皮帶傳送機(jī)械中導(dǎo)料槽的優(yōu)化設(shè)計

摘" 要：針對皮帶傳送機(jī)械中導(dǎo)料槽的缺點和不足，對導(dǎo)料槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。將導(dǎo)料槽原有的垂直型圓柱結(jié)構(gòu)，改進(jìn)為三級結(jié)構(gòu)。導(dǎo)料槽的第一級側(cè)壁，采取小角度傾斜的形態(tài)，完整形貌類似于錐臺的側(cè)面。導(dǎo)料槽的第二級側(cè)壁，采取大角度傾斜的形態(tài)。導(dǎo)料槽的第三級側(cè)壁，采取短小的垂直設(shè)計，并且和第二級傳送帶表面留有一定距離。第一級側(cè)壁采用固定連接，第一級側(cè)壁和第二級側(cè)壁、第二級側(cè)壁和第三級側(cè)壁采用可旋轉(zhuǎn)連接，增加物料沖擊過程中的靈活性。測試結(jié)果顯示，優(yōu)化后的導(dǎo)料槽本身和第二級傳送帶表面，所受的沖擊力都更小。

關(guān)鍵詞：皮帶機(jī);傳送機(jī)械;導(dǎo)料槽;傳送帶;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TP278" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0127-04

Abstract： Aiming at the shortcomings and deficiencies of the guide chute in belt conveying machinery， the structure of the guide chute is optimized. The original vertical cylindrical structure of the material guide chute has been improved to a three-stage structure. The first side wall of the guide groove adopts a small angle inclined shape， and the complete shape is similar to the side surface of a frustum. The second-level side wall of the material guide groove adopts a large angle inclined shape. The third-stage sidewall of the material guide slot adopts a short vertical design and leaves a certain distance from the surface of the second-stage conveyor belt. The first level side wall is fixedly connected， and the first level side wall and the second level side wall， and the second level side wall and the third level side wall are rotatably connected to increase flexibility during the material impact process. Test results show that the optimized guide chute itself and the surface of the second-stage conveyor belt are subject to smaller impact forces.

Keywords： belt conveyor; conveyor machinery; guide chute; conveyor belt; optimization design

近年來，我國礦山開采、大型物料運(yùn)送等領(lǐng)域都獲得了快速發(fā)展，皮帶傳送機(jī)械在其中發(fā)揮了極其重要的作用[1]。皮帶傳送機(jī)械應(yīng)用的歷史非常悠久，在物料運(yùn)送領(lǐng)域的各種設(shè)備中使用占比也非常高。之所以如此，是鑒于皮帶傳送機(jī)械的一些突出特點，比如運(yùn)送原理簡單、結(jié)構(gòu)設(shè)計方便，運(yùn)送距離遠(yuǎn)、運(yùn)送量大和運(yùn)送速度均勻可控等等[2]。對于運(yùn)送距離較遠(yuǎn)的情況，可以采用多級皮帶配合運(yùn)送，從而有效解決遠(yuǎn)距離運(yùn)送中的復(fù)雜問題。當(dāng)然，皮帶傳送機(jī)械也存在一些問題，如皮帶在反復(fù)沖擊的情況下使用壽命降低、兩組皮帶銜接中導(dǎo)料槽設(shè)計不合理導(dǎo)致的皮帶磨損加劇等等[3]?？梢?，皮帶傳送機(jī)械的關(guān)鍵在于如何提升皮帶的抗疲勞強(qiáng)度，這其中導(dǎo)料槽的優(yōu)化設(shè)計是一項十分必要的工作。本文以此為切入點，在分析皮帶傳送機(jī)械原有導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)缺點的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合仿真分析的手段驗證優(yōu)化設(shè)計的效果。

