皮帶運輸機的設計

皮帶運輸機的動態(tài)設計院 系機械與汽車學院專 業(yè)機械設計制造及其自動化班 級學 號2姓 名羅 穎指導教師初麗微負責教師沈陽航空工業(yè)學院2007年6月13 / 14文檔可自由編輯打印1皮帶運輸機的動態(tài)設計摘要本論文是關于不同拉緊裝置的可伸縮性運輸設備的裝配問題，研究方程式移置性質和動態(tài)計算方法。它提供了關于拉緊裝置、驅動裝置和制動裝置的動態(tài)設計方法，也是研究控制皮帶運輸機的振動和安全停止的一種方法，還對中國現(xiàn)有的皮帶運輸機與美國和澳大利亞的作了比較，它們的設計方法非常相似。這篇論文所提供的方法可用于理論研究和工程設計。關鍵詞：皮帶運輸機，彈性振動，動態(tài)張力計算方法，拉緊裝置設計，驅動裝置設計和制動裝置設計。0引論皮帶運輸是一種長距離、大批量、高速運輸貨物原料的運輸體系，它被廣泛的應用于工業(yè)生產(chǎn)中，如冶金、煤炭、港口、建筑、食品加工等。運輸機的輸送帶是一種彈性體，從它起始點和卸載點之間有大量的能量儲存與消耗。這種能量將使皮帶產(chǎn)生較大的張力。關于動態(tài)計算和設計的理論至今還不完善。在中國，皮帶在運輸系統(tǒng)設計中一般被認為是一種堅硬的物質。為了防止傳動滾筒運轉開始時打滑，要由它靜止時計算出的結果乘以一個系數(shù)（一般為1.3到1.7之間）來得到，導致皮帶的張力和主要的承載設計參數(shù)增加，設備的成本也變得過高，另外它還可以經(jīng)常引起組成結構、驅動裝置、卸載裝置和制動裝置的不穩(wěn)定變化，而皮帶的局部張力又是如此的小，從而導致經(jīng)常有事故發(fā)生，如輸送帶的松弛。由于原煤是不規(guī)則的塊狀，容易對皮帶造成損壞。美國和加拿大動力研究所把運輸系統(tǒng)劃分成一系列的彈性膠帶和部件，用數(shù)學計算的方法分析運輸機的動態(tài)特性。本篇論文是根據(jù)一種彈性擺動設備來研究輸送帶的動態(tài)移動和在不同的卸載裝置下，皮帶加速和減速時的動態(tài)設計參數(shù)，也就是說能夠更合理的設計皮帶機的驅動裝置、卸載裝置和制動裝置，這對于消除或減小皮帶在加速或減速時的振動是有利的，可防止皮帶局部壓力過大或過小，防止皮帶的打滑，保證皮帶的安全，使運輸設備的整個系統(tǒng)和每個部件最優(yōu)化和最經(jīng)濟。1皮帶運輸機的動態(tài)特性設計1.1 皮帶運輸機的粘彈性擺動方程皮帶運輸機是一個運輸系統(tǒng)，它包括環(huán)繞皮帶、張緊皮帶輪、驅動裝置、拉緊裝置和卸載裝置，設皮帶機的運輸長度為L（m）皮帶運輸機機尾平衡重量為M（kg），皮帶的動態(tài)加速度為UU（x，t）；皮帶的彈性系數(shù)為E（N/）；皮帶的橫截面積為A（）；等效阻力為j（N），皮帶、輸送物料和托滾的總質量是q（kg/m），皮帶運輸機的加速度是a（t）（m/），則其彈性方程為： （0<X<L,t>0） （1）其中： j皮帶輸送速度， j1.2 皮帶運輸機的初始條件和邊界條件 皮帶運輸機的邊界條件包括許多種不同的拉緊裝置，根據(jù)制造方法，拉緊裝置可分為固定式拉緊裝置、垂直重錘拉緊裝置和自動拉緊裝置。固定式拉緊裝置皮帶運輸機的邊界條件為：U(0,t)=0,U(L,t)=0 (2)垂直重錘拉緊裝置系統(tǒng)為：驅動滾筒U(0,t)=0,U(L,t)=0拉緊裝置 （3） 其中：位移和時間的函數(shù)一般說來，自動拉緊裝置是固定式拉緊裝置和垂直重錘拉緊裝置的結合，由于論文的篇幅有限，在此不做討論。