带式输送机驱动装置设计

1 引言

1．1 国内外带式输送机的发展状况

输送机是在一定线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称连续输送机。输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。输送机输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用广泛。

17世纪中，开始应用架空索道输送散状物料；19世纪中叶，各种现代结构的输送机相继出现。1868年，在英国出现了带式输送机；1887年，美国出现了螺旋输送机；1905年，瑞士出现了钢带式输送机；1906年，英国和德国出现了惯性输送机[1]。

20世纪80年代末以来，我国的煤矿用带式输送机也有了很大的发展，对其关键技术的研究和新产品的开发都取得了可喜的成果。输送机产品系列不断增多，从定型的SDJ、SSJ、STJ、DT等系列发展到多功能、适应特种用途的各种带式输送机系列，如国家“七五”攻关项目—“大倾角带式输送机成套设备”、“九五”攻关项目—“高产高效工作面顺槽可伸缩带式输送机”等都填补了国内空白，开发了大倾角、长距离输送原煤的新型带式输送机系列产品，并对带式输送机的关键技术及其主要元部件进行了理论研究和产品开发，应用动态分析技术和中间驱动与智能化控制等技术，研制成功了多种软启动和制动装置及以PLC为核心的可编程电控装置。但与国外相比（如表1-1），其机型一般都偏小，特别是带速通常均不超过4.5m/s，对高带速输送机及其动态设计与计算机监控等关键技术问题缺乏实践经验，由于带速普遍较低，许多设计单位仍沿用以往的静态设计法，用加大带式输送机安全系数的方法来提高设计的可靠性，其结果不仅增大了设备成本，而且降低了设备运行的可靠性。

表1-1 国外目前带式输送机的主要技术指标[2]

目前，带式输送机的发展趋势是：大运输能力、大带宽、大倾角、增加单长度和

水平转弯，合理使用胶带张力，降低物料输送能耗，清理胶带的最佳方法等。

1．2 带式输送机发展的技术前瞻

带式输送机大型化与高可靠性要求，对设计者和制造商提出了更高的要求，只有解决了带式输送机发展的关键技术，才能制造出高性能、高可靠性的大型带式输送机。其关键技术为[2]：

1．动态分析技术

就是建立带式输送机输送带在启动和停机过程中的动力学方程，求解带式输送机上不同点随时间推移所发生的变化，找出变化剧烈的张力波可能造成的破坏，这就是带式输送机的动态分析。

2．可控启动技术

大型带式输送机的启动，一定要有一个足够的启动时间，使启动加速度保持在允许范围内，运距越长、带速越高、输送量越大，启动时间就越长。因而必须对启动时间加以控制，可控启动时输送带张力波动极小，启动平稳。

3．下运制动技术

包括三个技术关键，分别是制动能量大、制动平稳性要求高、在事故停电时要求系统迅速而安全地制动。

4.中间驱动技术

随着我国高产高效矿井的出现，煤矿井下用带式输送机已向大型化方向发展，但由于受到输送带强度与驱动装置的限制，井下使用的带式输送机单机长度还不允许无限制地加长。中间驱动就是把驱动功率的一部分放在输送机的中间段，使驱动功率分散开来，这样可以降低输送带的最大张力，降低输送带的强度，提高输送机的输送能力，降低征集成本。

5.高速托辊技术

托辊使带式输送机的主要部件，量大面广，在顺槽中使用的托辊一般采完一个工作面后，托辊损坏数量很大，经济损失相当严重。另外托辊的旋转阻力及输送机运行阻力大，功率消耗很大，因此提高托辊质量对降低能耗、节省费用、增加运行可靠性具有重大意义。

6.电控与监测自动化技术

国外大型带式输送机都已采用高档PLC可编程控制器，开发了先进的程序软件与综合电源继电器控制技术以及数据采集等完整的自动监控系统。这样可以实现输送机

可控启（制）动、中间驱动、功率平衡、带速同步、自动张紧与机尾自移以及各种保护装置、通信与信号联络等综合功能的要求。

带式输送机概述

1.3.1 带式输送机的优缺点

带式输送机的优点是输送物料种类广泛，运输能力大，输送路线的适应性强，灵活的装卸料，可靠性强、安全性高、费用低，工作阻力小，耗电量低，约为刮板输送机耗电量的1/3～1/5。因在运输过程中物料与输送带一起移动，故磨损小，物料破碎性小。由于结构简单，既节省设备，又节省人力，故广泛应用于我国国民经济的许多工业部门。

