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散状物料带式输送机设计 第 2 章 散状物料带式输送机计算与设计基础 第第 2 章章 带式输送机计算与设计基础带式输送机计算与设计基础 如同其他机械设备设施，带式输送机的基本准则在于在保证系统满足功能要求的前提下，高可靠 性、低费用地完成要求的任务。为保证上述目的的实现，需确定主要零部件的规格、数量以及安装调试要 求。一些国家以及一些大公司都已经制定了带式输送机设计计算标准，如 ISO5048、DIN22101、CEMA美 国输送机制造商协会功率计算方法、我国制定了等同于 ISO5048 的国家标准，即 GB/T 17119-1997 连续 搬运设备 带承载托辊的带式输送机 运行功率和张力计算。德国标准“DIN22101 连续输送设备输送散 状物料的带式输送机计算机设计基础”是国际上较为完整的带式输送机设计计算标准。该标准 1942 年发 表，1982 年进行了修订，目前最新版本为 DIN22101-2002。其主要特点体现在以下几个方面 1内容完整。几乎涉及了带式输送机设计计算的所有方面。 2突出了应用计算机进行设计计算的方法，采用将输送机分段的表达形式，易于实现计算机编程。 3在输送带张力计算上，统一了过渡段、曲线段的表示方法，从而可以根据输送带的抗拉强度和安全 系数确定过渡段长度和曲线段曲率半径。 4在运行阻力计算方面，给出了采用压陷阻力和托辊旋转阻力来确定主要阻力的方法。扩展了模拟摩 擦阻力系数的取值的范围，并通过多种影响因素来评价模拟摩擦阻力系数。 5给出了输送带安全系数的新的表达方式，所给出的结果比广泛采用的安全系数更小。给出了按影响 因素确定输送带厚度的可以操作的方法。 本章将以 DIN22101 为主，介绍带式输送机的基本设计计算方法，简要介绍日本标准计算方法。在第 3 章给出 CEMA 设计计算方法。 2.1 输送量与带速输送量与带速 一般，输送量由工程系统的要求所确定。带式输送机应能够完成所要求的输送量。输送量主要由带速 和带宽决定。 2.1.1 带速带速 带速很大程度上取决于所输送的物料的特性、所期望的输送能力和所采用的输送带的张力。 粉末状的物料要采用足够低的带速输送，以最大程度地减少灰尘，特别是在装料和卸料点更是如此。 易碎的物料同样也会限制带速。当输送带和输送的物料通过托辊时，较低的带速可以使易碎物料在装料和 卸料点处不会发生跳动碎裂。 很重的、边缘锋利的物料应该采用中等带速输送。因为物料锋利的边缘会过度磨损输送带表层，特别 是当装料速度在输送方向的速度明显低于输送带的速度的时候。 带式输送机的最大带速一般推荐值见表 2-1。 在比较有利的装料和转运条件下， 对于带宽不大于 800mm 的槽形输送带， 可以采用超过表 2-1 所给出 的最大带速输送粉料、湿沙、煤、不含大块的泥土和粉碎的石块。增大带速可以降低带宽和输送带张力。 但是，带来上述益处的同时，也需要权衡可能带来的输送带磨损、物料跳动、气流阻力、承载托辊大块冲 击等的加剧和输送带所有零部件寿命的降低等缺点。 需要采用高带速输送时，需要仔细研究，以确保方案的可行性。 加料区的设计和头部滚筒的卸料方式在选择带速时也必须加以考虑。如果物料干燥而且呈粉状，带速 很高时，物料的粉尘会令人无法忍受。如果物料较重且含有大块，或者物料颗粒的边缘有角而且比较锋利 时，高速度的卸料会引起卸料槽或转载溜槽的过度磨损。 2.1.2 输送量输送量 带式输送机的输送量可以用体积输送量和质量输送量来表示。它受到运行输送带上的装料截面面积的 影响。装料截面面积则取决于输送带的动堆积角及装料条件。 