1" 皮帶傳送機(jī)械導(dǎo)料槽的問題分析

1.1" 皮帶的組成結(jié)構(gòu)及抗沖擊性

傳送帶運(yùn)輸系統(tǒng)中最重要的構(gòu)件就是傳送帶，也稱為皮帶。根據(jù)不同的工作需要，傳送帶的材料選擇也各不相同。根據(jù)材料差異的劃分，常見的傳送帶有帆布材質(zhì)的傳送帶、尼龍材質(zhì)的傳送帶、EP帶材質(zhì)的傳送帶、鋼絲材質(zhì)的傳送帶、橡膠材質(zhì)的傳送帶和聚氨酯皮材質(zhì)的傳送帶等。橡膠皮帶是最常見的皮帶機(jī)材質(zhì)之一，它具有良好的韌性、耐磨性和耐老化性能，同時其滑動摩擦系數(shù)較低，比較適合用于長距離輸送和重負(fù)載物料的運(yùn)輸。但是橡膠皮帶也有缺點，例如溫度過高易老化、耐油性差等，因此在選擇橡膠皮帶時需要考慮具體的使用場景和要求。聚氨酯皮帶是一種新型材料，它具有較好的抗拉強(qiáng)度、耐磨性、耐油性和耐化學(xué)腐蝕性，尤其是在潮濕環(huán)境下仍然具有良好的使用性能。聚氨酯皮帶的優(yōu)點在于其使用壽命較長，更加耐磨損，可適用于高速高負(fù)荷的輸送系統(tǒng)。但是其價格較貴，而且需要專門的生產(chǎn)工藝，因此在選擇聚氨酯皮帶時需要綜合考慮成本和實際需求。

皮帶一般是分層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部為具有一定支撐能力的帶芯材料，外部則是具有較好彈性和保護(hù)性能的材料，如圖1所示。

雖然皮帶的外部材料具有很好的彈性，但是在物料下落沖擊和運(yùn)輸磨損的反復(fù)作用之下，皮帶的外層還是存在嚴(yán)重的疲勞效應(yīng)，也經(jīng)常因此而導(dǎo)致使用壽命下降。

1.2" 組合皮帶機(jī)的兩組皮帶配合

在遠(yuǎn)距離運(yùn)輸或存在較大高度差的時候，一組皮帶不足以完成任務(wù)。這時候，就需要通過兩組或多組以上皮帶的銜接配合完成物料的輸送要求。多組皮帶銜接配合構(gòu)成的皮帶機(jī)，稱為組合式皮帶機(jī)。組合式皮帶機(jī)又有緊密連接型和松散連接型，緊密連接型是一組皮帶和下一組皮帶緊密連接在一起，中間不經(jīng)過太長的空隙過渡，因此也不需要外加額外的過渡裝置或過渡機(jī)構(gòu)，物料可以從一組皮帶自然傳遞到下一組皮帶。松散連接型組合，是一組皮帶和下一組皮帶之間存在較遠(yuǎn)的距離，無法直接實現(xiàn)物料的自然過渡。如果不經(jīng)過特殊處理，物料傳遞的過程中如果經(jīng)過兩組皮帶之間的距離，就會直接掉落。因此需要采取專門的過渡機(jī)構(gòu)或過渡處理，才能完成兩組皮帶之間的配合。本文中，考慮的兩組皮帶之間的配合，屬于更為復(fù)雜的一種情況。兩組皮帶之間的間距不是在同一水平面上，而是存在高度上的落差。

對于存在較大高度差的兩組皮帶之間的配合，將處在更高位置的皮帶稱為一級傳送帶，將處在相對較低位置的皮帶稱為二級傳送帶。物料從位置更高的一級傳送帶向相對位置較低的二級傳送帶輸送，因為兩組皮帶高度上的差距，在銜接配合處會形成物料的自由落體運(yùn)動。因為自由落體運(yùn)動中重力加速度的存在（9.8 m/s2），從而會導(dǎo)致物料對二級傳送帶形成沖擊。在物料自由落體下落過程中，為了防止物料飛散，經(jīng)常采用導(dǎo)料槽作為銜接部件。導(dǎo)料槽形式上屬于上下開口、周圍密封的腔體，用于銜接上下兩組傳送帶，同時對物料形成輸導(dǎo)、防散落的作用，其形式如圖2所示。

1.3" 導(dǎo)料槽的原始結(jié)構(gòu)及問題

在本文的研究工作中，皮帶傳送機(jī)械中的導(dǎo)料槽使用了最為簡單的垂直圓柱結(jié)構(gòu)，并且是直上直下的圓柱結(jié)構(gòu)。顯然，這樣的導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)，設(shè)計、加工和裝配都比較方便。直上直下的圓柱結(jié)構(gòu)，雖然可以防止物料的散落，實現(xiàn)從一級傳送帶到二級傳送帶的傳送，但也存在比較嚴(yán)重的問題。這種問題主要是導(dǎo)料槽沒有發(fā)揮出其他作用，使得物料完全以垂直的方式傾瀉在二級傳送帶上。因為自由落體的作用，傾瀉過程中物料對二級傳送帶形成了沖擊效果。如果垂直下落的距離過大，就會導(dǎo)致沖擊能量過大，從而對二級傳送帶的表面產(chǎn)生嚴(yán)重影響。雖然傳送帶外部使用彈性材質(zhì)的材料，但在物料的反復(fù)沖擊下，仍然會導(dǎo)致較大的破壞作用。多次使用后，二級傳送帶的表面就會出現(xiàn)疲勞效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致使用壽命降低。

