帶式輸送機(jī)支腿埋件水平荷載分析

彭程PENG Cheng

（山東能源集團(tuán)新能源有限公司，濟(jì)南250014）

0 引言

帶式輸送機(jī)是目前應(yīng)用非常廣泛的物料運(yùn)輸機(jī)械，在煤礦、電力、化工等行業(yè)有著低成本、大運(yùn)量的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于帶式輸送機(jī)本身的設(shè)計(jì)計(jì)算資料非常多，但基本是對(duì)于設(shè)備本身的滾筒、托輥、膠帶等方面的設(shè)計(jì)計(jì)算。而對(duì)于埋件受力的大小，多數(shù)設(shè)計(jì)院會(huì)參考經(jīng)驗(yàn)值或由設(shè)備生產(chǎn)廠家進(jìn)行計(jì)算。但對(duì)于帶式輸送機(jī)頭架、尾架、拉緊裝置處因?yàn)槭芰Υ?，設(shè)備廠和設(shè)計(jì)院多針對(duì)其進(jìn)行了很多分析計(jì)算，但對(duì)于帶式輸送機(jī)的支腿埋件的受力，并沒(méi)有進(jìn)行精確計(jì)算。這就使得在進(jìn)行帶式輸送機(jī)配套的棧橋設(shè)計(jì)時(shí)，棧橋的受帶式輸送機(jī)支腿的作用力是不精確的。為了確保棧橋結(jié)構(gòu)的安全性，設(shè)計(jì)方往往將支腿受力增大，這樣就會(huì)使整個(gè)棧橋面荷載增加，從而導(dǎo)致棧橋的建設(shè)成本上升。

本文針對(duì)帶式輸送機(jī)的一組機(jī)身的基本單元，對(duì)其進(jìn)行平行于棧橋方向進(jìn)行受力分析，并通過(guò)一組實(shí)例計(jì)算埋件水平荷載并與常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較，從而為精確提出埋件受力提供依據(jù)。這樣可以為后續(xù)土建專業(yè)優(yōu)化棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低棧橋建設(shè)成本提供依據(jù)。

1 帶式輸送機(jī)簡(jiǎn)介及研究現(xiàn)狀

1.1 帶式輸送機(jī)簡(jiǎn)介

帶式輸送機(jī)是用來(lái)輸送散裝物料的主要設(shè)備，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸送能力大、投資費(fèi)用相對(duì)較低及維護(hù)方便等特點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)而受到了各基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域的青睞，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。帶式輸送機(jī)的發(fā)展大約已經(jīng)有兩個(gè)世紀(jì)的歷史，輸送帶由最初的動(dòng)物皮革和纖維棉縫制，到尼龍、聚酯等織物帶，再到現(xiàn)在的鋼絲繩芯輸送帶，無(wú)論從材質(zhì)上還是功能類型上都得到極大的發(fā)展[2]。

帶式輸送機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)送物料種類多樣、運(yùn)送能力強(qiáng)、環(huán)境適用性好、裝卸物料方便、運(yùn)行維護(hù)成本低等。這些優(yōu)點(diǎn)決定了帶式輸送機(jī)可以應(yīng)用在煤炭、冶金、建材（水泥）、電力（火電、水電）、糧食、化工、交通運(yùn)輸業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域、工程建設(shè)、生產(chǎn)工藝等方面。帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及常規(guī)靜態(tài)方法的選型設(shè)計(jì)、帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析、轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的溜槽設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)、滾筒的有限元計(jì)算和系統(tǒng)振動(dòng)分析等[3]。這其中常規(guī)方法的選型設(shè)計(jì)1.2節(jié)中會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)介，轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的溜槽設(shè)計(jì)針對(duì)的部件為溜槽（落煤管），滾筒的有限元計(jì)算針對(duì)的部件為滾筒，因此涉及帶式輸送機(jī)支腿的分析、計(jì)算資料較少。

