带式输送机支腿埋件水平荷载分析

彭程PENG Cheng

（山东能源集团新能源有限公司，济南250014）

0 引言

带式输送机是目前应用非常广泛的物料运输机械，在煤矿、电力、化工等行业有着低成本、大运量的优势。关于带式输送机本身的设计计算资料非常多，但基本是对于设备本身的滚筒、托辊、胶带等方面的设计计算。而对于埋件受力的大小，多数设计院会参考经验值或由设备生产厂家进行计算。但对于带式输送机头架、尾架、拉紧装置处因为受力大，设备厂和设计院多针对其进行了很多分析计算，但对于带式输送机的支腿埋件的受力，并没有进行精确计算。这就使得在进行带式输送机配套的栈桥设计时，栈桥的受带式输送机支腿的作用力是不精确的。为了确保栈桥结构的安全性，设计方往往将支腿受力增大，这样就会使整个栈桥面荷载增加，从而导致栈桥的建设成本上升。

本文针对带式输送机的一组机身的基本单元，对其进行平行于栈桥方向进行受力分析，并通过一组实例计算埋件水平荷载并与常规的经验值进行比较，从而为精确提出埋件受力提供依据。这样可以为后续土建专业优化栈桥结构设计、降低栈桥建设成本提供依据。

1 带式输送机简介及研究现状

1.1 带式输送机简介

带式输送机是用来输送散装物料的主要设备，因其具有结构简单、输送能力大、投资费用相对较低及维护方便等特点等优势而受到了各基础工业领域的青睐，在国民经济中发挥着举足轻重的作用[1]。带式输送机的发展大约已经有两个世纪的历史，输送带由最初的动物皮革和纤维棉缝制，到尼龙、聚酯等织物带，再到现在的钢丝绳芯输送带，无论从材质上还是功能类型上都得到极大的发展[2]。

带式输送机具有很多优点：结构简单、运送物料种类多样、运送能力强、环境适用性好、装卸物料方便、运行维护成本低等。这些优点决定了带式输送机可以应用在煤炭、冶金、建材（水泥）、电力（火电、水电）、粮食、化工、交通运输业等工业领域、工程建设、生产工艺等方面。带式输送机系统的设计主要涉及常规静态方法的选型设计、带式输送机的启动、停机过程的动力学分析、转载系统的溜槽设计以及系统钢结构、滚筒的有限元计算和系统振动分析等[3]。这其中常规方法的选型设计1.2节中会进行简介，转载系统的溜槽设计针对的部件为溜槽（落煤管），滚筒的有限元计算针对的部件为滚筒，因此涉及带式输送机支腿的分析、计算资料较少。

目前，带式输送机的结构日趋成熟，常见的带式输送机目前应用较广的型号为DTII型带式输送机及DTII（A）型带式输送机：DTII型带式输送机是由北京起重运输机械研究所负责，组织沈阳矿山机器厂、唐山冶金矿山机械厂、自贡运输机械总厂、沈阳起重运输机械厂、铜陵运输机器厂、上海起重运输机械厂、焦作起重运输机械总厂、衡阳运输机械总厂、鹤岗起重运输机械总厂成立了九厂一所联合设计组，对原TD75型和DX型带式输送机两大系列进行更新换代的实施计划[4]。DTII（A）型则是根据DTII型带式输送机的应用情况、用户使用经验及要求，由北京期中运输机械研究所和武汉风凡科技开发有限公司会同沈阳矿山机械集团有限公司、自贡运输机械总厂、沈阳起重运输机械有限责任公司、焦作起重运输机械有限责任公司、衡阳起重运输机械有限公司以及铜陵蓝田股份有限公司铜陵运输机器厂等6家合作单位，对DTII型带式输送机的部分部件品种规格进行扩充、改进了部分部件结构、修改了错误、推出了带式输送机CAD设计软件。由于补充修改的DTII型带式输送机设计与原设计有较大不同，故将其定名为DTII（A）型带式输送机[5]。

此外，带式输送机还有QD80轻型固定带输送机、管状带式输送机、气垫式带式输送机、U型带式输送机、波状挡边带式输送机等多种形式，本文后续分析仅是针对DTII（A）型带式输送机进行，其余形式带式输送机的埋件受力分析可以进行参考。

但上文所述中有两种带式输送机例外：一是管状带式输送机因为其结构与其他形式带式输送机差别较大，且由于其运行路径多存在空间弯曲的情况，因此受力分析相较其他带式输送机更加复杂，本文对此不做分析；二是大曲率转弯的带式输送机因其在垂直于带式输送机的运行方向上存在水平作用力，与下文中讨论的水平受力情况差别较大，因此也无法进行参考。

