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第37卷第5期 煤 炭 科 学 技 术 Vol137 No15 2009年5月Coal Science and TechnologyMay 2009 带式输送机的速度控制与节能 HansLauhoff 宋伟刚 译 摘 要近年来德国的技术出版物上一些作者一再建议对输送机系统的带速进行控制,其控制基准 是保持输送机的物料填充率为100 ,即采用适应性降低带速的方法,达到保持平均运输能力的高 利用率的目标。据说这种类型的运行可以降低能量消耗,并因此而降低运行成本。应用D I N22101 对带式输送机进行的设计,当计算带式输送机运行阻力时,未给出不同带速或填充率下的模拟阻力 系数。基于相关文献中对所研究的不同阻力之间相互联系,对虚拟的带式输送机进行仿真计算证 明,模拟阻力系数受填充率的影响很大,而受带速的影响较小。借助特征量 “ 能量消耗率 ”,证明 了在传统的填充量范围60～100 ,通过控制带速而达到节能目的是不确切的。 关键词带式输送机;速度控制;节能 中图分类号TD52811 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2009 05 - 0075 - 08 Speed Control and Energy Saving of Belt Conveyor HansLauhoff Abstract In the German technicalpublications, some authors again and again proposed to control the belt speed of the belt conveyor sys2 tem.The datum of the controlwas to keep the material filled rate on the conveyor to be 100. That is to say a should be applied to relatively reduce the belt conveyor in order to reach the high utilization rate targetof the average conveying capacity .It is said that such type operation could reduce the energy consumption and thus could reduce the operation cost .The belt conveyor was designed with the D I N22101. During the calculation of the operation resistance for the belt conveyor, the simulated resistance coefficients under the different belt speeds or filling rate would not be provided. Base on the mutual relation between the different resistances in the related documents, the invented belt conveyorwas verified buy the simulation and calculation. The simulated resistance coefficient had a high influence by the filling rare and had a small influence by the belt speed. W ith the feature quantity“energy consumption rate”, the paper verified thatwith2 in the traditional filling scope from 60 to 100 , the belt speed controlwould not be feasible to reach the energy saving target . Key words belt conveyor; speed control; energy saving 译者按带式输送机的进一步降低能耗,一直 是研究、设计、使用中追求的目标。然而,如果简 单地应用德国D I N22101的计算方法证明通过调速 保持物料充填率而达到节能效果是不确切的。因为 在D I N22101中所给出的模拟摩擦因数只是一个设 计计算的保守值,并不是输送机运行过程中的实际 值。