目前，帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)日趨成熟，常見(jiàn)的帶式輸送機(jī)目前應(yīng)用較廣的型號(hào)為DTII型帶式輸送機(jī)及DTII（A）型帶式輸送機(jī)：DTII型帶式輸送機(jī)是由北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所負(fù)責(zé)，組織沈陽(yáng)礦山機(jī)器廠、唐山冶金礦山機(jī)械廠、自貢運(yùn)輸機(jī)械總廠、沈陽(yáng)起重運(yùn)輸機(jī)械廠、銅陵運(yùn)輸機(jī)器廠、上海起重運(yùn)輸機(jī)械廠、焦作起重運(yùn)輸機(jī)械總廠、衡陽(yáng)運(yùn)輸機(jī)械總廠、鶴崗起重運(yùn)輸機(jī)械總廠成立了九廠一所聯(lián)合設(shè)計(jì)組，對(duì)原TD75型和DX型帶式輸送機(jī)兩大系列進(jìn)行更新?lián)Q代的實(shí)施計(jì)劃[4]。DTII（A）型則是根據(jù)DTII型帶式輸送機(jī)的應(yīng)用情況、用戶使用經(jīng)驗(yàn)及要求，由北京期中運(yùn)輸機(jī)械研究所和武漢風(fēng)凡科技開(kāi)發(fā)有限公司會(huì)同沈陽(yáng)礦山機(jī)械集團(tuán)有限公司、自貢運(yùn)輸機(jī)械總廠、沈陽(yáng)起重運(yùn)輸機(jī)械有限責(zé)任公司、焦作起重運(yùn)輸機(jī)械有限責(zé)任公司、衡陽(yáng)起重運(yùn)輸機(jī)械有限公司以及銅陵藍(lán)田股份有限公司銅陵運(yùn)輸機(jī)器廠等6家合作單位，對(duì)DTII型帶式輸送機(jī)的部分部件品種規(guī)格進(jìn)行擴(kuò)充、改進(jìn)了部分部件結(jié)構(gòu)、修改了錯(cuò)誤、推出了帶式輸送機(jī)CAD設(shè)計(jì)軟件。由于補(bǔ)充修改的DTII型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)有較大不同，故將其定名為DTII（A）型帶式輸送機(jī)[5]。

此外，帶式輸送機(jī)還有QD80輕型固定帶輸送機(jī)、管狀帶式輸送機(jī)、氣墊式帶式輸送機(jī)、U型帶式輸送機(jī)、波狀擋邊帶式輸送機(jī)等多種形式，本文后續(xù)分析僅是針對(duì)DTII（A）型帶式輸送機(jī)進(jìn)行，其余形式帶式輸送機(jī)的埋件受力分析可以進(jìn)行參考。

但上文所述中有兩種帶式輸送機(jī)例外：一是管狀帶式輸送機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)與其他形式帶式輸送機(jī)差別較大，且由于其運(yùn)行路徑多存在空間彎曲的情況，因此受力分析相較其他帶式輸送機(jī)更加復(fù)雜，本文對(duì)此不做分析；二是大曲率轉(zhuǎn)彎的帶式輸送機(jī)因其在垂直于帶式輸送機(jī)的運(yùn)行方向上存在水平作用力，與下文中討論的水平受力情況差別較大，因此也無(wú)法進(jìn)行參考。

1.2 DTII（A）型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)介

DTII（A）型帶式輸送機(jī)典型整機(jī)結(jié)構(gòu)包括頭部漏斗、頭架、頭部清掃器、傳動(dòng)滾筒、安全保護(hù)裝置、輸送膠帶、承載托輥、緩沖托輥、導(dǎo)料槽、改向滾筒、拉緊裝置、尾架、空段清掃器、回程托輥、中間架、電機(jī)、液力耦合器、制動(dòng)器、減速機(jī)及聯(lián)軸器。此外，有些DTII（A）型帶式輸送機(jī)會(huì)根據(jù)功能需求增加犁式卸料器、卸料車、防雨罩、水洗裝置、翻轉(zhuǎn)裝置、壓帶輪等裝置。這其中犁式卸料器、卸料車僅在卸料點(diǎn)存在，防雨罩僅在露天布置的帶式輸送機(jī)中可能進(jìn)行布置，壓帶輪布置與帶式輸送機(jī)的凹弧段，水洗裝置及翻轉(zhuǎn)裝置也僅在帶式輸送機(jī)中的某幾處進(jìn)行布置。因此后續(xù)受力分析中暫且不對(duì)這些部件進(jìn)行考慮。