1.2 DTII（A）型带式输送机设计过程简介

DTII（A）型带式输送机典型整机结构包括头部漏斗、头架、头部清扫器、传动滚筒、安全保护装置、输送胶带、承载托辊、缓冲托辊、导料槽、改向滚筒、拉紧装置、尾架、空段清扫器、回程托辊、中间架、电机、液力耦合器、制动器、减速机及联轴器。此外，有些DTII（A）型带式输送机会根据功能需求增加犁式卸料器、卸料车、防雨罩、水洗装置、翻转装置、压带轮等装置。这其中犁式卸料器、卸料车仅在卸料点存在，防雨罩仅在露天布置的带式输送机中可能进行布置，压带轮布置与带式输送机的凹弧段，水洗装置及翻转装置也仅在带式输送机中的某几处进行布置。因此后续受力分析中暂且不对这些部件进行考虑。

DTII（A）型带式输送机设计过程一般按照下列步骤进行：

①获取DTII（A）型带式输送机的设计条件：

1）运送物料的属性：物料密度、粒度、湿度等特性。

2）DTII（A）型带式输送机的最大输送能力。

3）拟建地理位置及环境情况。

4）受料点数量、位置及形式。

5）卸料位置及形式。

6）输送机布置位置，输送机长度、提升高度和倾角等。

7）驱动装置布置形式，是否需要制动器。

②输送能力：根据设计条件初选带式输送机宽度及运行速度，并根据初选的带式输送机带宽、运行速度校核输送量是否满足设计要求。

③根据设计条件选择输送带宽度。

④圆周驱动力计算。

带式输送机的圆周驱动力主要包括主要阻力、附加阻力、主要特种阻力、附加特种阻力以及倾斜阻力。每种阻力均可在DTII（A）型带式输送机设计手册中查到具体计算公式，这样可以通过计算圆周驱动力得到驱动电机驱动带式输送机运转所需要的输出功率。

⑤输送带张力的计算。

传动滚筒的扭矩是通过滚筒与胶带之间的摩擦传送到输送带。因此输送带必须维持一定的张力数值才能保证输送带与传动滚筒之间不打滑。同时，输送带在托辊与托辊之间为了保证物料在输送过程中不会因为输送带平铺而撒料，输送带需要保持一定张力值才能维持托辊之间张紧不下垂。

通过计算输送带不打滑及不下垂两项条件，并根据带式输送机的布置形式对运转的每个特性点进行逐点张力法进行分析，可以得到带式输送机在每个特性点上的张力值。

⑥传动滚筒轴功率的计算：通过圆周驱动力计算出传动滚筒的轴功率。

⑦逆止力计算及逆止器选择：逆止力最大的情况为上升段满载剩余段空载，根据带式输送机布置计算出所需的逆止力并通过逆止力选择适合的逆止器。

⑧电动机功率计算：考虑减速器效率、传动效率等影响计算得出电动机功率，根据电机功率对驱动装置组合进行选择。

⑨输送带选择：根据输送带张力、物料堆积密度选择合适的输送带形式（如织物芯带、钢丝芯带等）以及输送带层数。根据选择的输送带计算输送带厚度、单位长度质量、总质量等。

⑩拉紧力计算：根据前面计算的输送带特性点张力确定拉紧装置的拉紧力，并选取带式输送机的张紧形式，一般拉近形式有垂直拉紧、车式拉紧以及液压拉紧等。最后根据输送带形式计算拉紧装置的拉紧行程。

⑪计算凹凸弧段尺寸并校核启动制动工况下输送带不打滑。

⑫带式输送机设备的整机设计计算结束后，根据部件的受力情况计算选择头部漏斗、头架、头部清扫器、承载托辊、缓冲托辊、导料槽、改向滚筒、拉紧装置、尾架、空段清扫器、回程托辊、中间架等辅助配件。

1.3 DTII（A）型带式输送机设备设计完成后埋件的受力计算

根据以上设计计算选出的合适的头架、尾架等部件后，头尾架的埋件、拉紧装置、驱动装置埋件可以根据部件的尺寸、受力情况进行分析计算。下文主要对机身部分的埋件受力情况进行分析。在埋件受力确定以后，栈桥设计人员根据埋件受力情况进行栈桥本体的设计。