德国知名专家HansLauhoff的文章从实际主要 阻力组成的角度,通过 “ 能量消耗率 ”输送单位 质量物料经过单位长度所消耗的能量的比较, 证明了通过调速来保持物料充填率的方法并不能达 到节能的效果。这种观点对今后带式输送机驱动系 统的设计与选用有很好的借鉴意义。该文刊于 Bulk Solids Handing2005年第6期。 1 概 述 采用带式输送机可以很好地解决原矿物料及散 状物料的运输。目前,对于散状物料流的短距离和 中等距离运输来说是最常见的,也是最具成本效益 的解决方案。尽管带式输送机运行已经对降低成本 非常有利,但还是期望进一步降低成本。 有文章提出为稳定填充率,应根据载荷量控 制带速,其结果将降低能量消耗。而且,如果控制 带速保持额定体积流量下填充率为100 ,能耗降 低有可能达到30;如果体积流量出现波动,带 式输送机也可以运转。并且建议对于中心距超过 1 400 m的带式输送机,如果将变速驱动应用于带 式输送机,其运行会更加经济。该内容的论述是以 57 2009年第5期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 D I N22101为基础的。 在此背景下笔者对上述观点进行论述。即如果 输送带的填充率达到100 ,是否能够降低带式输 送机的能耗因而其运行情况更加经济。 2 带式输送机运行阻力计算原理 在稳定的运转条件下,长距离且水平的带式输 送机系统,其能耗是由输送带承载段和回程段的运 行阻力决定。此阻力包括支撑输送带托辊的转动阻 力,以及当散状物料和输送带经过托辊的弯曲阻 力。克服这些阻力所需的能量由运转的时间和结构 的固有特性所决定。与其他阻力相比,要克服高度 的不同需要更多的能量,它是由于将物料提升到不 同的高度确定了所需能量值,因此从能量的角度来 看是不变的。运行阻力是指沿运输方向作用于输送 带上的合力,在带式输送机运转过程中需要克服这 些阻力。 211 德国标准D I N22101的计算方法概要 根据标准D I N22101,运行阻力Fw分成以下4 部分①主要阻力FH;②附加阻力FN;③提升阻 力FSt;④特种阻力FS,即 FW FH FN FSt FS 主要阻力FH是指所有沿着带式输送机的与摩 擦相关的阻力,其中特种阻力除外。为简化起见, 假定在每一区段i上的阻力和输送载荷之间为线性 关系,各个区段的主要阻力FHi确定如下 FHi lifig[m′ Ri m′ G m′ Licosδ] 式中 l 区段长度; f 区段模拟摩擦阻力系数; m′ R 区段托辊单位长度旋转部分质量; m′ G 输送带单位长度质量; m′ L 区段物料单位长度质量; δ 区段倾角; g 重力加速度。 各个区段的阻力之和组成了全部主要阻力。 FH ∑ n i 1 FHi 附加阻力FN是指仅在带式输送机特定部位产 生的摩擦和内部阻力,这包括图1所示的 1 加料处范围内输送物料与输送带间的惯性 阻力和摩擦阻力FaufⅧ , 5 。 2 在一个加料处的加速区内输送物料与导料 图1 带式输送机上存在的运行阻力 槽侧板间的摩擦阻力FSchbⅦ , 5 。 3 输送带清扫器摩擦阻力FGrⅤ , 7 。 4 输送带滚筒处的弯曲阻力Ⅴ 和 Ⅵ , 6 。 附加阻力为定值与带式输送机的长度无关,随 着输送机中心距长度的增加,与沿输送过程的运行 阻力主要阻力相比显著降低。如果附加阻力 在所有阻力中所占比例较低,则允许通常的假定。 附加阻力的总量可以用附加阻力系数C计算。 FN C -1 F H 输送机长度超过1 000 m时,C≤1109。特种 阻力FS指不是在所有带式输送机上产生的阻力, 包括托辊的前倾阻力,以及如果在受料区之外沿运 行方向设置的导料槽产生摩擦阻力。 标准D I N22101涵盖了用于输送散状物料的带 式输送机的计算和设计基本原理,在确定主要阻力 时,它应用了依照库仑摩擦定律确立的数学依据。 主要阻力FH是将运动的散状物料、输送带和 托辊的重力相加,与模拟阻力系数f相乘所得的 积。模拟阻力系数fi的选择对主要阻力的确定至 关重要,尤其是在提升阻力较小的情况下。根据标 准,针对不同的运行和设备参数,规定了模拟阻力 系数的取值范围。为此通常要考虑几个临界条件, 阻力系数的取值也是如此。 在计算主要阻力时,假定模拟阻力系数和散状 物料的载荷分布等参数为恒定值。 然而Alles已经描述到,模拟阻力系数不是恒 定的。因此, D I N22101不应也不能成为在工作条 件波动的情况下的直接计算根据图 2 。 212 分别计算主要阻力分量方法 LACHMANN和V IERL I NG首先建立了另一种 用于计算主要阻力的方法,即基于物理学的定理, 67 HansLauhoff带式输送机的速度控制与节能2009年第5期 图2 Alles给出的随载荷变化的阻力系数f 计算可能产生主要阻力的各个分量,将这些分量相 加,即为主要阻力。因此,这种方法对建立本文作 者观点是合适的。源于文献的用主要阻力分量计算 主要阻力的方法。