基于落料點(diǎn)與導(dǎo)料槽優(yōu)化的皮帶跑偏解決方案

中圖分類號(hào)：TH222 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1004-4345（2025）03-0030-05

AbstractAimingattheproblem that thesamebeltconveyor frequently experiences beltdeviationdue touneven force distributioncausedbymultiplefeedingpoitsandgudechutestructures，ichfectsproductionstabilitythisstudyivestigatedthe causes fbeltdeviationbasedonmateralfaling rajectoriesandgudechuteconfigurations.Anoptimizationwasproposed：Sttingup amaterial-onmaterialoreaccumulationplatforatthdischarging hopperfalingpoint，andimplementingguidechutes withupper wide/lower-narrow profilesandflared tail structure.AnANSYS modelwas established.ANSYSforceanalysisandcomparativetests demonstratedthat：Theoreacumulationplatformefectivelycounteractsimpactwearonthetransferbeltanddischarginghopperwear platesbyalteringmaterialfallngtrajectorytoaievecentraliedmaterialladingTeupperwide/ower-narrocutewithfaredtail canenhancematerialflowabilityandconvergenceatmultiplefeedingpointsofthesamebeltconveyor，ensuringuniformbeltforce distributionwhileeducing materialjmmingrisksinhutesidbafles.Tisoptimizationsuccesfullyesoledbeltdviationissues and extended service life of both conveyor belts and wear-resistant liners.

Keywordsbeltconveyor;materialfallng trajectories;oreaccumulationplatform;guidechute;beltdeviation;ANYS;multiple points feeding

皮帶輸送機(jī)憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸送量大、連續(xù)輸送穩(wěn)定、高效率，以及自動(dòng)化控制簡(jiǎn)易等優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。目前，皮帶輸送機(jī)已成為礦山行業(yè)的物料運(yùn)輸主要設(shè)備，且基于物料運(yùn)輸與生產(chǎn)的需要普遍采用皮帶輸送機(jī)接力的方式。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，接力皮帶在落料與收料環(huán)節(jié)上因相互影響導(dǎo)致的跑偏問題十分常見[1-2]。如何確保上層皮帶輸送機(jī)向接力皮帶輸送機(jī)落料時(shí)，物料落料點(diǎn)盡可能位于接力皮帶中央位置，并使物料沖擊力集中且均勻地分布于中央緩沖裝置（托輥式緩沖床），成為防止避免接力皮帶跑偏的研究重點(diǎn)。

本文針對(duì)同一條皮帶輸送機(jī)因存在多個(gè)落料點(diǎn)與導(dǎo)料槽導(dǎo)致皮帶受力不均引發(fā)的跑偏問題，從落料和導(dǎo)料兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，提出對(duì)應(yīng)的解決方案。從物料的落料運(yùn)動(dòng)軌跡特性出發(fā)，提出在落料點(diǎn)位置安裝積礦臺(tái)，通過料打料的形式改變落料軌跡，減緩物料對(duì)接力皮帶沖擊的優(yōu)化方案。從導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度出發(fā)，提出采用上寬下窄 + 尾部外擴(kuò)的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)多收料點(diǎn)物料的通過性和聚攏性，均衡皮帶受力，降低側(cè)擋皮卡石風(fēng)險(xiǎn)。通過ANSYS仿真與對(duì)比實(shí)驗(yàn)，該方案有效解決了落料、導(dǎo)料造成的皮帶跑偏問題，并為延長(zhǎng)皮帶使用壽命、減小耐磨材料磨損與穩(wěn)定生產(chǎn)等方面創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

1落料點(diǎn)優(yōu)化

落料點(diǎn)優(yōu)化的目的在于通過物料落料受力分析與落料軌跡方程計(jì)算，確定落料點(diǎn)設(shè)置積礦臺(tái)，以料打料的方式降低物料對(duì)下料斗的磨損，減緩物料沖擊和改變落料軌跡，使落料集中在接力皮帶的中央，消除皮帶受力不均引發(fā)的跑偏問題。

1.1落料點(diǎn)位置確定

根據(jù)不同的地理位置、場(chǎng)地與生產(chǎn)需求，可將皮帶輸送機(jī)的安裝布置方式分為水平輸送、斜坡輸送與混合輸送。本文以具有代表性的斜坡輸送為研究對(duì)象，對(duì)物料進(jìn)行落料受力分析與運(yùn)動(dòng)軌跡方程計(jì)算，進(jìn)而確定落料點(diǎn)位置[3-4]