带式输送机的缺点是输送带成本高且易损坏，故与其他输送设备相比，初期投资高，且不适于运送有棱角的物料。

1.3.2 带式输送机的工作原理

带式输送机的机构示意图如下所示，

图2-1 带式输送机工作原理图

1.驱动滚筒；

2.清扫装置；

3.托辊

4.输送机

5.机尾换向滚筒

6.拉紧装置

输送带绕经驱动滚筒1和机尾换向滚筒5形成无极闭合带。上下两股输送带是由安装在机架上的托辊3支承着。拉紧装置的作用是给输送带正常运转所需要的张紧力。工作时，驱动滚筒通过它与输送带之间的摩擦力驱动输送带运行。货载装载输送带上并与其一起运行。带式输送机一般是利用上分支输送带输送货载的，并且在端部卸载。利用专门的卸载装置也可在中间卸载。

1.3.3 带式输送机的分类

带式输送机分类方法有多种,按运输物料的输送带结构可分为两大类；一类是普通型带式输送机，这类带式输送机在输送带运送物料的过程中，上带呈槽形，下带呈平形，输送带有托辊托起，输送带外表几何形状均为平面；另一类是特种结构的带式输送机，各有各的输送特点，其分类图如下[4]：

TDII型固定式带式输送机

GD80轻型带式输送机

普通型 DX型钢绳芯带式输送机

U型带式输送机

带式输送机

管形带式输送机

气垫型输送机

特种结构波状挡边带式输送机

钢绳牵引带式输送机

压带式带式输送机及其它类型。

图1-1 带式输送机的分类

1．4 驱动装置形式

驱动装置实际上是一种能量转换装置, 根据能量可能进行的转换方式, 带式输送机的驱动可以有下面的几种途径:

a) 电能→机械能: 电动机通过电力电子技术直接驱动。其主要形式为: 直流电动机调速方式、交流电动机软启动方式、交流电动机变频调速方式、差动变频无级调速。

b) 电能→液体动能→流体摩擦→机械能: 液粘离合器驱动。

c) 电能→液体动能→机械能: 液力耦合器驱动。

d) 电能→液压能→机械能: 液压马达驱动。

根据设计参数和要求，综合考虑后，采用第一种途径。

驱动装置的作用是将电动机的动力传递给输送带，并带动它运动。

驱动装置是带式输送机的动力传递机构。一般由电动机、联轴器、制动器、减速器及驱动滚筒组成。

电动机：带式输送机用的电动机，有鼠笼式、绕线式异步电动机。在有防爆要求的场合，就采用矿用隔爆机。使用液力耦合器时，不需要具有高起动力矩的电动机，只要与耦合器匹配得当，就能得到接近电机最大力矩的起动力矩。

联轴器：按传动和结构上的需要，分别采用液力耦合器、柱梢联轴器、棒梢联轴器、齿轮联轴器或十字滑块联轴器。

减速器：带式输送机用的减速器，有圆柱齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器。圆柱齿轮减速器的传动效率高，但是它要求电机轴与输送机轴平行，驱动装置占地宽度大，适合于在地面驱动；而井下使用时需要加宽峒室，若把电机布置在输送带下面，会给维护和更换造成困难。因此，用于采区巷道是，常采用圆锥-圆柱齿轮减速器。

驱动滚筒：驱动滚筒是依靠它与输送带之间的摩擦力带动输送带运行的部件。据挠性牵引构件的摩擦传动理论，输送带与滚筒之间的最大摩擦力，随摩擦系数和围包角的增大面增大。所以提高牵引力必须人这两方面入手。

根据不同的使用条件和工作要求，带式输送机的驱动方式，可分单电机单滚筒驱动单电机双滚筒驱动及多电机驱动多滚筒驱动几种。

2 运动方案的拟定

驱动装置是带式输送机的原动力部分，由电动机、减速器以及高（低）速联轴器、制动器和逆止器等组成。其型式的确定按与传动滚筒和关系，驱动装置可分为分离式、半组合式和组合式三种[5]。其三种组合方式如下表所示：

表2-1 驱动装置的组成

分离式驱动装置有两种，在这两种分离式装置中，应优先选择Y-ZLY驱动装置；而Y-DBY适用于要求布置特别紧凑的地方。

半组合式驱动装置是只将减速齿轮副置于滚筒内部，电动机伸出在滚筒外面的驱动装置。它解决了电动滚筒散热条件差的问题。因而作业率可不受太大的限制。

组合式驱动装置是将电动机和减速器齿轮副装入滚筒内部与传动滚筒组合在一起的驱动装置。驱动装置不占空间，适用于短距离及较小功率的带式输送机上。但电动机在滚筒内部，散热条件差，因而电动滚筒不适合长期连续运转，也不适合在环境温度不大40C的场合使用[6]。

