皮带运输机的设计

皮带运输机的动态设计院 系机械与汽车学院专 业机械设计制造及其自动化班 级学 号2姓 名罗 颖指导教师初丽微负责教师沈阳航空工业学院2007年6月13 / 14文档可自由编辑打印1皮带运输机的动态设计摘要本论文是关于不同拉紧装置的可伸缩性运输设备的装配问题，研究方程式移置性质和动态计算方法。它提供了关于拉紧装置、驱动装置和制动装置的动态设计方法，也是研究控制皮带运输机的振动和安全停止的一种方法，还对中国现有的皮带运输机与美国和澳大利亚的作了比较，它们的设计方法非常相似。这篇论文所提供的方法可用于理论研究和工程设计。关键词：皮带运输机，弹性振动，动态张力计算方法，拉紧装置设计，驱动装置设计和制动装置设计。0引论皮带运输是一种长距离、大批量、高速运输货物原料的运输体系，它被广泛的应用于工业生产中，如冶金、煤炭、港口、建筑、食品加工等。运输机的输送带是一种弹性体，从它起始点和卸载点之间有大量的能量储存与消耗。这种能量将使皮带产生较大的张力。关于动态计算和设计的理论至今还不完善。在中国，皮带在运输系统设计中一般被认为是一种坚硬的物质。为了防止传动滚筒运转开始时打滑，要由它静止时计算出的结果乘以一个系数（一般为1.3到1.7之间）来得到，导致皮带的张力和主要的承载设计参数增加，设备的成本也变得过高，另外它还可以经常引起组成结构、驱动装置、卸载装置和制动装置的不稳定变化，而皮带的局部张力又是如此的小，从而导致经常有事故发生，如输送带的松弛。由于原煤是不规则的块状，容易对皮带造成损坏。美国和加拿大动力研究所把运输系统划分成一系列的弹性胶带和部件，用数学计算的方法分析运输机的动态特性。本篇论文是根据一种弹性摆动设备来研究输送带的动态移动和在不同的卸载装置下，皮带加速和减速时的动态设计参数，也就是说能够更合理的设计皮带机的驱动装置、卸载装置和制动装置，这对于消除或减小皮带在加速或减速时的振动是有利的，可防止皮带局部压力过大或过小，防止皮带的打滑，保证皮带的安全，使运输设备的整个系统和每个部件最优化和最经济。1皮带运输机的动态特性设计1.1 皮带运输机的粘弹性摆动方程皮带运输机是一个运输系统，它包括环绕皮带、张紧皮带轮、驱动装置、拉紧装置和卸载装置，设皮带机的运输长度为L（m）皮带运输机机尾平衡重量为M（kg），皮带的动态加速度为UU（x，t）；皮带的弹性系数为E（N/）；皮带的横截面积为A（）；等效阻力为j（N），皮带、输送物料和托滚的总质量是q（kg/m），皮带运输机的加速度是a（t）（m/），则其弹性方程为： （0X0） （1）其中： j皮带输送速度， j1.2 皮带运输机的初始条件和边界条件 皮带运输机的边界条件包括许多种不同的拉紧装置，根据制造方法，拉紧装置可分为固定式拉紧装置、垂直重锤拉紧装置和自动拉紧装置。固定式拉紧装置皮带运输机的边界条件为：U(0,t)=0,U(L,t)=0 (2)垂直重锤拉紧装置系统为：驱动滚筒U(0,t)=0,U(L,t)=0拉紧装置 （3） 其中：位移和时间的函数一般说来，自动拉紧装置是固定式拉紧装置和垂直重锤拉紧装置的结合，由于论文的篇幅有限，在此不做讨论。皮带运输机的初始位移和初始速度为 U(x,0)=0, (4)1.3位移和张力的计算方案通过采用可变间距调节和总体协调调节，当垂直重锤拉紧装置被采用时，从方程式（1）中可得到位移方程为： （5） 皮带运输机运动分支的振动频率 且 阻尼系数，且 考虑阻尼时皮带运输机的振动频率， 且 -皮带总质量，运输物料和滚筒平衡装置系数，且 振动系数，且皮带的动态张力的计算公式为： （6）同理，当采用固定式拉紧装置时，动态位移和动态张力的计算公式为： （7） （8）其中： 1.4动态拉紧和张力计算 若皮带机采用Y系列鼠笼式电动机，有辅助电动机有限扭矩的一对孔，它的初始加速度被近似地认为是纠正系数，以确保在加速过程中时间为T（s），正常的运转速度是，这里不考虑阻力，用a(t)解答了采用垂直重锤拉紧装置皮带张力的计算方法。 （5）公式（5）表明L是在正常情况下皮带张力的计算方法，它表明了当来回运转时要求把垂直重锤拉紧装置安装在机尾时皮带上的张力更小。同理，把公式a(t)代替（8）就是采用固定式拉紧装置时的皮带的张力的计算公式 （6）因为是零，当X为L/2时，皮带在X为L/2时也是零，此时物料在机头和机尾的分布比较均匀。但实际上并不是这样的，带的振动在回转时更快，所以只有当两个振动相遇时，皮带的张力才为零。公式（10）表明当机头或机尾采用固定式拉紧装置时，皮带的张力是恒定不变的，比较这两种拉紧装置，采用固定式拉紧装置时皮带的张力更小，特别是在回转分支上皮带的张力只是采用垂直重锤拉紧装置的一半。