1.1.1物料落料受力分析

假設(shè)物料的質(zhì)量為 ?_m ，皮帶輸送機(jī)的輸送角度、運(yùn)行速度、頭輪滾筒半徑分別為 β，v，R ，頭輪滾筒對(duì)物料的作用力為 F ，物料繞頭輪滾筒做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力為 F1 ，向心力 F1 計(jì)算公式為見式（1），其受力分析如圖1所示。

假設(shè)不考慮空氣阻力與同一時(shí)間輸送量，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理可得頭輪滾筒對(duì)物料的作用力 F 計(jì)算公式見式（2）。

1.1.2物料落料運(yùn)動(dòng)軌跡方程

根據(jù)上述物料落料受力分析與計(jì)算公式分析可得，隨著皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度 σ_v 變化，物料落料會(huì)出現(xiàn)3種運(yùn)動(dòng)軌跡。

1）當(dāng)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度較大時(shí)， v²/Rggt;1 ，及mgcos β

x=vtcosβ-Rsinβ

2）當(dāng)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度匹配時(shí)， v²/Rg=1 ，及Cos β=F1 ，此時(shí)根據(jù)公式（2）可得作用力 1，物料于輸送帶與頭輪滾筒的垂直中心線位置成拋物線落料，如圖3所示。此時(shí)，物料落料運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

x=vt

3）當(dāng)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度較慢時(shí)， v²/Rglt;1 ，及mgcosβgt;F1 ，此時(shí)根據(jù)公式（2）可得作用力 Fgt;0 ，cosβlt;1 ，物料于頭輪滾筒的垂直中心線形成 θ 角的位置成拋物線落料，如圖4所示。此時(shí)，物料落料運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

x=vtcosθ+Rsinθ

cosθ=v²/Rg

1.2設(shè)置積礦臺(tái)

根據(jù)落料運(yùn)動(dòng)軌跡方程，代入?yún)?shù)計(jì)算確定落料點(diǎn)坐標(biāo)，并在該位置用耐磨鋼板制作、安裝積礦臺(tái)5-積礦臺(tái)類似于方格盒子形狀，可起到積存物料的目的。當(dāng)皮帶輸送機(jī)連續(xù)輸送的物料落入該位置時(shí)，物料與積存在積礦臺(tái)內(nèi)的物料相互碰撞，減少物料對(duì)皮帶輸送機(jī)下料斗襯板的磨損，改變物料落料位置，減緩物料因落料高差對(duì)接力皮帶的沖擊，使落料集中在接力皮帶的中央位置。積礦臺(tái)設(shè)置及物料落料軌跡示意如圖5所示。

2導(dǎo)料槽優(yōu)化

導(dǎo)料槽作為皮帶輸送機(jī)收料的關(guān)鍵部位，由頂部蓋板、前后防塵簾、左右側(cè)擋板、耐磨板與側(cè)擋皮組成。導(dǎo)料槽優(yōu)化的目的在于，通過計(jì)算確定導(dǎo)料槽的合理高度與長(zhǎng)度，優(yōu)化傳統(tǒng)導(dǎo)料槽的結(jié)構(gòu)外形，提高導(dǎo)料槽對(duì)物料的聚攏性，以及后方來(lái)料的通過性，避免多導(dǎo)料槽系統(tǒng)后方物料的卡阻和皮帶跑偏。

2.1導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在傳統(tǒng)的導(dǎo)料槽基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新的2段式結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)8，即按照皮帶的運(yùn)行方向?qū)?dǎo)料槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為2段，分別為前方導(dǎo)料段與后方收料段。其中，前方導(dǎo)料段的導(dǎo)料槽位于皮帶運(yùn)行方向的出料與收料緩沖位置，采用上寬下窄的喇叭口截面設(shè)計(jì)，主要目的是使導(dǎo)料槽將物料更好地集中在皮帶中央，解決因物料分散、皮帶受力不均而導(dǎo)致的皮帶跑偏問題。后方收料段的導(dǎo)料槽兩側(cè)擋板分別往外擴(kuò)形成外八形狀，以增大導(dǎo)料槽寬度，使后方導(dǎo)料槽輸送的物料便于通過。傳統(tǒng)導(dǎo)料槽與結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的導(dǎo)料槽對(duì)比，分別如圖6、圖7所示

2.2導(dǎo)料槽高度與長(zhǎng)度設(shè)計(jì)優(yōu)化

為降低輸送物料對(duì)導(dǎo)料槽側(cè)擋皮與耐磨板材的磨損，對(duì)導(dǎo)料槽進(jìn)行阻力分析和結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。受力分析表明，導(dǎo)料槽的阻力產(chǎn)生可分為加速段和非加速段兩部分，且與導(dǎo)料槽的高度和長(zhǎng)度存在直接關(guān)系。以槽型托輥組為例，通過礦石堆積截面推導(dǎo)計(jì)算可得，礦石在加速段與導(dǎo)料槽擋板的平均接觸高度大于非加速段與導(dǎo)料槽側(cè)擋板的平均接觸高度，其計(jì)算公式為9：