主要阻力FH分为以下2类 第1类为托辊转动阻力图1,④ ; 弯曲 阻力图1,Ⅻ,Ⅷ②③。 第2类又分为输送带的压陷阻力图1, ① ; 输送带的弯曲阻力图1,Ⅻ② ; 物料的弯 曲阻力图1,Ⅷ③。 该研究中所给出的运行阻力FW表示如下 FW FH FN FSt FS FFW ∑[U′ U″ E U″ G U″ L ] FN FSt FS 近10年来,许多科学文献在计算主要阻力的 分量时讨论了这种划分。由于弯曲阻力受到结构 上、技术上和运行上特征的复杂影响,用于建立主 要阻力的阻力分量的方法在过去没有得到认可。这 里也缺少单独的特征量,允许对实际的设备用此特 征量对主要阻力的分量实际数值进行准确预测。 在D I N22101附录A中给出了2条长度相同, 但倾角不同的带式输送机阻力分布情况,见表1。 表1 2条长度相同同样的设计但倾角不同 的带式输送机阻力分布比较 阻力种类 带式输送机所占比例 水平坡度5 输送带压陷阻力U″ E 6122 托辊转动阻力U′62 物料的弯曲阻力U″ L 187 输送带的弯曲阻力U″ G 52 附加阻力FN96 特种阻力FS11 提升阻力FSt066 这些数据应用于长距离带式输送机超过 1 000 m。对于长距离、水平的带式输送机 ,输送 带压陷阻力U″ E是最重要的阻力,因为它是最高的 与摩擦相关的运行阻力。在此例中,输送带压陷阻 力占有量超过60 ,物料弯曲阻力部分约18 , 输送带弯曲阻力部分为5 ,托辊的转动阻力部分 为6 ,并且附加阻力和特种阻力部分共占10。 以下给出了用于计算主要阻力分量的方法,这 些计算阻力分量的方法已经得到证明;同时还给出 了在本文中起决定作用的特征量输送速度v和填 充量Ψ。 3 用特征量表达的各个阻力U′ 311 托辊转动阻力U′ 用于支撑输送带的托辊的转动阻力是指在托辊 周围产生的力,该阻力是在一定带速v下,托辊所 受载荷FNR时,由克服轴承与密封摩擦产生的摩擦 扭矩产生的,如图3所示。通过摩擦连接该力由输 送带传给托辊,沿整个运输线路安装了许多托辊。 图3 理想的力和运动条件下定义的托辊阻力 托辊转动阻力的简单计算中还没有一般可应用 的公式。然而已经证实,托辊转动阻力本质上是由 密封和滚柱轴承的油脂类型和量决定的;同时温度 会产生很大的影响。为了对托辊转动阻力进行准确 的预测,文献建议在试验台上进行测量。在本文专 家观点的框架内,应用以下公式作为依据。 U′ a b∑v c∑FNR 其中a,b,c为常数。 对所有的评价,假定所用到的参数为定值。而 运行速度和托辊上的载荷是对应变化的。 为了确定整个托辊组的托辊转动阻力,必须考 虑在荷载条件下各个托辊上的载荷。 312 弯曲阻力U″ 对长距离、水平带式输送机,弯曲阻力包 括U″ E, U″ G, U″ L各个分量起着非常重要的作 77 2009年第5期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 用。该研究中,弯曲阻力是由托辊作用在输送带的 下表面,即输送带作用在托辊上的法向力FNR图 4 的水平分力。托辊和输送带之间接触弧区域的 增大使得弯曲阻力明显增大。 图4 理想情况下的弯曲阻力 31211 输送带压陷阻力U″ E 输送带压陷阻力是由托辊在输送带覆盖层的托 辊接触边的滚动产生的图5a ,覆盖层变形消耗 的变形能不能完全恢复图 5b 。这种滞后损失是 由橡胶的黏弹性特征引起的。GREUNE已经证明, 在托辊上滚动过1 m输送带长度的固有力,也就是 输送带和托辊之间接触长度的固有力即压陷阻 力 , 随带速的增加而降低,其结果是带速和滚动 变形成反比。还证明,在增加带速并保持恒定质量 流量的情况下,输送带压陷阻力和带速的乘积随带 速的增加而减小。 图5 理想的力和变形,输送带压陷阻力产生的变形能 托辊冲击产生的变形能迟滞效应下的能量损失 在一些文献中已经证实了输送带压陷阻力的计算依 据。H I NTZ已经研究了许多不同的覆盖层材料的压 陷阻力图 6 。在托辊处的输送带压陷阻力U″ E, 可由各个托辊上分布的载荷计算出。所应用的计算 式是考虑被托辊滚压的平输送带情况下得到的。此 时,输送带没有弯曲并且沿输送带宽度上产生输送 带压陷阻力的载荷是均布的。 U″ E CEd -2/3 F 4/3 V b -1/3 R 式中 CE 由输送带覆盖层所决定的常数; 图6 不同输送带覆盖层的输送带压陷阻力的测量 d 托辊直径; FV 托辊上的垂直载荷; bR 托辊和输送带间的接触长度。 类似于标准D I N22101中的模拟摩擦因数,用 托辊垂直载荷除输送带压陷阻力得到输送带压陷阻 力相应的模拟摩擦因数fE。 fE U″ E FV 图7给出了单位宽度垂直载荷与单位宽度输送 带压陷阻力的关系。 图7 H I NTZ给出的垂直载荷和输送带压陷阻力的关系 所有曲线都从基点开始,逐渐上升。