2拉紧装置的设计皮带输送机的拉紧装置可分为固定式拉紧装置、垂直重锤拉紧装置和自动式拉紧装置，它应该能保证当滚筒启动，停止或有突发事故时，使皮带不打滑，要保证在皮带的每一个点上有一个必要的张力，为了防止下垂设备和不工作的零件之间变松，拉紧装置的拉紧距离依据不同的拉紧装置，皮带使用过后的情况，在加速和减速的过程中保证预留的长度。在固定设计中，拉紧装置被称为最小的张力点，一般来说，拉紧装置一般要求安装在矿石的下面，当要求安装在水平皮带运输机的机头上时也是一样。在动态设计中，皮带的张力随拉紧装置的安装位置和类型而改变。当驱动装置突然停止时，为了减小皮带的张力，防止皮带张力过大或过小，在长距离，大输送量，大功率皮带机向上运输，水平运输，向下运输，双向运输时，在两个滚筒之间应安装垂直重锤拉紧装置。这样，当机头的驱动滚筒突然停止时，垂直重锤拉紧装置可以消除一半的振动，与采用其他的拉紧装置相比，皮带的振动力量和速度可减少到50%。垂直重锤拉紧装置的极限条件是应该在两个驱动滚筒之间保持拉紧状态；采用固定式拉紧装置的极限条件是在驱动滚筒和改向滚筒之间保持张紧力，根据固定式极限条件，计算出的皮带张力更小，这样，皮带的张力就有了很大的减小，于是，它可以在凹面截面或最小张力点上确保运输机安全运行，使输送带的张力和承受载荷在允许范围之内降低成本。当然，允许向上运行的皮带输送机把垂直重锤拉紧装置安装在矿井的底部，对于水平皮带运输机，要把固定式拉紧装置放在机头部位。拉紧装置的类型和安装位置要根据皮带机的参数来计算，设计过程中还要考虑到它的安全性、可靠性、技术含量、合理性、经济性和实用性。拉紧装置的最小张力要根据机尾滚筒和皮带轮之间的倾斜角度来确定，当向上或水平运输，皮带加速向下突然停止时，为了确保皮带在驱动滚筒上不打滑，可以用下列公式计算最小张力 （7）其中： -静止时确保皮带在驱动滚筒上不打滑的最小张力（N）, -圆周驱动力或工作阻力（N）, -传动装置的动载荷（N）， -摩擦常量，由公式（5）可计算出采用垂直重锤拉紧装置的输送带的位移，由公式（3）可算出拉紧装置的位移。3驱动装置的设计根据皮带运输机的工作阻力和拉紧装置的拉紧力，可计算出皮带上每一点的张力，可以确定驱动装置的数量和其安装位置，可以合理的选择皮带的型号，为了减小皮带的张力和设备的成本，在设计中建议使用合理的柔性拉紧设备，合理计算柔性拉紧特性和合理的柔性制动特性。在传统的设计中，皮带运输机开始加速的特征曲线是其中的一部分特征曲线，换句话来说，启动时加速度从零增加到最大所产生的加速频率超过了极限范围，就导致压力动态特性过大。在柔性拉紧设计中，急速频率的变化在所允许的范围之内。因为加速度是从零缓慢地增加到最大值，沿着一个较缓的特征曲线，动态压力的频率特性随着加速频率的减小而减小，特别是在某些特殊的条件下，皮带的弹性振动可以被消除，这样皮带运输机就变得合理和经济。近年来，柔性拉紧装置得到了广泛的应用，如CST控制启动运输设备，调速液力耦合器，软硅控制拉紧装置，频繁变速设备等等。通过研究三角正弦抛物线和不规则加速度特征曲线，我们发现当采用抛物线加速特征曲线时，皮带的弹性振动可以被消除，皮带的张力可以达到最小。皮带运输机抛物线加速度控制的计算公式如下： （8）抛物线加速度控制曲线的最大值为，把公式（8）代入公式（6）就可得到当采用垂直重锤拉紧装置时皮带张力的计算公式： （9）同理，把公式（8）代入公式（5）就可以得出采用固定式拉紧装置时皮带张力的计算公式： （10）如果，则是一次谐波频率振动，第二个条件，如果式（9）、（10）都为零，则皮带的弹性振动可以消除。为了减小皮带输送机的动态张力的影响和消除皮带的弹性振动，柔性拉紧装置的加速和减速控制曲线可以根据抛物线来设计，加速和减速的时间可考虑为基本振动波类型的6-10倍。在皮带和滚筒之间应有防滑设备，为了减小皮带张力，柔性拉紧装置和柔性制动器的加速和减速的最大值不能小于0.020.05m/，对于水平运输的运输机要求要小一些，但对于向上运输的皮带运输机则要求则要大一些。在输送机加速的过程中，设计初始加速度和缓冲设备是有必要的，它可以确保原来松弛的皮带有一个张紧力，致使弹性振动可以缓慢地从机头传到机尾，这不仅对产生张紧力有帮助，而且可以减小皮带的张紧力，初始加速度性质可设计成三角形加速度形式，初始加速度时间应为振动时间的一半，而制动的时间应与振动时间一样，其转速应为额定转速的10%。