式中 ?I_? 為礦石體積輸送量， m³/s;V₀ 為礦石沿皮帶運(yùn)行方向的初始速度， m/s;V 為礦石最終速度（帶速），m/s;B_s 為導(dǎo)料槽的寬度， m;I_M 為中間托輥的長(zhǎng)度，m;α 為槽型托輥的角度， 為加速段導(dǎo)料槽側(cè)擋板接觸高度， m 。

由式（10）可知，導(dǎo)料槽礦石加速段的長(zhǎng)度越短，計(jì)算所得的阻力越小。通過運(yùn)動(dòng)公式 V_t²-V₀²=2aS ，可求解礦石從進(jìn)入導(dǎo)料槽的初始速度 V₀ 加速至帶速 V_t 的最短運(yùn)行距離 S_min ，計(jì)算公式為[10-1]：

式中： g 為重力加速度，取 9.8m/s²;μ 為礦石與皮帶滑動(dòng)摩持系數(shù)； _;β 為皮帶傾角， （^°） 。

考慮同一條皮帶多個(gè)導(dǎo)料槽收料時(shí)，后方來(lái)料對(duì)前方導(dǎo)料槽的沖擊，其長(zhǎng)度需滿足公式（12）。

式中： L 為導(dǎo)料槽長(zhǎng)度， m;B 為皮帶帶寬， m 。

因此，當(dāng) V=V₀ 時(shí)， S_min=0 ，取 L=B ，即加速段導(dǎo)料槽的長(zhǎng)度最小值為皮帶帶寬 B 。當(dāng)同一條皮帶有多個(gè)導(dǎo)料槽收料時(shí)，考慮后方對(duì)前方導(dǎo)料槽礦量的影響，加速段導(dǎo)料槽的長(zhǎng)度最小值為皮帶帶寬 B ，及優(yōu)化后導(dǎo)料槽的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度最小值為2倍皮帶帶寬

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將上述落料點(diǎn)與導(dǎo)料槽優(yōu)化方案應(yīng)用于某礦山新建選礦廠生產(chǎn)實(shí)踐中，通過ANSYS仿真分析和對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性、可靠性與實(shí)際效果。該選廠的皮帶輸送機(jī)性能及輸送參數(shù)如表1所示。

3.1落料點(diǎn)優(yōu)化前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將表1參數(shù)代入落料點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程，經(jīng)計(jì)算可得 v²/Rglt;1 ，符合第（3）種軌跡條件。假設(shè)瞬時(shí)物料質(zhì)量 m=100kg ，解得物料于頭輪滾筒的垂直中心線形成角度 θ=48.7^° 的位置成拋物線下落，理論落料坐標(biāo)為 （2.35m，-1.5m） 。為了驗(yàn)證理論落料坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果證明，受皮帶輸送瞬時(shí)礦量波動(dòng)的影響，理論落料坐標(biāo)與實(shí)際落料坐標(biāo)誤差范圍為 ±20cm 。使用Creo軟件分別建立落料點(diǎn)有/無(wú)積礦臺(tái)的皮帶輸送機(jī)頭輪下料斗簡(jiǎn)化三維模型，導(dǎo)人ANSYS軟件中進(jìn)行處理。

為了簡(jiǎn)化ANSYS模擬試驗(yàn)條件，兩種模型網(wǎng)格劃分采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)，且材料均選用密度為 7.85× 10^-6kg/mm³ 的鋼材。無(wú)積礦臺(tái)下料斗共劃分4727個(gè)網(wǎng)格單元，假定物料落料運(yùn)動(dòng)軌跡正前方下料斗耐磨板受到來(lái)自物料 0.01Pa 的沖擊， g 為 9.8m/s² 。有積礦臺(tái)下料斗共劃分5512個(gè)網(wǎng)格單元，假定物料按照落料運(yùn)動(dòng)軌跡使積礦臺(tái)底面同樣受到 0.01Pa 的垂直沖擊，且下料斗整體 ，積礦臺(tái)尺寸為1 040mm×300mm×300mm 。通過ANSYS模擬分析得到落料點(diǎn)有/無(wú)積礦臺(tái)下料斗的總應(yīng)變?cè)茍D[2-13]，分別如圖8與9所示。