由H I NTZ 完成的对所有6个函数的回归分析,同时考虑了位 势方程,最终得出以下公式。 U″ E a F′ V nS 作为平均值,垂直力的指数规定为nN。逐渐 上升的曲线证实,减少重载系统托辊上具有重 载分布和重载荷的系统的输送带压陷阻力,其 效果要比轻载系统明显得多。H I NTZ通过研究证 实,当输送速度提高一倍后,输送带压陷阻力仅仅 增大4。本文作者观点中的模拟计算都是基于这 些发现,此外,也可将侧托辊和中间托辊的载荷分 布应用到简化计算式中。 87 HansLauhoff带式输送机的速度控制与节能2009年第5期 31212 物料的弯曲阻力U″ L 物料的弯曲阻力U″ L是由散状物料内部的摩擦 损失,以及物料和输送带之间的外部摩擦损失产生 的,如果输送带的形状在纵向和横向发生变化将产 生这种的阻力。 文献中给出了类似的物料的弯曲阻力计算方 法。弯曲阻力受下列参数影响① 物料特征;② 托 辊上的载荷;③ 托辊间距;④ 输送带张力。 物料的弯曲阻力随载荷的增加而显著提高 [14]。 31213 输送带弯曲阻力U″ G 输送带弯曲阻力是指输送带的弯曲损失,也就 是随着输送带形状的任何变形而产生的抗拉元件和 橡胶覆盖层之间的内部摩擦图1和图 8 。 图8 托辊组之间输送带和物料外形与 损失相关的变化的示意 对于输送带弯曲阻力,文献广泛认同,输送带 弯曲阻力与托辊间距和输送带张力有很大关系。加 大托辊间距将导致弯曲阻力增大;输送带张力增 大,弯曲阻力减小。输送带、物料和托辊的弯曲阻 力专门的评价由下式得出 U″ L U″ G kLG[ m′ G m′ L gl] 2 T -1 式中kLG为与物料和输送带弯曲阻力有关的系数; T为输送带张力。 在研究中,输送带张力和与单位长度输送带质 量都是不变的,通过模拟观测要得到,输送带上单 位长度载荷或带速变化下的弯曲阻力变化。 4 文献评价 能量消耗率意义上的计算实例比较是为了对本 文评价中所讨论的观点做出满意回答,对实际主要 阻力作精确确定不是首要问题。 重要的是对虚拟的带式输送机的虚拟额定质量 流量,考虑带式输送机填充率为100 ,带速为 vnenn情况下作如下设定是完全足够的评价能耗问 题减少质量流量和假定尺寸相同。 分别比较下面2类情况 工况A填充率Ψ减少,运输速度保持不变。 工况B填充量保持100 ,运输速度降低。 结果是,由于文献资料中的数据和参数与带速 和输送带填充率无关,所有的模拟工况在实际使用 的设计选择是相同的。模拟计算所需的参数如下 名义充填率φnenn1 带宽B/mm1 000 输送带单位长度质量m′ G/ kgm - 1 2814 名义物料单位时间流量Imnenn/ kgs- 1776 名义小时输送量/ th - 1 2 794 松散密度p/ kgm - 3 1 600 名义物料单位长度质量m′ L/ kgm - 1 194103 名义带速vnenn/ ms- 14100 输送机长度L/m1 000 上分支 三辊托辊组槽角λ / 40 托辊间距IO/mm1 200 托辊直径dRO/mm133 托辊质量mRO/kg17180 单个托辊长度I/mm380 截面积A/m2011212 下分支平形托辊 托辊间距IU/mm3 000 托辊直径dRU/mm133 托辊质量mRU/kg17180 此外,为了区分各个阻力分量,将输送机的上 分支和下分支分开。因为在一些计算式中将采用三 辊托辊组以增加承载量,另外所有计算结果按单位 长度计。 411 用阻力分量计算评价能量需求率Wspez 带式输送机的功率需求PW通常是由运行阻力 FW与带速相乘得到。PW FW∑v。 从量纲角度看,功率的单位为W。能源费用 的单位为kWh。为了比较和评价模拟结果,更 加有效的方法是给出单位时间不同载荷、输送机系 统长度下带式输送机消耗的驱动功率PW的关系, 其结果可定义为能量需求率Wspez。 工况A带速v常数vnenn在评价时,带速v 保持不变。为了改变运行条件,填充率 Ψ即托辊 上的载荷,其变化范围从016到111,并从此减 小。见表2。 97 2009年第5期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 表2 工况A -带速v常数vnenn 载荷 阶段 对应载荷阶段输 送量/ th - 1 质量流/ kg s- 1 计算阶段 的充填率 物料单位长度质 量/ kgm - 1 充填水平的体积 流量/ m3s- 1 按D I N22101 需要的功率 能量消耗率/ Wkg- 1 按D I N22101按阻力分量法 0161 676466016116142012911780134801285 0171 956543017135182013401960132801283 0182 235621018155122013882150131401284 0192 515699019174163014372330130301289 1102 794776110194103014852510129401294 1113 073854111213143015342690128701298 注带速为4 m /s。 