皮帶運輸機的初始位移和初始速度為 U(x,0)=0, (4)1.3位移和張力的計算方案通過采用可變間距調節(jié)和總體協(xié)調調節(jié)，當垂直重錘拉緊裝置被采用時，從方程式（1）中可得到位移方程為： （5） 皮帶運輸機運動分支的振動頻率 且 阻尼系數(shù)，且 考慮阻尼時皮帶運輸機的振動頻率， 且 -皮帶總質量，運輸物料和滾筒平衡裝置系數(shù)，且 振動系數(shù)，且皮帶的動態(tài)張力的計算公式為： （6）同理，當采用固定式拉緊裝置時，動態(tài)位移和動態(tài)張力的計算公式為： （7） （8）其中： 1.4動態(tài)拉緊和張力計算 若皮帶機采用Y系列鼠籠式電動機，有輔助電動機有限扭矩的一對孔，它的初始加速度被近似地認為是糾正系數(shù)，以確保在加速過程中時間為T（s），正常的運轉速度是，這里不考慮阻力，用a(t)解答了采用垂直重錘拉緊裝置皮帶張力的計算方法。 （5）公式（5）表明L是在正常情況下皮帶張力的計算方法，它表明了當來回運轉時要求把垂直重錘拉緊裝置安裝在機尾時皮帶上的張力更小。同理，把公式a(t)代替（8）就是采用固定式拉緊裝置時的皮帶的張力的計算公式 （6）因為是零，當X為L/2時，皮帶在X為L/2時也是零，此時物料在機頭和機尾的分布比較均勻。但實際上并不是這樣的，帶的振動在回轉時更快，所以只有當兩個振動相遇時，皮帶的張力才為零。公式（10）表明當機頭或機尾采用固定式拉緊裝置時，皮帶的張力是恒定不變的，比較這兩種拉緊裝置，采用固定式拉緊裝置時皮帶的張力更小，特別是在回轉分支上皮帶的張力只是采用垂直重錘拉緊裝置的一半。2拉緊裝置的設計皮帶輸送機的拉緊裝置可分為固定式拉緊裝置、垂直重錘拉緊裝置和自動式拉緊裝置，它應該能保證當滾筒啟動，停止或有突發(fā)事故時，使皮帶不打滑，要保證在皮帶的每一個點上有一個必要的張力，為了防止下垂設備和不工作的零件之間變松，拉緊裝置的拉緊距離依據(jù)不同的拉緊裝置，皮帶使用過后的情況，在加速和減速的過程中保證預留的長度。在固定設計中，拉緊裝置被稱為最小的張力點，一般來說，拉緊裝置一般要求安裝在礦石的下面，當要求安裝在水平皮帶運輸機的機頭上時也是一樣。在動態(tài)設計中，皮帶的張力隨拉緊裝置的安裝位置和類型而改變。當驅動裝置突然停止時，為了減小皮帶的張力，防止皮帶張力過大或過小，在長距離，大輸送量，大功率皮帶機向上運輸，水平運輸，向下運輸，雙向運輸時，在兩個滾筒之間應安裝垂直重錘拉緊裝置。這樣，當機頭的驅動滾筒突然停止時，垂直重錘拉緊裝置可以消除一半的振動，與采用其他的拉緊裝置相比，皮帶的振動力量和速度可減少到50%。垂直重錘拉緊裝置的極限條件是應該在兩個驅動滾筒之間保持拉緊狀態(tài)；采用固定式拉緊裝置的極限條件是在驅動滾筒和改向滾筒之間保持張緊力，根據(jù)固定式極限條件，計算出的皮帶張力更小，這樣，皮帶的張力就有了很大的減小，于是，它可以在凹面截面或最小張力點上確保運輸機安全運行，使輸送帶的張力和承受載荷在允許范圍之內降低成本。當然，允許向上運行的皮帶輸送機把垂直重錘拉緊裝置安裝在礦井的底部，對于水平皮帶運輸機，要把固定式拉緊裝置放在機頭部位。拉緊裝置的類型和安裝位置要根據(jù)皮帶機的參數(shù)來計算，設計過程中還要考慮到它的安全性、可靠性、技術含量、合理性、經(jīng)濟性和實用性。拉緊裝置的最小張力要根據(jù)機尾滾筒和皮帶輪之間的傾斜角度來確定，當向上或水平運輸，皮帶加速向下突然停止時，為了確保皮帶在驅動滾筒上不打滑，可以用下列公式計算最小張力 （7）其中： -靜止時確保皮帶在驅動滾筒上不打滑的最小張力（N）, -圓周驅動力或工作阻力（N）, -傳動裝置的動載荷（N）， -摩擦常量，由公式（5）可計算出采用垂直重錘拉緊裝置的輸送帶的位移，由公式（3）可算出拉緊裝置的位移。