长距离、大运量带式输送系统

长距离、大运量带式输送系统

1长距离带式输送机的应用

1.1西班牙的西撒哈拉带式输送机线路

西班牙的西撒哈拉带式输送机线路是世界上最长的长距离输送机线路。该线路长达100km，用来将位于石质高原地区的布·克拉露天矿的磷灰石矿石运往艾汾阿雍海港。此线路于两年半内建成，并于1972年投入使用，西班牙的一些专家是在技术经济方面进行周密的研究后才做出采用带式输送机运输这一选择的。专家们曾将输送机运输、管道运输、汽车运输和铁路运输各种方案进行过比较。该系统总投资额为2亿马克。服务年限为30年，年平均运输量为1000万吨磷灰石矿石(2000t/h)。每吨千米的运费为0.026法郎，整条线路由长为6.9~11.8km的11台输送机组成。单台输送机的长度有时选为9km以上在经济上也是合算的，因为可以减少传动站和转载站的数量。根据计算，如果再增大输送机的长度，需要选择强度更大的输送带，而且费用将显著增加。

输送机采用宽为1000mm，强度为3150N/mm的钢绳芯输送带，带速为4.5m/s。输送带的安全系数为6.7~10。

输送机设有顶棚，迎风侧装有护板，其上分支采用三辊式悬挂托辊，下分支则采用双辊式托辊。各辊的辊轴用板式链的链节相互连接，上分支的托辊间距为4m，而下分支的托辊间距为8m。

较长的输送机头部有两个传动滚筒，共装有四个感应电动机，每

台的功率为378kW；其尾部则装有一个传动滚筒，装有减速器、液压起动离合器和制动器的每台电动机构成一个驱动单元。整条线路总共有51个驱动单元。当其中有一个单元发生故障时，输送机不停机，而由其他三个或四个驱动单元驱动，使之继续运行。但是，此时带速减慢，因此线路的运输效率也相应地降低。输送线路的起动次序与所装物料的运行方向相反，且各段的接通均有一定的延时。整条线路完全起动的周期为5.5h。

线路上备有11台自行式小车，以供进行检查和技术维护之用。小车上装有声纳检测器、无线电发射机以及输送机的紧急停机按钮。

借助于能反映输送带运动所发生的声音变化情况的声纳检测器可以发现损坏的托辊。此时，在输送带不停止运行的条件下，只需数分钟就可更换损坏的托辊。无线电发射机可以保证与总操纵台取得联系，并根据无线电信号保证用紧急按钮使输送机停机，输送机线路的终端建有贮矿场，以便在矿山中断采掘作业时保证均匀供应精矿厂所需的矿石。

1.2恰那矿20km地面带式输送机系统

澳大利亚恰那矿20km地面带式输送机系统是代表了现代带式输送机发展水平的一条输送线。该输送系统由一条长为10.3km的平面转弯带式输送机和一条10.1km的直线长距离带式输送机构成。转弯带式输送机的曲率半径为9km，弧长为4km。两条输送机除线路参数外，其他参数相同，运输能力为2200t/h，带宽1050mm，输送带抗拉强度为3000N/mm，安全系数为5，拉紧装置为重锤拉紧。允许行程

为25m，驱动采用3台700kW直流电动机，双滚筒驱动。该机在25℃下每台电动机的牵引功率小于330kW，相应摩擦系数分别为：直线输送机0.00998，转弯输送机为0.011。系统采用了先进的托辊制造和安装技术、水平转弯技术和动态分析技术。

1.3津巴布韦钢铁公司15.6km水平转弯越野带式输送

机

津巴布韦钢铁公司的15.6km水平转弯越野带式输送机于1996年投入使用，是世界上单机最长的带式输送机。该输送机将津巴布韦钢铁公司的矿的经过二次破碎的铁矿石运送到Redcliff，Zimbabwe的炼钢厂附近。输送量为干矿石500t/h(湿矿石600t/h)。输送机线路如下图所示，系统全长为15.6km，物料提升高度为90m。

图津巴布韦钢铁公司越野带式输送机系统线路

输送带采用桥石公司的钢绳芯输送带，抗拉强度为888N/mm，运行速度为4.25m/s输送带的安全系数为5.8，当环境温度为0℃时，安全系数降到5.5，当输送量增加到600t/h时，输送带安全系数降低

到4.8。为了提高输送带的利用率，输送带的上、下覆盖层采用相同的厚度，为5mm。这样做的目的是，当上覆盖层磨损超过2mm时，可将输送带翻面使用，从而达到提高输送带的使用寿命。

