帶式輸送機(jī)槽形托輥壓陷阻力理論研究

王玨

（遼陽市宏偉區(qū)民生和社會(huì)保障事務(wù)服務(wù)中心，遼寧遼陽111000）

0 引言

在現(xiàn)代化的工業(yè)企業(yè)中，帶式輸送機(jī)是生產(chǎn)過程中流水作業(yè)輸送線上不可缺少的組成部分，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的迅速進(jìn)步，帶式輸送機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛、越來越深入，成為了散料運(yùn)輸?shù)闹饕b備，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中扮演著越來越重要的角色。

帶式輸送機(jī)是利用驅(qū)動(dòng)滾筒和改向滾筒將形成環(huán)形的輸送帶張緊，上槽形托輥和下平直托輥?zhàn)鳛橹屋斔蛶У妮d體，帶動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)輸送帶運(yùn)行，進(jìn)行貨載的輸送。輸送帶運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的主要阻力有：物料的擠壓阻力、輸送帶的彎曲擠壓阻力、輸送帶在托輥上的壓陷阻力、托輥的運(yùn)行阻力，其中作用在上槽形托輥和下平直托輥上的壓陷阻力，所占的比重最大[1]。如果輸送機(jī)輸送的距離長(zhǎng)、托輥的數(shù)量多，那么托輥即成為主要消耗功率的部件，因此推導(dǎo)壓陷阻力計(jì)算公式具有重要意義。

1 壓陷阻力的形成機(jī)理

輸送帶是帶式輸送機(jī)重要的部件之一，它既是承載機(jī)構(gòu)又是牽引機(jī)構(gòu)，因?yàn)楦采w在輸送帶上的橡膠材料具有一定的彈性和硬度，所以當(dāng)輸送帶運(yùn)行到托輥上時(shí)，由于自身和貨載的重力作用，輸送帶的下覆蓋面被壓陷在托輥上，產(chǎn)生了壓陷阻力。壓陷持續(xù)的時(shí)間和周期相當(dāng)短。

輸送帶的受力情況如圖1所示，N為托輥對(duì)輸送帶的作用力，方向?yàn)橥夥ň€方向，垂直方向的分力支撐輸送帶和物料載荷，水平方向的分力即為托輥對(duì)輸送帶的壓陷阻力。

圖1 輸送帶的受力分析

2 平直托輥的壓陷阻力

如圖2所示，輸送帶以速度v向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)行到托輥上時(shí)，產(chǎn)生具有滯后特性的壓陷變形，因此承載段只有A（B，其中τ為應(yīng)變滯后于應(yīng)力的時(shí)間差[2]。

用計(jì)算損耗能的方法推導(dǎo)出平直托輥的壓陷阻力理論公式為

圖2 輸送帶通過托輥時(shí)的壓陷滾動(dòng)狀態(tài)

式中：G為作用在單個(gè)托輥上輸送帶的重力；B為帶寬；h為輸送帶厚度；E為彈性體彈性模量。

3 輸送帶與貨載間的應(yīng)力

帶式輸送機(jī)在運(yùn)載貨物過程中，松散貨載在槽形輸送帶的覆蓋形狀如圖3所示，該多邊形由托輥輪廓線和輸送貨載堆積的輪廓線組成，β為托輥槽角，φ為貨載動(dòng)安息角，b為有效寬度[3]：

貨載截面面積A由A1和A2兩部分構(gòu)成：

以槽形三托輥組為研究對(duì)象，在托輥處輸送帶與貨載間的應(yīng)力計(jì)算分兩種情況。

圖3 貨載截面圖

1）側(cè)傾角小于輸送帶-貨載間的摩擦角[4]。此種狀態(tài)下，輸送帶、貨載間無相對(duì)滑動(dòng)，輸送帶與貨載間的壓應(yīng)力計(jì)算式為

式中：p為側(cè)壓系數(shù)；γ為貨載比重；z′為料層高度：z′=（yy1）·（tan β+tan φ），y1≤y≤y2；z′=（y-y1）·tan φ+（y2-y1）·tan β，y2≤y≤0。

2）側(cè)傾角大于輸送帶-貨載間的摩擦角。此種狀態(tài)下，輸送帶、貨載間有相對(duì)滑動(dòng)，輸送帶與貨載間的壓應(yīng)力計(jì)算式為

式中，f為帶料間動(dòng)摩擦因數(shù)。

在托輥處，單位長(zhǎng)度橫向長(zhǎng)為dy的一段輸送帶所受貨載的壓力為

4 槽形托輥的壓陷阻力

因?yàn)檩斔蛶г谕休伾线\(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷對(duì)帶與托輥間的相互作用不產(chǎn)生很大影響，所以作用到托輥上的重力可視為貨載和輸送帶自身的重力。