传动装置的传动方案是否合理将直接影响机器的工作性能、重量和成本。综合考虑本题设计采用的为第一种分离式传动方案。其结构图如下:

图2-1 分离式驱动装置的结构图

3 电动机的设计

3．1 带式输送机驱动装置设计的原始数据

1. 驱动装置技术性能：

(1) 运输物料: 原煤

(2) 胶带速度: 2.5m/s

(3) 传动滚筒转速: min

(4) 物料堆积密度：ρ'= 800kg/m3

(5) 传动滚筒轴功率:

(6) 带式输送机倾角：α=100

(7) 输送带拉力 25KN

（8）设计运输生产率 Q=1500t/h

2. 使用情况：每天工作8小时，每年300天，5年。

选择电动机的类型

按工作要求和条件选取Y系列一般用途的全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机。它具有高效、节能、振动小、噪声小和运行安全可靠的特点，安装尺寸和功率等级符合国际标准。

3.3选择电动机的容量

表3—1

工作所需的功率： w

d P P η

=

（1）

1000w w

Fv

P η=

（2）

由上式（1），（2）可知: 1000d w Fv

P ηη

=

式中d P ——电动机的工作功率kw ；

w P ——工作机所需功率(指输入工作轴的功率)，kw ；

w η——工作机的效率； F ——输送带主轴牵引力N ；

v ——输送带运行速度 m/s ；

η——电动机至工作机之间传动装置的总效率。

2421234ηηηηη=

式中1η、2η、3η、4η、分别为齿轮传动、卷筒、轴承、联轴器的效率。 查表3—1得，1η=、2η=、3η=、4η=则：

η=×××= 所以: 25 2.5

800.960.817

d w Fv

P kw kw ηη

?=

=

≈?

根据d P 选取电动机的额定功率ed P 。

查《机械零件设计手册》取电动机的额定功率为ed P =110kw

3．4 选择电动机的转速

由传动滚筒轴的转速59.7/min w n r =,按二级斜齿圆柱减速器的传动比的合理范围i =8:30,故电动机的转速范围为: d w n i n =?=:1791)r/min 。配合计算出的容量,可查出有两种适用的电动机型号, 其技术参数比较情况见下表：

表3-2 两种适用的电动机型号的参数

综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量以及减速器的传动比，可知方案2比较适合。因此选定电动机型号为Y315S-4,所选电动机的额定功率P =110kw，满载转速n=1480r/min 。

4 减速器的设计

4．1 计算总传动比并分配各级传动比

图4—1 运动简图

电动机确定后，根据电动机的满载转速和工作装置的转速就可以计算传动装置的总传动比[7]。 4.1.1 计算总传动比

/m w i n n ==

1480

59.7

= 4.1.2 分配各级传动比

确定各级的传动比时,考虑到润滑条件,应使高、低级两个在齿轮的直径相近，所以低速级大齿轮略大些，推荐高带级传动比1i =: 2i

1 5.49i =

2 4.51i =

4．2 运动参数的计算

4.2.1 计算各轴转速 m n n =1=1480r/min 112/i n n ==1480/=min 223/i n n ===min 4.2.2 各轴的功率和转矩 电动机轴输出功率和转矩

d P ＝80kw

d T ＝9550×m d n p N m ?＝9550×

80

516.211480

N m =? 轴Ⅰ的输入功率和转矩：

1P = d P ·4η= 80×=

1T ＝9550×

1

1

n P N m ? ＝9550×

79.2

1480

＝N m ? 轴Ⅱ的输入功率和转矩：

2P = 1P ·1η·3η = ××=

2T ＝9550×

2

2

n P N m ? ＝9550×

75.29

269.58

＝N m ? 轴Ⅲ的输入功率和转矩：

3P = 2P ·1η·2η=××=

3T ＝9550×

3

3

n P N m ? ＝9550×

71.57

59.77

＝N m ? 传动滚筒轴的输入功率和转矩：

k P = 3P ·2η·3η·4η

=×××=

k T ＝9550×

3

n P k

N m ? ＝9550×

66.66

59.77

＝N m ? 将以上各轴的转速，功率及转矩，列成表格

表4-1 各轴的转速，功率和转矩

综合考虑传动比和额定功率，应该选取

314

H SH减速器，/m w

i n n

==，额定功率ed

P =110kw。

5 驱动滚筒设计

输送带的选择

输送带在带式输送机中既是承载构件又是牵引构件（钢丝绳牵引带式输送机除外），它不仅要有承载能力，还要有足够的抗拉强度。输送带有带芯（骨架）和覆盖层组成，其中覆盖层又分为上覆盖胶，边条胶，下覆盖胶。