在计算最大体积输送量和质量输送量时，应采用等效的、简便的几何断面面积。理论断面面积是根 据输送带在托辊上的形状和输送物料的角度状况来计算的。一般承载托辊为三辊时，DIN 标准采用物料堆 A Tel 024-83684442 110004 东北大学机械工程与自动化学院宋伟刚邮编 1 散状物料带式输送机设计 第 2 章 散状物料带式输送机计算与设计基础 积到输送带的截面积如图 2-1。该多边形由托辊轮廓线和输送物料堆积的轮廓线组成。它由托辊的长度和 槽角λ，有效宽度和等效堆积角β来确定。该等效堆积角所确定的截面与理论装料面积相等。有效宽度 单位m取决于带宽bB。 表表 2-1 推荐的最大带速推荐的最大带速 输送的物料 带速/m/s 带宽/mm 2.5 500 3.5 600800 4 10001200 谷物或其他易于流动的非磨损性物料 5 12002400 2 500 3 6001000 4 10001600 煤、湿粘土、软的矿石、冲积土和泥土、细碎的岩石 5 18002400 1.75 500 2.5 6001000 重、坚硬、棱角尖锐的矿石及粗碎的的岩石 3 1000 以上 制备好的或潮湿的铸造砂型，夹带小块型芯、夹带或者不夹带小铸 件的落砂灼热程度不至于损伤输送带 1.75 任意宽度 用带有橡胶边的犁式卸料机从输送带上卸下的制备好的铸造型砂和 类似的潮湿或干的磨损性物料 4 任意宽度 1 用犁式卸料器从输送带上卸出的非磨损性物料 除 木 纸 浆 ， 可 取 1.52 任意宽度 由漏斗或料仓供给粉状非磨损性或中等磨损性物料的平型或槽形输 送带 0.250.5 任意宽度 对于m2≤B 05. 09 . 0−Bb 对于m2≥B 25. 0− Bb 2-1 图图 2-1 等长三托辊水平输送时的理论装料截面等长三托辊水平输送时的理论装料截面 图图 2-2 与与 ISO5048 断面的比较断面的比较 图 2-2 是采用 ISO5048 进行物料截面积计算的物料截面，物料截面的上部是圆弧型，物料动堆积角为 ρ，为使两种计算的结果相同，计算时可取 Tel 024-83684442 110004 东北大学机械工程与自动化学院宋伟刚邮编 2 散状物料带式输送机设计 第 2 章 散状物料带式输送机计算与设计基础 βρ5 . 1 2-2 这样，两种计算方法结果大致相同。而计算时用等效的三角形面积不计算弓形面积简单，所以在 DIN 标准中应用三角形的堆积。 与实际装料断面等效的理论装料断面积由和两部分构成。 A 1 A 2 A 21 AAA 2-3 其中 [] 2 12 tan coscossin 42 MM MMM blbl AlblAl β 2 λλλ −−⎡⎤ − ⎢⎥ ⎣⎦ 式中中间托辊长度，m； M l λ托辊槽角。 选择等效堆积角取决于所输送的物料和运输的长度。如没有选择等效堆积角的经验可以将下列数值代 入式中。 对于标准流动性物料，取β20 ；对于次流动性或近似于流动性物料，则取β20以下至β0。只有 输送物料具有一个高内摩擦系数情况下，才能够将数值β大于 20 的等效堆积角，代入式中。 当托辊组有 1 个和 2 个辊子时，可通过取0 M l应用上式计算。 根据理论装料断面积，可计算出理论体积输送量 1v Q 3 1 m /sQAv ν ϕ 2-4 理论质量输送量为 1 kg/s t QAvϕγ 2-5 其中ϕ有效装料系数， BSt ϕϕ ϕ； B ϕ装料系数，它取决于输送物料的性质块度、最大边长、动堆积角ρ和带式输送机的工作条 件加料均匀性、输送带的直线性和输送能力有一定的储备的参数。 