作用到托輥上的貨載質(zhì)量與托輥所受壓力的關(guān)系為

式中，l為托輥間距。

將σβ代入式（6）得

設(shè)Q為裝料量，則根據(jù)貨載截面面積有

將式（7）、式（8）代入式（1）中得到槽形托輥壓陷阻力理論公式為

5 影響因素分析

通過推導(dǎo)出的槽形托輥壓陷阻力理論公式（9），分析其與影響因素之間的關(guān)系如下：

1）輸送帶下覆蓋膠越厚，壓陷阻力越大。輸送帶覆蓋膠厚度是依據(jù)材料進(jìn)行選擇的，覆蓋膠厚度的增加有利于提高輸送帶的耐沖擊與抗磨損性能，為使輸送帶的整體性能全面提高，應(yīng)相應(yīng)地提高覆蓋膠厚度，從而提高輸送帶的使用壽命。但是下覆蓋膠過厚使壓陷阻力增大，因此在滿足輸送帶使用壽命的條件下，應(yīng)盡量將下覆蓋膠厚度設(shè)計(jì)成最小來降低壓陷阻力。

2）帶式輸送機(jī)托輥直徑越大，則壓陷阻力越小。這可以理解為：托輥直徑大，帶與托輥的接觸面積大，壓陷程度小，因此壓陷阻力就小。但是托輥直徑也不是越大越好，因其還受其它條件限制，托輥直徑越大，托輥的運(yùn)行阻力就越大，因此在設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)時(shí)，應(yīng)將以上兩個(gè)條件結(jié)合起來考慮，綜合確定托輥的直徑。

3）壓陷阻力隨裝載量的增大而增大。

4）壓陷阻力隨輸送帶單位長(zhǎng)度質(zhì)量增大而增大。在輸送機(jī)的回程段，作用在托輥上的力只有輸送帶的質(zhì)量。

5）托輥間距越大，壓陷阻力越大。這是因?yàn)殚g距大了作用在單個(gè)托輥上的質(zhì)量也隨之增大。減小托輥的間距雖然可以降低單個(gè)托輥上的壓陷阻力，但是與此同時(shí)輸送機(jī)全長(zhǎng)上托輥的數(shù)量就要增多，不僅整個(gè)輸送帶受到的壓陷阻力增加了，托輥的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用也要增多。

6）托輥槽角越大，壓陷阻力越大。輸送帶上的貨載一定，槽角大則物料堆積厚，物料與輸送帶間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，作用在托輥上的壓力加大，導(dǎo)致壓陷阻力增大，但是槽角小的話，容易撒料。

7）輸送帶越寬，壓陷阻力越小。貨載量一定，帶窄容易撒料，帶越寬則輸送帶上貨載越分散，分布在托輥上的壓力小，因此壓陷阻力就小。但是輸送帶寬的話，輸送帶的質(zhì)量必然增大，導(dǎo)致壓陷阻力的增大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合這兩點(diǎn)來確定帶寬值。

8）橡膠材料彈性模量越大，壓陷阻力越小。當(dāng)受到外力作用時(shí)，對(duì)于彈性模量大的橡膠材料，應(yīng)變滯后應(yīng)力的時(shí)間短，因此滯后損耗小，即壓陷阻力小。損耗因子可用來表示橡膠材料的滯后性能，而損耗因子與彈性模量有關(guān)。輸送帶在長(zhǎng)期的使用中，受到氧、臭氧、光、熱、應(yīng)力（應(yīng)變）等環(huán)境條件的影響而產(chǎn)生老化現(xiàn)象，輸送帶的表面出現(xiàn)龜裂后彈性減小，壓陷阻力逐漸增大。一般說來，彈性模量較大的橡膠材料耐老化的性能不是很好，因此在選擇橡膠材料時(shí)應(yīng)綜合考慮。

9）壓陷阻力先隨帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度加大而減小，當(dāng)小到一定值后開始隨帶速的增大而增大。在進(jìn)行具體數(shù)值分析時(shí)，通過計(jì)算可得到壓陷阻力達(dá)到最小值時(shí)的輸送機(jī)運(yùn)行速度。帶速對(duì)壓陷阻力影響的情況較復(fù)雜些，因?yàn)樗c裝載量有關(guān)。裝載量是一定的，輸送帶運(yùn)行慢時(shí)堆積的貨載多，運(yùn)行快時(shí)堆積的貨載少，但是作用在每個(gè)托輥上輸送帶的重力是始終不變的，對(duì)壓陷阻力的影響貫穿全程，當(dāng)輸送帶運(yùn)行加快時(shí)膠帶自重和帶速的共同作用對(duì)壓陷阻力的影響較大。

6 結(jié)語

本文以帶式輸送機(jī)上槽形托輥為研究對(duì)象，基于平直托輥的壓陷阻力理論公式，推導(dǎo)出了槽形托輥壓陷阻力理論公式，并分析了壓陷阻力與其影響因素之間的關(guān)系。以上的論述可供技術(shù)研究人員參考，有待在實(shí)踐中得到驗(yàn)證。