输送机的带芯主要是有各种织物（棉织物，各种化纤织物以及混纺织物等）或钢丝绳构成。它们是输送带的骨干层，几乎承载输送带工作时的全部负载[18]。因此，带芯材料必须有一定的强度和刚度。覆盖胶用来保护中间带芯不受机械损伤以及周围有害介质的影响。上覆盖胶层一般较厚，这是输送带的承载面，直接与物料接触并承受物料的冲击和磨损。下覆胶层是输送带与支撑托辊接触的一面，主要承受压力，为了减少输送带沿托辊运行时的压陷阻力，下覆盖胶的厚度一般较薄。侧边覆盖胶的作用是当输送带发生跑偏使侧面与机架相碰时，保护带芯不受机械损伤。

按输送带带芯结构及材料不同，输送带被分成织物层芯和钢丝绳芯两大类。织物层芯又分为分层织物芯和整体织物层层芯两类，且织物层芯的材质有棉，尼龙和维纶等。

为了方便制造和搬运，输送带的长度一般制成100米～200米，因此使用时必须根据需要进行连接。橡胶输送带的连接方法有机械接法与硫化胶接法两种。硫化胶接法又分为热硫化和冷硫化胶接法两种。

驱动滚筒的选择设计

驱动滚筒是传递动力的主要部件。根据不同的使用条件和工作要求，带式输送机的驱动方式，按单点驱动方式来讲，可分单滚筒驱动和双滚筒驱动。单滚筒传动多用于功率不大的输送机上，功率较大的输送机可以采用双滚筒传动，其特点是结构紧凑，还可以增加包角以增加传动滚筒所能传递的牵引力。使用双滚筒传动时可以采用多电机分别传动，也可以利用齿轮传动装置使双滚筒同速运转。如双滚筒传动仍不满足牵引力需要，可采用多点驱动方式。滚筒结构又分为钢板焊接滚筒(大型的)和铸造滚筒(小型的)。

驱动滚筒的作用是通过筒面和带面之间的摩擦驱动使输送带运动，同时改变输送带的运动方向。为了传递必要的牵引力，输送带与滚筒间必须具有足够的摩擦力。根据摩擦传动的理论，在设计或选择驱动装置时，可采用增加输送带与驱动滚筒问的摩

擦和围包角的方法来保证获得必要的牵引力。采用单滚筒驱动时；围包角可达180°～240°；当采用双滚筒驱动时，围包角为360°～480°左右。用双滚筒传动能大大提高输送机的牵引力，所以常常被采用，尤其是当运输长度比较长时，一般采用双滚筒驱动。

驱动滚筒的表面形式有钢制光面滚筒和包胶面滚筒等。钢制光面滚筒的主要缺点是表面摩擦系数小，所以一般用在周围环境湿度小的短距离运输机上[19-20]。包胶滚筒的主要优点是表面摩擦系数大，适用于环境湿度大，运距较长的输送机。而包胶的主要用途就是为了增大驱动滚筒与输送带间的摩擦系数，减小滚筒的磨损。当功率不大，环境湿度小的情况下，可选用光面滚筒；环境潮湿，功率又大，容易打滑的情况下，应选用胶面滚筒作为驱动滚筒。包胶滚筒按其表面形状又可分为光面包胶滚筒、人字形沟槽包胶滚筒和菱形包胶滚筒。

本设计采用人字形沟槽包胶滚筒。这种滚筒是为了增大摩擦系数，在钢制光面滚筒表面上，加上一层带人字形的橡胶层面制成。这种滚筒有滚筒方向性，使人字刻槽的尖端顺着输送方向，不得反向运转。方向如下图所示。人字形沟槽胶滚筒，沟槽能使水的薄膜中断，不积水，同时输送带与滚筒接触时，输送带表面能挤压到沟槽里，由于这种原因，即使在潮湿的场合工作，摩擦系数降低也很小。而菱形胶表适用于可逆运转的输送机[8]。