在主要阻力计算方面，采用了输送机动力学公司的粘弹性模型理论，所给出的阻力系数相当于DIN标准模拟摩擦系数为0.0135。按此计算，整个系统所需功率为445kW。

输送机采用头部双滚筒，尾部单滚筒的驱动方案，头部第一传动滚筒上设两个驱动单元，其他传动滚筒上设一个驱动单元。每个驱动单元配置西门子的250kW电动机，采用变频调速器控制系统的起动与停机。起动过程是：首先尾部驱动开始起动，经过20。的时间速度达到额定速度的4％，并一直保持此速度到60s，这样做的目的是将输送机停机造成的输送带垂度增大的部分拉紧，在头部的第二传动滚筒后设张力传感器，当张力达到一定数值

后，头部驱动开始投入。

拉紧装置为重锤拉紧方式，拉紧塔高50m，封底下图所示。拉紧装置设置在尾部装料区的后面，使其靠近水平曲线段，从而有效地降低转弯段的张力，避免了拉紧装置设置在头部，使转弯段产生较大的张力波动。采用2倍率的拉紧方式，拉紧重锤的行程为22m，可使拉紧滚筒具有44m的拉紧行程。重锤重量为80t，相当于单边张紧力为20t。

在承载段和回程段上使用了不同的托辊直径，承载段为152mm，回程段为127mm。托辊间距分别为：承载直线段为5m，承载转弯段

2.5m；回程直线段为10m，回程转弯段为5m。

考虑到承载段和回程段的惯性不同，为保证良好的停机过程，除对系统进行控制停机外，在头部的每个驱动单元上设置了飞轮，飞轮的转动惯量为电动机惯量的9倍，并在尾部设置20kN·m的制动器。输送机停机时间为100s。避免了输送机承载段过大垂度可能造成的撒料问题。

为了保证曲线段不产生过大的输送带偏移，在转弯段采用内曲线抬高，承载段为2°(在凹曲线段为6°)，回程段为3°(在凹曲线段为5°)，为了适应输送带张力，在回程转弯段采用3托辊槽形托辊组。输送机在靠近尾部和头部的回程段上设置了翻转装置。

1.4向家坝水电站31.1公里沙石料长距离大运量带式

输送系统

31.1公里由2.5公里到8.2公里共5条带式输送机组成的输送系统。带宽1.2m，带速4.5m/s,输送量3000t/h，带强ST450。

2 带式输送机驱动技术

2.1 带式输送机对驱动装置的要求 I

驱动装置是带式输送机动力的来源。电动机通过联轴器、减速器带动传动滚筒转动，依靠滚筒和输送带之间的摩擦力使输送带运动。一般来说：使用最少数量设备的最简单的驱动装置是最好的驱动装置。然而，驱动装置有时还可能配置一些特殊用途的设备，用来改善输送机的起动和制动性能。在需要的情况下，在驱动装置上还设有制动器、逆止器。带式输送机系统对驱动装置的基本要求如下。

1)驱动装置应具有良好的起动性能，具有大的起动力矩以使输送机能够有载起动。

2)起动过程中具有足够小、合理的加速度以减小各承载部件的动载荷，避免由过大的惯性力引起物料在输送带上的滑移和洒料、输送带和滚筒打滑以及拉紧装置的过大行程。理论上要求在不同的货载情况下都应保持恒定的起动过程。

3)提供低速运行方式。为了验带或者防止冻结，有时要求输送机必须在低速下持续运行，一般是设计速度的10％—12％。

4)驱动装置必须防止输送到输送机的功率和力矩超过安全限度，以保证过载的输送机自动停机，避免发生灾难性的事故。

5)在采用多驱动情况下，应保证各电动机的负荷均匀，避免一个或几个驱动及输送机的部件过载。

6)电动机起动时对电网的冲击小，最好能使电动机无载起动。

7)驱动装置应该具有较高的传动效率以及较低的能耗。

8)驱动装置应具有良好的可控性，控制起动、停机时的速度、加减速度。

9)尽量使电动机空载起动、错开起动时各电动机的起动时间；减少电动机的起动次数，有可能时，可在输送机停止时不必停电动机。

10)装备包括白监控、自诊断功能的控制器。

2.2 驱动装置的分类

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。

1)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；交流电动机软起动方式；交流电动机变频调速方式；例如差动变频无级调速。

2)电能→液体动能→流体摩擦→机械能例如液粘离合器驱动。

3)电能→液体动能→机械能例如液力耦合器驱动。

4)电能→液压能→机械能例如液压马达驱动。

按驱动系统的控制方式分为按驱动装置的特性起动和控制起动。

由于带式输送机系统的驱动种类较多，根据传动原理和结构特点的不同，将现有的驱动装置分成：

变频调速

液力耦合器传动

直流电动机调速

液体粘性离合器传动

液压马达驱动

交流电动机软起动

差动变频无级调速等7类。

3带式输送机的动态分析方法

3.1带式输送机动态分析的意义

带式输送机起制动过程的合理设计是带式输送机设计的重要内容。输送机各元件的受力状况都是在起制动过程中达到最大，所以分析输送机各元件的最大受力要对起制动过程进行动力学分析。标准的设计方法中采用的是将输送带看成是刚体对输送机进行动力学分析，