St ϕ与输送倾角有关的缩减系数，它表示截面积的减少量，即 1 A 1 StSt,1 11 A A ϕ −−ϕ 2-6 当输送机对中良好并均匀加载块度小的物料时，对于 max δρ≤ 22 max St,1 2 coscos 1 cos δρ ϕ ρ − − 2-7 由式2-7不难看出，倾斜输送时，倾角最大只能等于实际的动堆积角，而且在这种情况下只能输送断 面积的物料。 2 A 当加料均匀和输送带直线运行时，水平直线输送机的理论装料断面可以被充分利用，即1 B ϕϕ。 从而可得理论体积输送量和质量输送量 1t Q 111 kg/s3.6t/h tvv QQQγγ 2-8 式中v带速，m/s； γ物料松散堆积密度，kg/m3。 对应有效装料系数，额定体积输送量，额定质量输送量为 v Q t Q 3 m /s,Qkg/s3.6t/h vtv QAvQQϕγγ v 2-9 单位长度物料的质量为 kg/m G qAϕ γ 2-10 Tel 024-83684442 110004 有效装料系数是根据实际输送量情况得到的一个系数，它是用以评价输送机是否在正常载荷情况下完 东北大学机械工程与自动化学院宋伟刚邮编 3 散状物料带式输送机设计 第 2 章 散状物料带式输送机计算与设计基础 成输送任务的指标。常规的输送机设计计算的参数例如模拟摩擦阻力系数选择一般是在装料系数为 0.71.1 范围内的。当装料系数不在此范围内时，需对参数进行修正。 2.2 稳定工况下的运行阻力和功率消耗稳定工况下的运行阻力和功率消耗 2.2.1 稳定工况下的功率消耗稳定工况下的功率消耗 带式输送机的功率与输送带张力计算方法是一种基于工程上的保守计算方法，实际上不可能得到准确 的计算结果。设计计算需要根据目前的技术状况和所有可能的生产条件、根据带式输送机的类型以及线路 布置情况，尽量使计算结果与实际情况相近。为确定运行阻力、功率消耗和局部输送带张力，需要采用详 细的计算过程。 对于生产条件简单的简易带式输送机，和对没有很高数值要求的带式输送机，在考虑技术安全要求条 件下，有经验的情况下可以采用简化的计算方法。 在开始计算运行阻力之前， 需要通过估计预先确定一些基础参数。 这些参数应在计算过程中加以确认， 可能需要对一些参数进行修正。应经常进行反复计算，以达到选用较为合理的参数。 在稳定工况运行时需要的驱动力运行阻力综合了摩擦力、重力和质量的作用。输送机的功率消耗 是运行阻力和运行速度的乘积，即 W F W P WW PFv⋅ 2.2.2 运行阻力运行阻力 将运行阻力划分为主要阻力，附加阻力，提升阻力和特种阻力，这些阻力的和等 于从传动滚筒传递到输送带上的圆周力 H F N F St F S F W F Pu F WHNStSP FFFFFF u 2-11 由于输送机的线路布置可能是简单的直线，也可能是复杂的变坡、变载荷情况。在过去的标准计算方 法中往往采用统一的等效坡度和载荷，从而使用简单的计算式进行计算。这可能存在下面两种问题①有 时会造成阻力的计算必须变换成等效倾角或单位长度物料质量的误解，从而使计算缺乏足够的精度；②在 计算输送带张力时还要重新计算输送机各段的阻力，从而增大计算工作量。特别地，在广泛使用计算机进 行计算的时代，所给出的计算方法应该能够适应计算机算法的需要。 因而，阻力应以分段形式确定。一个分段应具有相同的参数，如输送机的倾角δ、模拟摩擦系数 f 和 输送的物料的单位长度质量，及托辊旋转部分的质量，各种特种和附加阻力的作用。在输送机分段的 起点和终点，从机尾开始向机头方向，各段顺次用 表示。承载段上分支用下标的参数值，用 o 表示，回 程段下分支用 u 表示参见图 2-3。这种表示方法应该能够在所有的计算过程中采用。 