(jī)。
經(jīng)過(guò)多個(gè)花紋篩選和試用,優(yōu)化出花紋類(lèi)型,經(jīng)測(cè)試,HHE 鋼絲繩花紋輸送帶柔性好,實(shí)測(cè)成槽度為0.38。為驗(yàn)證HHE 花紋氣墊輸送帶使用效果,搭建長(zhǎng)度為12 m 的氣墊式輸送機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。輸送帶型號(hào)為HHE1 600,帶寬1 200 mm。啟動(dòng)設(shè)備供氣后,輸送帶與盤(pán)槽間可形成穩(wěn)定氣膜。
青島華夏橡膠工業(yè)有限公司生產(chǎn)的帶寬1 800 mm,HHE3500 為代表的HHE 鋼絲繩芯氣墊輸送帶,成功應(yīng)用于輸送量達(dá)到4 500 t/h 的節(jié)能環(huán)保大運(yùn)量輸煤氣墊帶式輸送系統(tǒng)中(氣墊輸送機(jī)為河南天隆輸送裝備有限公司制造)。目前,國(guó)外輸煤系統(tǒng)的氣墊帶式輸送機(jī)最大運(yùn)輸量為2 500 t/h,HHE 鋼絲繩芯氣墊帶式輸送機(jī)煤炭運(yùn)輸量已達(dá)4 500 t/h。帶寬1 200 mm,HHE1600 鋼絲繩芯花紋氣墊輸送帶成功應(yīng)用于大傾角輸煤系統(tǒng)中。
氣墊式輸送機(jī)是在傳統(tǒng)托輥帶式輸送機(jī)上的再一次跨越,使物料的帶式運(yùn)輸由傳統(tǒng)的開(kāi)放型轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]化、輕量化、集約化運(yùn)輸,提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性,大大降低了輸煤系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)粉塵、噪音污染,符合國(guó)家綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。自主開(kāi)發(fā)的HHE 氣墊輸送帶充分應(yīng)用鋼絲繩技術(shù)革新和新型納米材料技術(shù),是ST 輸送帶的升級(jí)換代產(chǎn)品,解決了以往高強(qiáng)度輸送帶帶體重、成槽差、剛性大、無(wú)法與盤(pán)槽間形成穩(wěn)定氣膜的問(wèn)題,為氣墊帶式輸送機(jī)提供了高強(qiáng)度、輕量化的配套輸送帶,助推氣墊帶式輸送機(jī)在長(zhǎng)距離、大運(yùn)量輸煤運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用。