3驅動裝置的設計根據(jù)皮帶運輸機的工作阻力和拉緊裝置的拉緊力，可計算出皮帶上每一點的張力，可以確定驅動裝置的數(shù)量和其安裝位置，可以合理的選擇皮帶的型號，為了減小皮帶的張力和設備的成本，在設計中建議使用合理的柔性拉緊設備，合理計算柔性拉緊特性和合理的柔性制動特性。在傳統(tǒng)的設計中，皮帶運輸機開始加速的特征曲線是其中的一部分特征曲線，換句話來說，啟動時加速度從零增加到最大所產(chǎn)生的加速頻率超過了極限范圍，就導致壓力動態(tài)特性過大。在柔性拉緊設計中，急速頻率的變化在所允許的范圍之內。因為加速度是從零緩慢地增加到最大值，沿著一個較緩的特征曲線，動態(tài)壓力的頻率特性隨著加速頻率的減小而減小，特別是在某些特殊的條件下，皮帶的彈性振動可以被消除，這樣皮帶運輸機就變得合理和經(jīng)濟。近年來，柔性拉緊裝置得到了廣泛的應用，如CST控制啟動運輸設備，調速液力耦合器，軟硅控制拉緊裝置，頻繁變速設備等等。通過研究三角正弦拋物線和不規(guī)則加速度特征曲線，我們發(fā)現(xiàn)當采用拋物線加速特征曲線時，皮帶的彈性振動可以被消除，皮帶的張力可以達到最小。皮帶運輸機拋物線加速度控制的計算公式如下： （8）拋物線加速度控制曲線的最大值為，把公式（8）代入公式（6）就可得到當采用垂直重錘拉緊裝置時皮帶張力的計算公式： （9）同理，把公式（8）代入公式（5）就可以得出采用固定式拉緊裝置時皮帶張力的計算公式： （10）如果，則是一次諧波頻率振動，第二個條件，如果式（9）、（10）都為零，則皮帶的彈性振動可以消除。為了減小皮帶輸送機的動態(tài)張力的影響和消除皮帶的彈性振動，柔性拉緊裝置的加速和減速控制曲線可以根據(jù)拋物線來設計，加速和減速的時間可考慮為基本振動波類型的6-10倍。在皮帶和滾筒之間應有防滑設備，為了減小皮帶張力，柔性拉緊裝置和柔性制動器的加速和減速的最大值不能小于0.020.05m/，對于水平運輸?shù)倪\輸機要求要小一些，但對于向上運輸?shù)钠н\輸機則要求則要大一些。在輸送機加速的過程中，設計初始加速度和緩沖設備是有必要的，它可以確保原來松弛的皮帶有一個張緊力，致使彈性振動可以緩慢地從機頭傳到機尾，這不僅對產(chǎn)生張緊力有幫助，而且可以減小皮帶的張緊力，初始加速度性質可設計成三角形加速度形式，初始加速度時間應為振動時間的一半，而制動的時間應與振動時間一樣，其轉速應為額定轉速的10%。4制動器的設計當運輸機向上運輸突然停止時，因為存在重力勢能，所以會有向下運動的趨勢，向下運輸?shù)钠C在一般的電源條件下，用一般的制動器就可以防止皮帶的轉速過高，當超過制動的范圍后，皮帶將會失去控制。對于水平和向上運輸?shù)钠C，在大功率制動器的控制下，其停止時間和消除位移時間過長，為了克服這種缺陷，防止事故的發(fā)生，要采用合理的制動裝置。對于向上運行的皮帶運輸機，制動器的扭矩是逆扭矩的1.3倍；當把制動器安裝在機頭時，對于水平和向下運行的皮帶機，在大功率條件下，制動器可根據(jù)減速設備來設計；對于一般電流下向下運輸?shù)钠л斔蜋C，當驅動裝置制動力不能滿足制動要求時，制動器不但要滿足在一般的電流條件下輸送機的安全，而且要滿足皮帶不打滑時條件，使之安全停止。換句話說，皮帶運輸機在制動后不能再轉動，如果皮帶在驅動滾筒上打滑，將會發(fā)生事故，在這種情況下，制動器的設計可分為兩步：第一步，用小一點的制動器使其減速停止，防止皮帶打滑；第二步，在輸送機停止后，用一個較大的制動器，確保運輸系統(tǒng)的安全性和可靠性。