G q i 图图 2-3 运行阻力的分段构成和分段计算运行阻力的分段构成和分段计算 11 nn WW,o,iW ii FFF ∑∑,u,i 2-12 其中上分支第i段的阻力； , ,W o i F , ,W u i F下分支第i段的阻力。 Tel 024-83684442 110004 1输送线路上的主要阻力 东北大学机械工程与自动化学院宋伟刚邮编 4 散状物料带式输送机设计 第 2 章 散状物料带式输送机计算与设计基础 按上、下分支将输送线路分成若干段，每个分段的阻力与运动荷载之间存在线性关系，即各区段内与 阻力计算相关的参数不变。因而，各段的主要阻力 ,H i F ,,, g[cos] H iiiR iBL ii Fl fqqqδ 2-13 式中 i f区段上的模拟摩擦系数； i δ输送机区段的平均倾角； i l区段输送机长度，m； ,R i q区段上单位长度托辊旋转部分质量，kg/m； B q每米输送带质量，kg/m。 在确定输送带张力时，需要确定上分支分段主要阻力 , ,H o i F和下分支分段主要阻力 , ,H u i F。 然后得出输送机的主要阻力 , ,, , 1 n HH o iH u i i FFF ∑ 2-14 在输送机向下和向上运输时，应根据额定载荷范围装料系数ϕ在 0.7 到 1.1 之间，及对其他载荷情况 装料不均匀、部分载荷和空载计算主要阻力，因为在某种工况下的阻力之和可能大大超过正常运行情况 下的阻力。 2模拟摩擦系数 f 的确定 带式输送机的主要阻力包括托辊旋转产生的摩擦阻力，输送带的压陷损耗、弯曲损耗，物料的碰击损 耗和托辊安装误差所产生的阻力等因素。这些因素并不都与物料、托辊旋转部分的质量、输送带的质量有 关。但是，为了计算方便、适应计算的习惯，采用一个模拟摩擦系数作为等效的摩擦系数。 在带式输送机阻力计算中，模拟摩擦系数f的选取直接影响主要阻力。在设计计算时，总是选用偏于 保守的模拟摩擦阻力系数。 当带式输送机的装料系数为 0.7～1.1，输送带相对垂度1≤ r h，采用滚动轴承迷宫密封式的托辊 时，值根据工作条件和设备状况为 0.01～0.04。空载运行状态与满载运行状态的输送机的值可能不 同，它可能小于或大于额定载荷下的值范围。这在小倾角输送机上应特别注意，因为此时有可能根据 空载功率来确定驱动装置。 ff f 上分支和下分支的主要阻力有托辊的转动阻力、由于输送带压在托辊上而产生的挤压阻力、输送带的 振动弯曲以及输送物料的挤压引起的挤压阻力。因此该阻力与张力、速度、载荷、宽度、槽形和输送带的 工艺特性等因素有关，此外还有托辊的直径和间距以及输送物料的特性和输送机的环境条件。表征主要阻 力大小的模拟摩擦系数对于一般设计制造的和在额定载荷范围内装料程度fϕ为 0.l～1.l工作的输送机 为 0.020，在不利情况下可以取较高的值。例如输送物料、摩擦较大时；粉尘很多、潮湿或黏性物料； 环境温度；槽角C 35λ；带速；托辊直径m/s5vmm108159 25 2 b2 22 SRankSM 2 0S 22 0 bb,min 1 2tan 2 18 4 2 19 2 t f gl Qλ Fc cbl vvb vv vv ll g γ γ ⎫ ⎡⎤ −⎪−− ⎢⎥ ⎪ ⎣⎦ ≤≤ ⎬ −⎪ − ⎪ ⎭ 0 对于0 式中c综合考虑加料区段内输送物料和导料 槽侧板间由于给定质量输送量的堵塞压力所引起的 附加阻力的系数； S 图图 2.5 导料槽布置导料槽布置 S b导料槽的内宽； λ托辊组槽角； b l加料区域内加速段长度； M l3 托辊结构中间托辊长度； 1 输送带与输送物料间的摩擦系数， 1 0.5 0.7； 2 输送带与导料槽侧板间的摩擦 系数， 2 0.5 0.7； Rank c兰金Rankine系数； 2 Rank tan45 