这种分析方法对于小运量、短距离的输送机可以得到满足工程设计要求的精度。然而对于大运量、长距离的大型带式输送机刚体动力学的分析方法已不能满足设计要求，计算结果有较大的误差，已经失去了输送机的固有动力学特性。因而，对大型带式输送机必须采用较为精确动态过程的动力学分析方法。本章将采用输送带粘弹性力学模型对输送机系统进行分析，给出粘弹性动力学分析方法，介绍作者开发的带式输送机动态分析软件。

带式输送机的动态分析可以得到以下主要结果。

1)给出输送机各主要零部件的受力状况，应用这些结果可以进一步对各零部件进行强度设计。

2)提供合理的驱动装置起制动过程的驱动力和制动力的控制要求。

3)为输送机的拉紧装置设计提供设计参数，包括拉紧装置的速度、行程，进而可以设计拉紧装置的驱动功率。

4)检验初步设计结果的合理性，通过分析结果对初步设计进行改进。

3.2带式输送机动态分析的发展概况

带式输送机的动态问题直接关系到输送机的设计、制造的技术水平，各国(或公司)为使自己的产品在技术上领先，纷纷对此问题进行研究。

前苏联的研究人员从20世纪60年代初首先开始研究带式输送机的动力学问题。由于当时的工业装备水平和学术传统所限，前苏联的

研究工作主要集中在对简化的力学模型进行解析求解，因而虽具有重要的理论意义，但实用价值不大。从20世纪60年代后期开始，德国的汉诺威工业大学的Vieding，Oehmen，Funke等人进行了一系列的研究工作，到1973年形成了以行波理论为基础的动态分析方法，并开始实际应用。20世纪80年代初，澳大利亚的Harrion，美国的Nordell，波兰的T．W．Zur以及南非、加拿大、韩国等国也开始了研究工作，近年来，荷兰的Lodewijiks也对动态过程进行了深入的研究，提出了用梁单元建立二维模型。带式输送机动态分析所研究的问题涉及了所有的部件和起制动时可能出现的各方面问题，研究包括以下内容。

1)输送带力学性能的研究。

2)输送机系统动态过程力学模型的建立与动态方程的解。

3)从理论上对起制动工况动态响应的分析

4)分析各种驱动装置、制动装置和拉紧装置对起制动特性的影

响。

5)各种工况下的现场测试分析。

带式输送机是一个复杂的机电系统。T．W．zur总结出了输送机数学模型框图，此框图基本上包含了输送机起制动研究所涉及的所有机电元件。

输送机系统的起制动动力学分析涉及到输送带的力学性质、输送机的运行阻力、驱动装置的机械特性张紧装置的作用等诸多因素的影响。其中最主要的是输送机的运行阻力和输送带的力学性质。输送带

的带体是由高聚物橡胶构成的，通常高聚物力学上的本构关系需按粘弹性特征考虑，同时，输送带带芯的钢丝绳本身力学性能也具有内摩擦作用，因此，将输送带的力学性能按粘弹性考虑是合理的。

研究表明，输送带的粘弹性参数、弹性模量、粘度(或松弛常数)随载荷的大小、频率、外界环境以及输送带的内部结构形式等因素有关。由于输送带粘弹性行为的复杂性，国际标准化组织只发布了输送带弹性模量的测试标准。在各国中，德国的Vierling在1961年就研究了织物橡胶带的动态性能。

根据对输送机分析的要求，可以采用如下的输送带的动力学模型。在对输送带的粘弹性参数的研究中，考虑到输送带的粘度影响、输送带中张力、速度波的传播，目前采用的粘弹性模型都是具有蠕变特征的Kelvin—V oigt模型而不采用具有应力松弛作用的Maxwell模型。虽然也有人给出采用标准的线性固体模型(兼有Maxwell模型和Kelvin—V oigt模型的特点)，但由于模型中的参数不易获得，所导出的输送带动力学方程求解困难，并不能应用到输送带的动力学分析中。

图输送带动态特性模型

对粘弹性体输送带进行动力学分析的主要有以下方法。

(1)解析法解析法的特点是可以直接通过解析解对输送机各参数的影响进行分析，但是对于复杂的偏微分方程无法通过解析法求解，只能在经过较大的简化后求出解析解，因而这种方法一般不能对输送机系统进行定量分析，特别是线路复杂的输送机。解析法有波动方法、伽辽金方法和分离变量法等。

(2)数值解法数值解法虽然不能显式地表达方程中各参数的影响，但是可以通过图形显示技术分析系统中各参数的影响，同时数值解法这一有效的数学工具可以处理复杂的输送机系统动态过程问题。数值解法所采用的方法都是基于有限元方法进行的。Funke采用的是以行波理论为基础的有限元方法，本书中所采用的是基于离散模型的有限元方法。近年来，也有采用大型分析软件对带式输送机动力学问题分析，包括ADAMS，ANSYS和MATLAB等。