下面是制動器使運輸機減速，停止的計算公式： （11） （12）其中： 運輸機在一般電流下的所需要的制動器的力，（N）； 皮帶運輸機的等效質量，（kg）； 驅動滾筒和改向滾筒的質量，（kg）.對于固定式拉緊裝置；對于垂直重錘拉緊裝置；當皮帶機需要快速停止時，制動器的減速可設計成四邊形，在快速停止時為了有效的減小皮帶的彈性振動，要增長制動時間使其與振動系統(tǒng)的時間一致，對于向上運輸?shù)钠C，當突然停止時，減速太快致使皮帶機上產(chǎn)生較大的彈性振動和較大的皮帶張力，因此要采用更大的減速設備。除了垂直重錘拉緊裝置安裝在兩個驅動滾筒之間外，可以選擇較大慣性的馬達或在高速架上安裝飛輪來增大皮帶運輸機的有效質量和減小減速時間。5實例沙區(qū)礦山傾斜皮帶機：運輸量A=2000t/h；運輸長度=1374m；傾斜角度=；采用機頭驅動裝置，；在機尾采用垂直重錘拉緊裝置，拉緊裝置的重量為M=6220kg；制動器安裝在機頭部位，制動力矩為100kNm，皮帶張力的計算根據(jù)本論文前面所給出的美國標準所用的方法，計算結果表明這兩種方法計算的結果非常相似。晉城泗河礦山皮帶運輸機：運輸量2000t/h；運輸長度1374m；運輸高度H=-136m（從機尾到機頭，下垂高度179.553m，=6347.789m，上升高度42.95m，=348.098m）；驅動裝置：2800kw，安裝在機頭，800kw安裝在機尾，自動拉緊裝置安裝在離機頭348.098m處；皮帶的張力為88kN，制動器安裝在機尾和輸送機之間，總制動力矩為133 kNm；皮帶的張力按照澳大利亞的標準來算。計算結果如下表：表1皮帶運輸機的計算結果 工作條件滿載空載加速急停加速急停總張力（KN）機頭855.046620.463341.672272.909機尾32.73328.91832.66830.242總張力國CDI（kN）機頭852.78639.87341.37261.37機尾36.2427.5833.931.43表2 皮帶運輸機的計算結果工作條件滿載急?？蛰d急停上述方法CDI上述方法CDI急停減速度（）0.310.436動態(tài)張力運載分支的頭部-237-223.6-108.9-122.6運載分支凹面的底部-213.34-206.4-90-96.2運載分支的尾部241232.6131.6125.8總張力運載分支的頭部94107.4186.9173.2運載分支凹面的底部18.825.8171.1164.9運載分支的尾部423.5415.1335.9330.1表2表明在工作條件下兩種計算結果非常近似另外，還有康家灘礦山神華公司生產(chǎn)的皮帶機：運輸能力2500t/h；輸送機的長度4200m；垂直高度H=33m（從輸送機的機頭到機尾，地下200m，=3200m，地上233m，=1000m）。驅動裝置：機頭4800kw。垂直重錘拉緊裝置安裝在兩個驅動滾筒之間，重錘的質量為M=97000kg。制動器安裝在機尾，制動力矩為190 kNm。計算方法用美國的CDI法。兩種計算結果在工作條件下非常近似。6結論根據(jù)本論文所提供的關于皮帶機的計算方法，當設備給定時是可以計算出皮帶的張力的，甚至計算結果簡潔有用精確，本方法可以用于皮帶機的學習和工程設計。分析皮帶的張緊特性，合理的選擇拉緊裝置，他的安裝可以防止皮帶張力過大或過小，減小皮帶長度和確保皮帶安全運行。為了有效的消除運輸機在加速或減速時所產(chǎn)生的彈性振動和減小皮帶的彈性張力，建議采用柔性曲線驅動裝置，并且啟動時間和停止時間（是基本頻率周期），柔性加速度和柔性減速度平均起來不應小于0.020.05m/。