圖8落料點(diǎn)無(wú)積礦臺(tái)時(shí)總應(yīng)變?cè)茍D

落料點(diǎn)優(yōu)化前/后下料斗總應(yīng)變?cè)茍D對(duì)比表明，優(yōu)化后的下料斗應(yīng)力變形顯著降低，且物料沖擊位置發(fā)生了改變，對(duì)下料斗正面耐磨板起到了保護(hù)作用，延長(zhǎng)了其使用壽命。實(shí)際應(yīng)用證實(shí)，積礦臺(tái)內(nèi)堆積物料能夠有效減緩落料沖擊，且在物料之間形成相互碰撞的破碎效果。在積礦臺(tái)的作用下，落料趨于集中在接力皮帶的中央，大幅改善了因落料引起的皮帶跑偏和耐磨板損耗問題，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方案的可行性和實(shí)用性。

3.2導(dǎo)料槽優(yōu)化前后對(duì)比試驗(yàn)分析

基于某礦山新建選廠中間礦倉(cāng)4條安裝與使用條件相同的平行皮帶輸送機(jī)開展對(duì)比試驗(yàn)。其中，2條采用傳統(tǒng)導(dǎo)料槽，2條采用優(yōu)化后導(dǎo)料槽，且每條皮帶輸送機(jī)尾部均配置5個(gè)導(dǎo)料槽。經(jīng)過為期1個(gè)月的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)側(cè)擋皮卡石和跑偏次數(shù)繪制對(duì)比點(diǎn)線圖見圖10與圖11。

導(dǎo)料槽對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)導(dǎo)料槽的跑偏次數(shù)約為優(yōu)化后導(dǎo)料槽的2倍，卡石次數(shù)約為優(yōu)化后導(dǎo)料槽的3倍，驗(yàn)證了優(yōu)化后導(dǎo)料槽的實(shí)用性和可靠性。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)多收料點(diǎn)皮帶輸送機(jī)因落料沖擊與導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)缺陷引發(fā)的皮帶跑偏問題，提出了應(yīng)對(duì)的優(yōu)化方案：1）在下料漏斗的落料點(diǎn)設(shè)置料打料積礦臺(tái)，緩沖物料沖擊磨損，修正落料軌跡至皮帶中心；2）采用上寬下窄 + 尾部外擴(kuò)導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)，提升多收料點(diǎn)物料聚攏性與通過性，均衡皮帶受力，降低側(cè)擋皮卡石風(fēng)險(xiǎn)。在理論分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過ANSYS仿真和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案能有效解決皮帶跑偏問題，同步可延長(zhǎng)皮帶及耐磨襯板壽命，為同類工程提供了優(yōu)化范式

參考文獻(xiàn)

[1]王冬.皮帶機(jī)膠帶跑偏原因分析及解決方法研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2018，33（3）：192-193.

[2]李瑞光.帶式輸送機(jī)跑偏問題分析與改進(jìn)研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2022，37（9）：108-109.

[3]宋鳳蓮，巫世晶，吳慶鳴.帶式輸送機(jī)頭部滾筒卸料運(yùn)動(dòng)軌跡方程的研究[J].水利電力機(jī)械，2002，24（2）：48-49.

[4]劉建濤.基于振動(dòng)篩落料點(diǎn)的電動(dòng)滾筒位置選擇[J].水泥工程，2015，8（4）： 55-57.

[5] 馬文選.降低帶式輸送機(jī)下料口村板磨損的方法[J].礦山機(jī)械，2009，37（14）： 84.

[6] 牛創(chuàng)，楊杰，李文莉.利用拋物曲線進(jìn)行機(jī)頭溜槽防磨損和降噪的改造[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33（4）：74-75.

[7]吳志剛.帶式輸送機(jī)輸送帶選型優(yōu)化及導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)改造研究[J]山東煤炭科技，2021，39（11）：124-125.

[8]王玉明.礦用皮帶機(jī)運(yùn)輸帶優(yōu)化及導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)改造研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2020，49（6）：188-189.

[9]宋偉剛，楊彥賀.帶式輸送機(jī)導(dǎo)料槽阻力的計(jì)算方法[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2011，7（5）：5-9.

[10]馬美英，溫富成.合理確定帶式輸送機(jī)的導(dǎo)料槽長(zhǎng)度[J].煤礦機(jī)械，2004（9）：14-16.

[11]劉文亮，張曉偉，董秋艷.連續(xù)皮帶機(jī)膠帶跑偏原因與力學(xué)分析[J].水利水電技術(shù)，2006，37（3）：26-27.

[12] 宗榮珍，薛黨勤，李文民.基于ANSYS的帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)分析[J].礦山機(jī)械，2008，36（11）：66-68.

[13] 王燕燕，張軍峰.基于ANSYS的振動(dòng)給料機(jī)給料槽有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2009，9（7）：38-41.