DTII（A）型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程一般按照下列步驟進(jìn)行：

①獲取DTII（A）型帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)條件：

1）運(yùn)送物料的屬性：物料密度、粒度、濕度等特性。

2）DTII（A）型帶式輸送機(jī)的最大輸送能力。

3）擬建地理位置及環(huán)境情況。

4）受料點(diǎn)數(shù)量、位置及形式。

5）卸料位置及形式。

6）輸送機(jī)布置位置，輸送機(jī)長(zhǎng)度、提升高度和傾角等。

7）驅(qū)動(dòng)裝置布置形式，是否需要制動(dòng)器。

②輸送能力：根據(jù)設(shè)計(jì)條件初選帶式輸送機(jī)寬度及運(yùn)行速度，并根據(jù)初選的帶式輸送機(jī)帶寬、運(yùn)行速度校核輸送量是否滿足設(shè)計(jì)要求。

③根據(jù)設(shè)計(jì)條件選擇輸送帶寬度。

④圓周驅(qū)動(dòng)力計(jì)算。

帶式輸送機(jī)的圓周驅(qū)動(dòng)力主要包括主要阻力、附加阻力、主要特種阻力、附加特種阻力以及傾斜阻力。每種阻力均可在DTII（A）型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中查到具體計(jì)算公式，這樣可以通過(guò)計(jì)算圓周驅(qū)動(dòng)力得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的輸出功率。

⑤輸送帶張力的計(jì)算。

傳動(dòng)滾筒的扭矩是通過(guò)滾筒與膠帶之間的摩擦傳送到輸送帶。因此輸送帶必須維持一定的張力數(shù)值才能保證輸送帶與傳動(dòng)滾筒之間不打滑。同時(shí)，輸送帶在托輥與托輥之間為了保證物料在輸送過(guò)程中不會(huì)因?yàn)檩斔蛶戒伓隽?，輸送帶需要保持一定張力值才能維持托輥之間張緊不下垂。

通過(guò)計(jì)算輸送帶不打滑及不下垂兩項(xiàng)條件，并根據(jù)帶式輸送機(jī)的布置形式對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的每個(gè)特性點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)張力法進(jìn)行分析，可以得到帶式輸送機(jī)在每個(gè)特性點(diǎn)上的張力值。

⑥傳動(dòng)滾筒軸功率的計(jì)算：通過(guò)圓周驅(qū)動(dòng)力計(jì)算出傳動(dòng)滾筒的軸功率。

⑦逆止力計(jì)算及逆止器選擇：逆止力最大的情況為上升段滿載剩余段空載，根據(jù)帶式輸送機(jī)布置計(jì)算出所需的逆止力并通過(guò)逆止力選擇適合的逆止器。

⑧電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算：考慮減速器效率、傳動(dòng)效率等影響計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)功率，根據(jù)電機(jī)功率對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置組合進(jìn)行選擇。

⑨輸送帶選擇：根據(jù)輸送帶張力、物料堆積密度選擇合適的輸送帶形式（如織物芯帶、鋼絲芯帶等）以及輸送帶層數(shù)。根據(jù)選擇的輸送帶計(jì)算輸送帶厚度、單位長(zhǎng)度質(zhì)量、總質(zhì)量等。