4制动器的设计当运输机向上运输突然停止时，因为存在重力势能，所以会有向下运动的趋势，向下运输的皮带机在一般的电源条件下，用一般的制动器就可以防止皮带的转速过高，当超过制动的范围后，皮带将会失去控制。对于水平和向上运输的皮带机，在大功率制动器的控制下，其停止时间和消除位移时间过长，为了克服这种缺陷，防止事故的发生，要采用合理的制动装置。对于向上运行的皮带运输机，制动器的扭矩是逆扭矩的1.3倍；当把制动器安装在机头时，对于水平和向下运行的皮带机，在大功率条件下，制动器可根据减速设备来设计；对于一般电流下向下运输的皮带输送机，当驱动装置制动力不能满足制动要求时，制动器不但要满足在一般的电流条件下输送机的安全，而且要满足皮带不打滑时条件，使之安全停止。换句话说，皮带运输机在制动后不能再转动，如果皮带在驱动滚筒上打滑，将会发生事故，在这种情况下，制动器的设计可分为两步：第一步，用小一点的制动器使其减速停止，防止皮带打滑；第二步，在输送机停止后，用一个较大的制动器，确保运输系统的安全性和可靠性。下面是制动器使运输机减速，停止的计算公式： （11） （12）其中： 运输机在一般电流下的所需要的制动器的力，（N）； 皮带运输机的等效质量，（kg）； 驱动滚筒和改向滚筒的质量，（kg）.对于固定式拉紧装置；对于垂直重锤拉紧装置；当皮带机需要快速停止时，制动器的减速可设计成四边形，在快速停止时为了有效的减小皮带的弹性振动，要增长制动时间使其与振动系统的时间一致，对于向上运输的皮带机，当突然停止时，减速太快致使皮带机上产生较大的弹性振动和较大的皮带张力，因此要采用更大的减速设备。除了垂直重锤拉紧装置安装在两个驱动滚筒之间外，可以选择较大惯性的马达或在高速架上安装飞轮来增大皮带运输机的有效质量和减小减速时间。5实例沙区矿山倾斜皮带机：运输量A=2000t/h；运输长度=1374m；倾斜角度=；采用机头驱动装置，；在机尾采用垂直重锤拉紧装置，拉紧装置的重量为M=6220kg；制动器安装在机头部位，制动力矩为100kNm，皮带张力的计算根据本论文前面所给出的美国标准所用的方法，计算结果表明这两种方法计算的结果非常相似。晋城泗河矿山皮带运输机：运输量2000t/h；运输长度1374m；运输高度H=-136m（从机尾到机头，下垂高度179.553m，=6347.789m，上升高度42.95m，=348.098m）；驱动装置：2800kw，安装在机头，800kw安装在机尾，自动拉紧装置安装在离机头348.098m处；皮带的张力为88kN，制动器安装在机尾和输送机之间，总制动力矩为133 kNm；皮带的张力按照澳大利亚的标准来算。计算结果如下表：表1皮带运输机的计算结果 工作条件满载空载加速急停加速急停总张力（KN）机头855.046620.463341.672272.909机尾32.73328.91832.66830.242总张力国CDI（kN）机头852.78639.87341.37261.37机尾36.2427.5833.931.43表2 皮带运输机的计算结果工作条件满载急停空载急停上述方法CDI上述方法CDI急停减速度（）0.310.436动态张力运载分支的头部-237-223.6-108.9-122.6运载分支凹面的底部-213.34-206.4-90-96.2运载分支的尾部241232.6131.6125.8总张力运载分支的头部94107.4186.9173.2运载分支凹面的底部18.825.8171.1164.9运载分支的尾部423.5415.1335.9330.1表2表明在工作条件下两种计算结果非常近似另外，还有康家滩矿山神华公司生产的皮带机：运输能力2500t/h；输送机的长度4200m；垂直高度H=33m（从输送机的机头到机尾，地下200m，=3200m，地上233m，=1000m）。驱动装置：机头4800kw。垂直重锤拉紧装置安装在两个驱动滚筒之间，重锤的质量为M=97000kg。制动器安装在机尾，制动力矩为190 kNm。计算方法用美国的CDI法。两种计算结果在工作条件下非常近似。6结论根据本论文所提供的关于皮带机的计算方法，当设备给定时是可以计算出皮带的张力的，甚至计算结果简洁有用精确，本方法可以用于皮带机的学习和工程设计。分析皮带的张紧特性，合理的选择拉紧装置，他的安装可以防止皮带张力过大或过小，减小皮带长度和确保皮带安全运行。为了有效的消除运输机在加速或减速时所产生的弹性振动和减小皮带的弹性张力，建议采用柔性曲线驱动装置，并且启动时间和停止时间（是基本频率周期），柔性加速度和柔性减速度平均起来不应小于0.020.05m/。