本文中皮帶傳送機(jī)械導(dǎo)料槽的原始結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

2" 皮帶傳送機(jī)械導(dǎo)料槽的優(yōu)化設(shè)計

導(dǎo)料槽作為溜槽系統(tǒng)和皮帶機(jī)的樞紐，處于帶式輸送機(jī)物料運(yùn)輸?shù)暮诵奈恢?，其效率高低直接影響著物料的通過能力。導(dǎo)料槽的主要功能是，將從漏斗落下的物料在達(dá)到帶速之前集中到輸送帶的中部，約束物料不往外灑落。但實際上傳統(tǒng)的導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)并不能很好地達(dá)到使用要求，會出現(xiàn)母板卡塊、磨損、變形及擋皮處灑漏料問題。隨著離散元仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真軟件被運(yùn)用到礦石物料運(yùn)輸?shù)膱鼍爸?，通過分析顆粒的運(yùn)動狀態(tài)和幾何體所受沖擊、磨損的情況，可確定現(xiàn)有導(dǎo)料槽問題所在。通過對相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，能夠顯著提高導(dǎo)料槽的完好率和通過能力。

考慮到圖3中給出的導(dǎo)料槽原始結(jié)構(gòu)存在的問題，本文進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

優(yōu)化設(shè)計的總體原則是改變導(dǎo)料槽原有的垂直圓柱結(jié)構(gòu)，同時形成3個層次的分級設(shè)計。導(dǎo)料槽的第一級側(cè)壁，采取小角度傾斜的形態(tài)，完整形貌類似于錐臺的側(cè)面。導(dǎo)料槽的第二級側(cè)壁，采取大角度傾斜的形態(tài)，完整形貌也類似于錐臺的側(cè)面。導(dǎo)料槽的第三級側(cè)壁，采取短小的垂直設(shè)計，完整形貌類似于圓柱。

在優(yōu)化的導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)之下，當(dāng)物料從第一級傳送帶垂直落下時，其中一大部分會先同導(dǎo)料槽第一級側(cè)壁發(fā)生沖擊，但因為下落距離短，對導(dǎo)料槽第一級側(cè)壁的沖擊作用不大。其后，物料又與導(dǎo)料槽第二級側(cè)壁發(fā)生沖擊，同樣因為下落距離短，對導(dǎo)料槽第二級側(cè)壁的沖擊作用也不大。通過這樣2個帶有坡度的分級側(cè)壁配置，大大減小了物料下落對二級傳送帶的沖擊作用。因此，導(dǎo)料槽的第三級側(cè)壁就采用了小直徑的垂直結(jié)構(gòu)。隨著三級側(cè)壁結(jié)構(gòu)的直徑不斷縮小，物料落到二級傳送帶時也更加集中，有效地避免了物料的散落。

導(dǎo)料槽第一級側(cè)壁采取完全固定的形式，不能轉(zhuǎn)動或移動。這樣的配置是確保導(dǎo)料槽整體的相對穩(wěn)定性。第二級側(cè)壁和第一級側(cè)壁，采用了可旋轉(zhuǎn)的連接，使得第二級側(cè)壁具有一定的靈活性，可以減小物料對第二級側(cè)壁的沖擊破壞。第三級側(cè)壁和第二級側(cè)壁，也采用可旋轉(zhuǎn)的連接，第三級側(cè)壁在受到物料反彈沖擊時，也具有一定的靈活性，可以減少沖擊和破壞。第三級側(cè)壁與第二級傳送帶之間，留存一定的空隙。這樣的設(shè)計，可以避免導(dǎo)料槽和第二級傳送帶之間的剛性摩擦。導(dǎo)料槽側(cè)壁一般采用硬質(zhì)橡膠材料，雖然彈性較大，但也具有一定的硬度，如果直接和第二級傳送帶刮擦，也會導(dǎo)致第二級傳送帶表面的破壞。雖然這樣的設(shè)計留有了一定的空隙，但經(jīng)過前兩級側(cè)壁的承載，物料的沖擊和反彈效果已經(jīng)大幅度減弱，不會經(jīng)過空隙大幅度迸濺，可以被外側(cè)的第二級傳送帶接住，不使物料飛散。