⑩拉緊力計(jì)算：根據(jù)前面計(jì)算的輸送帶特性點(diǎn)張力確定拉緊裝置的拉緊力，并選取帶式輸送機(jī)的張緊形式，一般拉近形式有垂直拉緊、車式拉緊以及液壓拉緊等。最后根據(jù)輸送帶形式計(jì)算拉緊裝置的拉緊行程。

?計(jì)算凹凸弧段尺寸并校核啟動(dòng)制動(dòng)工況下輸送帶不打滑。

?帶式輸送機(jī)設(shè)備的整機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)束后，根據(jù)部件的受力情況計(jì)算選擇頭部漏斗、頭架、頭部清掃器、承載托輥、緩沖托輥、導(dǎo)料槽、改向滾筒、拉緊裝置、尾架、空段清掃器、回程托輥、中間架等輔助配件。

1.3 DTII（A）型帶式輸送機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)完成后埋件的受力計(jì)算

根據(jù)以上設(shè)計(jì)計(jì)算選出的合適的頭架、尾架等部件后，頭尾架的埋件、拉緊裝置、驅(qū)動(dòng)裝置埋件可以根據(jù)部件的尺寸、受力情況進(jìn)行分析計(jì)算。下文主要對(duì)機(jī)身部分的埋件受力情況進(jìn)行分析。在埋件受力確定以后，棧橋設(shè)計(jì)人員根據(jù)埋件受力情況進(jìn)行棧橋本體的設(shè)計(jì)。

2 埋件水平受力分析

DTII（A）型帶式輸送機(jī)中間部分自上而下包括：物料、上帶面、上托輥及托輥支架、中間架、下帶面、下托輥及托輥支架、支腿。本文以單個(gè)中間架為一組基本單元（包括中間架范圍內(nèi)的物料、上下帶面、上托輥、下托輥、兩組支腿）對(duì)其進(jìn)行受力分析。上托輥為普通槽型托輥，下托輥為平托輥，不考慮上托輥、下托輥為調(diào)心等特殊托輥的情況。同時(shí)為簡(jiǎn)化語(yǔ)言，計(jì)算中如不做特別說(shuō)明，水平方向、力、荷載指沿棧橋斜面方向的方向、力、荷載，垂直方向、力、荷載指垂直于棧橋斜面方向、力、荷載，棧橋斜面與水平面夾角為α。帶式輸送機(jī)基本單元受力簡(jiǎn)圖如圖1。

由圖1可知，帶式輸送機(jī)垂直方向受力可以將基本單元看做一個(gè)整體在重力作用下產(chǎn)生對(duì)棧橋的垂直下壓力，壓力大小等于基本單元重力在垂直方向的分量。

圖1 帶式輸送機(jī)基本單元受力簡(jiǎn)圖

水平方向受力自上而下的分析過(guò)程如下：

①以物料作為分析對(duì)象：物料水平方向受力為重力水平方向分量Gsina及皮帶給物料摩擦力Fst。物料水平方向有：

②以上帶面作為分析對(duì)象：水平方向受力有兩側(cè)皮帶給本段皮帶的張力差F驅(qū)上（這個(gè)力可以看做驅(qū)動(dòng)給本段皮帶的驅(qū)動(dòng)力）、物料給皮帶的摩擦力Fst、每個(gè)上托輥給皮帶的摩擦力f1（忽略皮帶自重）。因此，對(duì)于上帶面水平方向有：

③以下帶面作為分析對(duì)象：水平方向受力有兩側(cè)皮帶給本段皮帶的張力差F驅(qū)下（這個(gè)力可以看做驅(qū)動(dòng)給本段皮帶的驅(qū)動(dòng)力）、每個(gè)上托輥給皮帶的摩擦力f2（忽略皮帶自重）。因此對(duì)于下帶面水平方向有：

④將中間架、上托輥、下托輥、支腿看做一個(gè)整體，由上面分析可知該整體在水平方向上受力有該整體重力在水平方向分量Gsina、皮帶給上托輥的摩擦力f1、皮帶給下托輥的摩擦力f2、支腿受力在水平方向分量F。