表3 工况B -填充率Ψ常数Ψnenn 载荷 阶段 对应载荷阶段输 送量/ th - 1 质量流/ kg s- 1 充填水平的体积 流量/ m3s- 1 带速/ m s- 1 按D I N22101 所需功率/kW 能量消耗率/ Wkg- 1 按D I N22101按阻力分量法 0161 676466012912141510129401291 0171 956543013402181760129401292 0182 235621013883122010129401293 0192 515699014373162260129401293 1102 794776014854102510129401294 1113 073854015344142760129401295 注计算阶段的充填率均为100;物料单位长度质量均为194 kg/m。 工况B填充率Ψ常数Ψnenn 在Ψ常数评价中, 填充率 Ψ即托辊上的载 荷保持不变。为改变运行条件,带速合适的变化范 围为214～414 m /s。借助相关模拟,利用相同的 质量流量作为根据。 412 模拟结果的比较 图9中的曲线综合了由计算得出的模拟结果。 在虚拟带式输送机中,能量消耗率Wspez是以 阻力分量方法为基础建立的,在2个实例中的比较 结果如下 工况A中,在恒定带速vnenn条件下,随着填充 率Ψ的减少,能量需求率Wspez变小。 工况B中,在填充率 Ψnenn保持不变条件下, 控制带速v可以减少能量需求。 在填充率 Ψ 111的载荷阶段表 2 ,提高 带速v与在恒定运行速度下提高载荷相比,在能量 需求率方面前者效果更加有利。 v等于常数的曲线,所选的模拟参数是从Ψ为 70的载荷阶段开始。能量消耗率在额定工作点 ΨΨnenn100 降至绝对最小值。随后能量需 求率再次上升。比较而言,Ψ等于常数的曲线,在 低速段能量需求率不会按此比例急剧变化。这个结 果是与输送带的压陷阻力参数相关的。正如以上所 说,后者包括①主要来自于输送物料的垂直力 的运行阻力;②作用在托辊上的载荷逐渐上升。 图9 虚拟带式输送机能量消耗率的计算结果曲线 5 对L I MBERG论文的评价 [21 ] 上面所得出的结论在文献中也得到了确认,并 涉及到了它的定性内容。L I MBERG描述了,在真 实的现场及稳定运行条件下,对带式输送机的测试 和测量。测量出了上下分支的全部提升动力和局部 主要阻力。同时,借助负载变化,也确定了相关影 响量。因此,依照D I N22101得出的模拟摩擦因数 与部分负载运行相关,并且在运行性能图表中也应 08 HansLauhoff带式输送机的速度控制与节能2009年第5期 当是有用的。例如,由L I MBERG得出的结论指 出,按照D I N22101得出的模拟摩擦因数对实际填 充率Ψ有显著的依赖性。 从所得出结论可以看出,全部运行阻力之和与 运动的质量并不是比例关系。由于这个原因,作者 看来, L I MBERG所测量的4号和6号带式输送机, 在其分析过程中也考虑到了它们的能量消耗率 Wspez。选择L I MBERG文献资料中测量的4号和6 号带式输送机,是因为2条带式输送机几乎水平, 不会由提升阻力的介入产生偏差。这些带式输送机 的更多数据见4号带式输送机图 10 和6号带 式输送机。 图12 L I MBERG的6号带式输送机数据 L I MBERG在性能图表中讨论了每条带式输送 机图10 图 13 在部分负载下填充率低于 100 ,按D I N22101的模拟摩擦因数。由于此专 家论述,上述依靠负载的摩擦因数已经从性能图表 中得到,并已合并到能量需求率的计算中。 假定恒定运输速度下,在部分负载区域能量需 求率初时降至最小,此论点在本文中也很重要。如 果填充率进一步减少,能量需求率将再次升高。 图13 根据L I MBERG测量的6号 带式输送机比能消耗的分析结果 应当指出的是, 4号带式输送机的能量需求率 高于6号带式输送机的能量需求率。然而,根据 H I NTZ的发现,此结果并不特别意外。因为每条输 送带的覆盖层橡胶材料不同,可能是产生这种不同 的唯一原因。 然而,所有这些分析有一个共同结论在恒定 带速v下,即在填充率减小的情况下Ψ变小 , 能量需求率减少;而带速降低,也就是控制输送速 度,输送带负载Ψ恒定保持不变。 参考文献 [1] MARQUARDT H1- G1AuslegungVonAntriebenBei Geschwin2 digkeitsgeregelter Bandanlage Drive Designs for Speed - Con2 trolledBeltConveyors . 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