2 埋件水平受力分析

DTII（A）型带式输送机中间部分自上而下包括：物料、上带面、上托辊及托辊支架、中间架、下带面、下托辊及托辊支架、支腿。本文以单个中间架为一组基本单元（包括中间架范围内的物料、上下带面、上托辊、下托辊、两组支腿）对其进行受力分析。上托辊为普通槽型托辊，下托辊为平托辊，不考虑上托辊、下托辊为调心等特殊托辊的情况。同时为简化语言，计算中如不做特别说明，水平方向、力、荷载指沿栈桥斜面方向的方向、力、荷载，垂直方向、力、荷载指垂直于栈桥斜面方向、力、荷载，栈桥斜面与水平面夹角为α。带式输送机基本单元受力简图如图1。

由图1可知，带式输送机垂直方向受力可以将基本单元看做一个整体在重力作用下产生对栈桥的垂直下压力，压力大小等于基本单元重力在垂直方向的分量。

图1 带式输送机基本单元受力简图

水平方向受力自上而下的分析过程如下：

①以物料作为分析对象：物料水平方向受力为重力水平方向分量Gsina及皮带给物料摩擦力Fst。物料水平方向有：

②以上带面作为分析对象：水平方向受力有两侧皮带给本段皮带的张力差F驱上（这个力可以看做驱动给本段皮带的驱动力）、物料给皮带的摩擦力Fst、每个上托辊给皮带的摩擦力f1（忽略皮带自重）。因此，对于上带面水平方向有：

③以下带面作为分析对象：水平方向受力有两侧皮带给本段皮带的张力差F驱下（这个力可以看做驱动给本段皮带的驱动力）、每个上托辊给皮带的摩擦力f2（忽略皮带自重）。因此对于下带面水平方向有：

④将中间架、上托辊、下托辊、支腿看做一个整体，由上面分析可知该整体在水平方向上受力有该整体重力在水平方向分量Gsina、皮带给上托辊的摩擦力f1、皮带给下托辊的摩擦力f2、支腿受力在水平方向分量F。

由于该整体一直为静止状态，所以水平方向受力之和为0。同时，不管皮带运行处于加速、减速或匀速状态，整体水平方向受力不受影响。

3 基本单元中埋件水平受力计算

下面选取DTII（A）型带式输送机一组参数进行实际计算，以对比计算值与经验值之间的区别。本文选择的带式输送机参数如下：带宽1400mm，托辊直径159mm，带高1500mm，带式输送机倾角为15°，上托辊为35°槽型托辊，上托辊布置间距1200mm，下托辊为平托辊，下托辊布置间距为3000mm，中间架选择重型系列中间架，中间架长度为6000mm，支腿为重型，I型支腿与II型支腿各一组。以一组中间架为例（此中间架范围内不含犁式卸料器、拉进装置、等其他部件）：

其中qRO为承载托辊旋转产生阻力，托辊前倾的摩擦阻力。

qRU为回程托辊旋转产生阻力。

根据DTII（A）型带式输送机设计手册中详细计算公式，带入带宽B=1400mm，带式输送机倾角a=15°，托辊直径φ=159mm，上托辊间距1200mm，下托辊间距3000mm得：

F=Gsina+f2-f1=（87.8*5+46*2+230+60.5+99.3）*9.8*sin15°+17.63-51.84=2301.33N，其中Gsina=2335.54N远大于f1（51.84N）、f2（17.63N）。

假设F均匀作用于两对支腿，单个支腿埋件水平受力为F/4=575.34N。设计院、设备厂此处经验值一般为2kN左右，计算值（575.34N）对比经验值（2000N）减少了约71%，因此栈桥在设计过程中完全有可能通过减少对水平方向荷载的计算从而将栈桥的建设成本降低。

4 结论及展望

针对带式输送机支腿埋件受力情况，本文以一组DTII（A）型带式输送机机身的基本单元为对象进行了受力分析，并带入带宽1400mm的一组参数进行实例计算。埋件水平荷载的计算值对比经验值减小了很多，因此本文的计算对于减小埋件荷载有一定的参考意义。

本文的工作也有一些缺陷需要在后续工作中进行弥补：一是本文目前仅对于带式输送机机身的基本单元进行分析，对于带式输送机的一些特殊部位如凹凸弧段、有清扫器或拉紧装置的部位都没有进行分析；二是基本单元分析中对于各个支腿的荷载分配不均匀的情况没有考虑，载荷分布的不均匀系数需要在实际应用中通过进一步的实验收集得到。

目前带式输送机正朝着大型、长距离方向进行发展，对于一台带式输送机机身所占的比例也越来越大，机身所配套的栈桥也越来越长。因此带式输送机的设计计算不应仅仅对于关键部位进行挖掘，对于带式输送机机身也值得设计人员投入更多精力进行分析研究。通过对带式输送机机身部分的分析研究，对于整个带式输送机输送系统的轻量化、经济化都有十分重要的意义。