两种人字形沟槽包胶滚筒如下图所示：

图5-1 左向人字形包胶滚筒和右向人字形包胶滚筒的结构示意图

滚筒尺寸的确定

输送带的宽度直接影响，原煤的输送生产率[9]。由带式输送机的输送能力公式：

m m C v B K Q ρ'?=2

易知：满足运输生产率要求的最小输送带宽度 m

m C v K Q

B ?'??=

ρ

式中 B —输送带宽度，m ； v —带速，m/s ；

ρ'—物料散集密度，t/m 3；

Q —输送量，t/h ；

m K —物料的断面系数，m K 值与物料的堆积角θ值有关，可由表5—1查得；

m C —输送机倾角系数，即考虑倾斜运输时运输能力的减小而设的系数，其值见表

5—2。

表5—1 物料断面系数表

表5—2 输送机倾角系数表

表5—3 各种物料散集密度及物料堆积角

设计中，带式输送机采用的是槽形托辊；由原始数据可知，运送的是原煤，输送机的倾角为10°。故从表5—3查得θ=30°；从表5—1中查得m K =458；从表5—2中查得m C =—，取m C =。

代入数据： m

m C v K Q

B ?'??=

ρ=92.08.05.24581500???m= 查表选取带宽B ==1400mm

在标准设计中，带宽与滚筒直径也有一定比例关系，所以用上式计算的滚筒直径，然后在系列标准中圆整成相近的标准直径，带宽B 与驱动滚筒标准直径的关系如下表所示[22]：

表5-4 带宽与驱动滚筒标准直径的关系

滚筒长度1B 应比输送带宽度B 大些，一般取为1B =B +（100～200） mm

故滚筒长度1B =（1400+200）mm =1600 mm 由表5—4选取驱动滚筒的标准直径D=1000mm

本系列传动滚筒设计时,已考虑了输送机启制动时出现的尖峰载荷,因而传动滚筒只需按稳定工况算出的扭矩和合力来选择即可。 由总体方案的设计部分可知，传动滚筒的圆周合力为：

25P F KN ≈=

而按稳定工况计算出的转矩为：

1000w w

Fv

P η=

=

k T ＝9550×

3

n P k

N m ? =9550×

66.66

59.77

＝N m ? 故该滚筒选择满足要求。 其结构尺寸如下图所示[10]：

图5-2 传动滚筒的结构尺寸安装图

由DT(Ⅱ)输送机设计手册[22]查得安装尺寸如表

5—5所示：

表5—5

图5-4 传动滚筒的三维模型

驱动滚筒轴的设计

5.4.1 驱动滚筒轴的结构设计 计算最小轴径： 筒的输入功率和转速

k P =

3n ＝59.77N m ?

选取驱动滚筒轴的材料为45钢，调质处理。查表知：考虑弯矩影响的设计系数为

0A =118，于是轴的最小直径为：

min d ≥0

A ，

滚筒轴的结构尺寸如下图所示：

图5-5 滚筒轴的结构尺寸

图5-6滚筒轴的三维模型

5.4.2 滚筒轴的校核

由于只受扭转力的作用，故只校核轴的强度和刚度。 (1)强度校核

由强度校核条件：

T τ=

T

W T

≈3

6

d

.20105.59??n P =36150.207.7596

.666105.59??=

T τ——轴的扭转剪应力,Mpa ； T ——轴所受的扭矩，；

W T ——轴的抗扭截面模量，对于实心轴，W T =16

d 3

π≈；

P ——轴所传递的功率，KW ； n ——轴的转速，r/m 3； d ——轴的截面直径,mm ； [T τ]——许用扭转剪应力，Mpa ；

由于轴承的材料为45钢，查机械零件表15-3得，轴的材料的许用扭转剪切应力为25～45

因为T τ<[T τ]，所以符合要求。

(2) 刚度校核 由刚度条件得：

?=×4

10p GI T =×4

104

43220

14.3101.8103287.10650?????=(?/m) T ——轴所受的扭矩,

G ——轴的材料剪切弹性模量，对于钢材，G=? I p ——轴的截面的极惯性矩,mm 4

，对于轴I p =

32

4

d π

由于传动滚筒为一般的传动轴，因此[]?=～1(?/m) 故轴的刚度合格。 5.4.3 滚筒的周向定位

对于零件的周向定位，一般的方法是采用键、螺钉等进行，这就不同程度的削弱了轴强度，基于此，本设计采用胀套定位，利用锥面原理，通过调整锥面轴向位移，达到径向膨胀[21-22]。

优点及特性：

a)制造和安装简单。安装胀套的轴和孔不像过盈配合那样要求高精度的制造公差，安装胀套也无需加热，冷却或使用加压设备，只须将螺钉按规定扭矩值宁紧即可。

b)有良好地互换性，且拆卸方便。拆卸时，先松开压紧螺钉，再用顶出螺钉顶出