3" 皮帶傳送機(jī)械導(dǎo)料槽的性能測試

在前面對皮帶傳送機(jī)械中的導(dǎo)料槽進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步展開性能測試。首先來觀察，導(dǎo)料槽擋皮在模擬時間內(nèi)收到的沖擊力統(tǒng)計，結(jié)果顯示導(dǎo)料槽擋皮在9 s的模擬時間內(nèi)，受到連續(xù)不斷地顆粒沖擊。因?qū)Я喜蹞跗な窍鹉z材質(zhì)，受到大的持續(xù)沖擊力易彎曲變形和磨損，繼而引發(fā)顆粒從擋皮和皮帶之間空隙外溢。在現(xiàn)實作業(yè)條件下即表現(xiàn)為導(dǎo)料槽兩側(cè)變形引發(fā)灑落料，理論模擬的結(jié)果和實際灑落情況是基本相符的。沖擊力分析的仿真曲線，如圖5所示。

圖5中，橫坐標(biāo)代表了時間，單位為s;縱坐標(biāo)代表了導(dǎo)料槽側(cè)壁所受到的沖擊力的大小，單位是N。從圖中的沖擊力曲線變化情況可以看出，在皮帶輪運(yùn)輸?shù)倪^程中，物料通過導(dǎo)料槽垂直下落到下一級皮帶，會對導(dǎo)料槽第三級側(cè)壁產(chǎn)生間歇性影響，因此一共出現(xiàn)了6組沖擊力波峰，分別是：3.9～4 s的第一波峰，沖擊力大小為0.004 N;4.8～4.9 s的第二波峰，沖擊力大小為0.008 N;5.2～5.4 s的第三波峰，沖擊力大小為0.003 N;5.5～6.1 s的第四波峰，沖擊力大小為0.039 N;6.6～6.8 s的第五波峰，沖擊力大小為0.011 N;8.1～8.3 s的第六波峰，沖擊力大小為0.002 N。除了這6組波峰的情況，其余時間范圍內(nèi)，導(dǎo)料槽的第三級側(cè)壁均不受沖擊力影響。而這6組波峰，最大的沖擊力也僅為0.039 N，充分證明了本文的設(shè)計大大減小了物料下落對導(dǎo)料槽的沖擊，即本文的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是合理有效的。

進(jìn)一步通過仿真實驗，觀察導(dǎo)料槽優(yōu)化后的仿真效果。與舊導(dǎo)料槽仿真模擬設(shè)置相同的顆粒設(shè)備參數(shù)和接觸模型，對新型導(dǎo)料槽灑落料情況進(jìn)行仿真分析。通過導(dǎo)出的數(shù)據(jù)圖像可以看出，絕大部分物料匯聚到皮帶中心，僅有微量的細(xì)小顆粒會從導(dǎo)料槽母板與皮帶之間空隙漏出，但是會被第二層導(dǎo)料槽擋皮密封遮擋。不同于其他轉(zhuǎn)接塔導(dǎo)料槽處物料會順皮帶方向向前沖擊，塔物料經(jīng)拋料滾筒拋出，撞擊溜槽并經(jīng)折射，最終朝與皮帶運(yùn)行相反方向向后沖擊皮帶。其中，一部分物料顆粒從收口母板和導(dǎo)料槽母板之間空間通過。另一部分與收口后方空間大小相當(dāng)?shù)奈锪蠅K會卡滯在此處造成皮帶、托輥損傷以及導(dǎo)料槽側(cè)板變形外翻，這與實際作業(yè)中發(fā)生卡塊的問題是相符的。

4" 結(jié)論

皮帶傳送機(jī)械運(yùn)送原理簡單、結(jié)構(gòu)設(shè)計方便，運(yùn)送距離遠(yuǎn)、運(yùn)送量大、運(yùn)送速度均勻可控，這些突出的特點，使其特別適合物料運(yùn)輸。在運(yùn)送距離較遠(yuǎn)的情況下，可以采用多級皮帶配合運(yùn)送，從而有效解決遠(yuǎn)距離運(yùn)送中的復(fù)雜問題。在具有垂直落差的多級傳送帶配合中，導(dǎo)料槽是非常重要的組件。針對原有導(dǎo)料槽的缺點和不足，本文進(jìn)行了導(dǎo)料槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并通過性能測試加以驗證。結(jié)果表明，本文設(shè)計的導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)，有效地減小了物料下落過程中的沖擊，可以大幅度地提升皮帶傳送機(jī)械的使用壽命。

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作者簡介：趙學(xué)義（1986-），男，工程師。研究方向為機(jī)械工程。