2 o c ρ⎛ − ⎜ ⎝⎠ ⎞ ⎟ 2-20 Tel 024-83684442 110004 东北大学机械工程与自动化学院宋伟刚邮编 7 散状物料带式输送机设计 第 2 章 散状物料带式输送机计算与设计基础 当时，代入 SM bl≤ SM bl 对于 2 辊托辊组，代入； 0 M l 当采用单托辊时，代入 MS lb ； 对于其他类型的托辊组结构如 5 辊托辊组，按如下条件进行计算 ①从加料范围内体积输送量和输送速度v v0 /2 中求出物料与导料槽侧板高度； ②求出流量对导料槽侧板压力，在有的情况下采用和； S c Rank c ③从侧板面上平均压力、摩擦系数和量值中求出摩擦阻力。 对于一般结构的带式输送机可取 Rank 1 S c c 3清扫器的摩擦阻力 GGG APF 4 2-21 式中 4 输送带与清扫器间的摩擦系数， 4 0.6～0.7； G P清扫器与输送带间的压力，N/mm2，； Pa1010.3 5 G P G A清扫器和输送带间的有效接触面积，m2。 4输送带经过滚筒的弯曲阻力， l F 各种帆布输送带 D d B F BFl⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 01. 01409 2-22 钢绳芯输送带 D d B F BFl⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 01. 020012 2-23 式中输送带张力，N； F d输送带厚度，m； D滚筒直径，m。 5非传动滚筒的轴承阻力 t F Tt F D d F 0 005. 0 2-24 式中轴承内轴径，m； 0 d T F作用于滚筒上的两个输送带张力和滚筒的惯性力的向量和，N。 后两项阻力一般都很小，一般情况下可以忽略不计。 3提升阻力 输送带和输送物料在每个分段的提升阻力 , St iiBG i Fh g qq , 2-25 总提升阻力 1 n StSt,o,iSt,u,i i F FF ∑ i 2-26 sin ii hlδ 式中，分别为上、下分支第i段的提升阻力。 St,o,i F St,u,i F Tel 024-83684442 110004 输送带上行时h0;0 ii δ，输送带下行时0;0 ii hδ 向上运输的输送机， , 0 W o F , 0 W u F≤； 向下运输的输送机，。 , 0 W o F≤ , 0 W u F 1水平输送机及轻微倾斜的输送机 在头部和尾部设驱动装置而没有中间驱动装置的带式输送机上，如果驱动功率恰当地分配到头部和 尾部，则得到最小输送带张力。最佳的功率分配等于上、下分支输送带阻力之商/。所需的驱 动电动机总功率为 ,W o F ,W u F ,max 1 W M P P η 2-35 式中 1 η传动效率，可通过各传动环节的传动效率计算。 通常，实际安装的电动机功率大于所需的功率其中为实际安装的电动机功率。当 多电动机驱动时，每台电动机的功率和等于实际安装的电动机功率。 MMI PP≥ MI P MI P 2上运输送机 在上运输送机上，如果没有安装中间驱动，则通过将全部驱动布置在头部而得到最小输送带张力。 功率计算同1。 3下运输送机 在下运输送机上，只有采用布置在输送机尾部的驱动装置才有最小输送带张力。在确定驱动装置的 总功率时，根据驱动装置处于电动机工况或发电动机工况 ,max 0 W P ,max 0 W P 当时， ,max 0 W P Σ 制动 0 B B FF a m − Σ 2-49 ,A iRiRiGiBi Fa C qqql 2-50 式中第 段上托辊转动质量变换的等效质量的系数，可取0.9 为标准值。 