由于該整體一直為靜止?fàn)顟B(tài)，所以水平方向受力之和為0。同時(shí)，不管皮帶運(yùn)行處于加速、減速或勻速狀態(tài)，整體水平方向受力不受影響。

3 基本單元中埋件水平受力計(jì)算

下面選取DTII（A）型帶式輸送機(jī)一組參數(shù)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，以對(duì)比計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)值之間的區(qū)別。本文選擇的帶式輸送機(jī)參數(shù)如下：帶寬1400mm，托輥直徑159mm，帶高1500mm，帶式輸送機(jī)傾角為15°，上托輥為35°槽型托輥，上托輥布置間距1200mm，下托輥為平托輥，下托輥布置間距為3000mm，中間架選擇重型系列中間架，中間架長(zhǎng)度為6000mm，支腿為重型，I型支腿與II型支腿各一組。以一組中間架為例（此中間架范圍內(nèi)不含犁式卸料器、拉進(jìn)裝置、等其他部件）：

其中qRO為承載托輥旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻力，托輥前傾的摩擦阻力。

qRU為回程托輥旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻力。

根據(jù)DTII（A）型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中詳細(xì)計(jì)算公式，帶入帶寬B=1400mm，帶式輸送機(jī)傾角a=15°，托輥直徑φ=159mm，上托輥間距1200mm，下托輥間距3000mm得：

F=Gsina+f2-f1=（87.8*5+46*2+230+60.5+99.3）*9.8*sin15°+17.63-51.84=2301.33N，其中Gsina=2335.54N遠(yuǎn)大于f1（51.84N）、f2（17.63N）。

假設(shè)F均勻作用于兩對(duì)支腿，單個(gè)支腿埋件水平受力為F/4=575.34N。設(shè)計(jì)院、設(shè)備廠此處經(jīng)驗(yàn)值一般為2kN左右，計(jì)算值（575.34N）對(duì)比經(jīng)驗(yàn)值（2000N）減少了約71%，因此棧橋在設(shè)計(jì)過(guò)程中完全有可能通過(guò)減少對(duì)水平方向荷載的計(jì)算從而將棧橋的建設(shè)成本降低。

4 結(jié)論及展望

針對(duì)帶式輸送機(jī)支腿埋件受力情況，本文以一組DTII（A）型帶式輸送機(jī)機(jī)身的基本單元為對(duì)象進(jìn)行了受力分析，并帶入帶寬1400mm的一組參數(shù)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算。埋件水平荷載的計(jì)算值對(duì)比經(jīng)驗(yàn)值減小了很多，因此本文的計(jì)算對(duì)于減小埋件荷載有一定的參考意義。

本文的工作也有一些缺陷需要在后續(xù)工作中進(jìn)行彌補(bǔ)：一是本文目前僅對(duì)于帶式輸送機(jī)機(jī)身的基本單元進(jìn)行分析，對(duì)于帶式輸送機(jī)的一些特殊部位如凹凸弧段、有清掃器或拉緊裝置的部位都沒(méi)有進(jìn)行分析；二是基本單元分析中對(duì)于各個(gè)支腿的荷載分配不均勻的情況沒(méi)有考慮，載荷分布的不均勻系數(shù)需要在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)收集得到。

目前帶式輸送機(jī)正朝著大型、長(zhǎng)距離方向進(jìn)行發(fā)展，對(duì)于一臺(tái)帶式輸送機(jī)機(jī)身所占的比例也越來(lái)越大，機(jī)身所配套的棧橋也越來(lái)越長(zhǎng)。因此帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算不應(yīng)僅僅對(duì)于關(guān)鍵部位進(jìn)行挖掘，對(duì)于帶式輸送機(jī)機(jī)身也值得設(shè)計(jì)人員投入更多精力進(jìn)行分析研究。通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)身部分的分析研究，對(duì)于整個(gè)帶式輸送機(jī)輸送系統(tǒng)的輕量化、經(jīng)濟(jì)化都有十分重要的意義。