Ri Ci Ri C 2.4.3张紧力和拉紧行程张紧力和拉紧行程 为了产生所需的输送带张力和补偿弹性伸长，需要有拉紧装置。张紧力的大小取决于拉紧装置的型 式和布置，以及该输送机的工况。考虑到减少结构费用，拉紧装置优先装设在稳定工况时输送带张力最 小的地方。拉紧装置一般可分为固定式拉紧滚筒和移动式拉紧滚筒两种。拉紧行程可通过计算输送带的 平均张力， 再通过计算平均应变得到。 无论是那种型式的拉紧装置在说明任意工况的用*号表示参数中， 都可以由下式计算输送带平均张力参见图2.8。 * *** W,i** TUii 1 miii 11 2222 FSTT TlTlB E LLL ⎛⎞⎛⎞ ⎜⎟⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠⎝⎠ ∑∑ 2-51 式中平均输送带张力，N； * m T E输送带的弹性模量，N/mm； * TU s拉紧滚筒行程，m。 Tel 024-83684442 110004 东北大学机械工程与自动化学院宋伟刚邮编 14 散状物料带式输送机设计 第 2 章 散状物料带式输送机计算与设计基础 图2.8给出了计算示例，为输送机各区段长度，图中所示为3段，、分别表示滚筒相遇 点和分离点的张力，图中所示为2个滚筒，为输送带的平均张力，为上分支第i段的阻力， 为输送带的最小张力，为第 段末端的输送带张力。图中没有给出相应的下分支的标记。 i l 1, j T 2, j T * m T * , ,W o i F * min T * ,o i Ti 图图 2.8 带式输送机上、下分支的输送带张力带式输送机上、下分支的输送带张力 为了选定拉紧装置张紧力和拉紧滚筒行程必须以式2-51为基础考虑最不利的工况。 * TU T * TU s 如果拉紧装置设置在产生最小输送带张力的地方，则拉紧滚筒上的张紧力为 * min T * TU T * min 2 TU TT * 2-52 在其他情况下必须考虑附加拉紧滚筒处与力处之间的张力差。 * min T 在带有固定式拉紧滚筒的拉紧装置上平均输送带张力与工况无关，是一个常值 * m T *** minmm TTT∆常数 2-53 这就使得输送带在偏离最不利工况时以大干所需要的输送带张力工作。 在带有移动式拉紧滚筒的拉紧装置上。 相反地， 张紧力在所有工况下或者保持不变例如在重锤式拉 紧装置上，或者通过“调整的拉紧装置”适应各种工况，在两种情况下得到为了补偿弹性伸长而相应变 化的拉紧滚筒行程是 * TU s *** * minmm TU TTT sLL BEBE ∆ ≠ 常数 2-54 为了在非稳定工况下也保证其必要的输送带张力，这种拉紧装置必须有足够的拉紧速度。 2.4.4上、不分支局部的输送带张力上、不分支局部的输送带张力 输送带稳定和非稳定状态张力的决定性因素为输送带、托辊及传动滚筒和改向滚筒、托辊间距、 输送带的凹凸过渡弧、输送带进出槽形过渡段、输送带转弯。 一般说来最大局部输送带张力总是出现在非稳定工况下，这个张力在确定输送带时也必须考虑。 1非稳定工况 在确定非稳定工况的局部输送带张力时必须考虑最小输送带张力，局部张力变化以及附加动态输送 Tel 024-83684442 110004 东北大学机械工程与自动化学院宋伟刚邮编 15 散状物料带式输送机设计 第 2 章 散状物料带式输送机计算与设计基础 带张力。 在启动或制动状态得出各点输送带最小张力或中，一般用于计算张紧力和稳定工 况的参数。 min A T minB T min A T 2稳定工况 稳定工况下的输送带张力由最不利工况下局部所需要的最小输送带张力，局部输送带张力变化来确 定其最小值