在過去的20年里，帶式輸送機(jī)研究在世界范圍內(nèi)有了重大的發(fā)展。伴隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，許多工程技術(shù)人員已經(jīng)研制出了新的產(chǎn)品，同時(shí)理解了有關(guān)運(yùn)輸?shù)奈锢磉^程。
隨著全球經(jīng)濟(jì)的增長，帶式輸送機(jī)技術(shù)已成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿之一。當(dāng)今世界需要設(shè)計(jì)和生產(chǎn)“環(huán)保”型輸送機(jī)，要求輸送量超過10000t／h，并且要節(jié)約能量。輸送機(jī)技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要特點(diǎn)是基礎(chǔ)研究發(fā)展為應(yīng)用技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
1 通用帶式輸送機(jī)的重要研究工作
1.1技術(shù)
     1980--2000年輸送機(jī)技術(shù)有了明顯的發(fā)展，這某種程度上應(yīng)歸功于研究。研究成果的應(yīng)用和認(rèn)可常常要求商業(yè)的決定和冒險(xiǎn)以便把這些研究成果應(yīng)用到工作系統(tǒng)中。國內(nèi)的主要應(yīng)用有：寶鋼燃料輸送系統(tǒng)，全長57km；小龍?zhí)睹旱V連續(xù)開采工藝輸送系統(tǒng)；首鋼水廠鐵礦半連續(xù)開采工藝輸送系統(tǒng)；大柳塔煤礦主平峒輸送機(jī)，長4 602m；山西晉城礦務(wù)局寺河礦，長7 600m。
     毫無疑問，計(jì)算機(jī)在研究上的廣泛應(yīng)用已經(jīng)對(duì)工業(yè)有了較大的影響。回顧出版過的有關(guān)輸送機(jī)技術(shù)的著作，主要的研究與應(yīng)用技術(shù)包括：輸送機(jī)軟起動(dòng)控制(S曲線起動(dòng))；摩擦和滾動(dòng)損耗模擬(粘彈性)；動(dòng)力學(xué)分析(波和質(zhì)量彈簧模型)；通過無損測(cè)試，監(jiān)測(cè)鋼絲繩芯輸送帶狀態(tài)：水平和垂直轉(zhuǎn)彎輸送機(jī)；助力器驅(qū)動(dòng)長距離井下輸送機(jī)；接頭設(shè)計(jì)和故障研究；輸送帶清掃和翻轉(zhuǎn)；輸送帶橫向振動(dòng)預(yù)測(cè)和消除；窄、高速輸送帶；大傾角和垂直輸送機(jī)；氣墊帶式輸送機(jī)；管狀輸送機(jī)；研究用實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置的發(fā)展；拉緊裝置。
1.2改進(jìn)設(shè)計(jì)和輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的研究
這些研究主要包括：
(1)輸送機(jī)起動(dòng)的優(yōu)化理論；
(2)輸送帶橫向振動(dòng)理論的發(fā)展；
(3)橡膠損耗裝置的研究；
(4)動(dòng)力學(xué)分析預(yù)測(cè)輸送帶應(yīng)力波的速度；
5)監(jiān)測(cè)輸送帶狀態(tài)的監(jiān)視器研究；
(6)輸送帶清掃研究；
(7)橡膠粘彈性的特性和粘著力研究；
(8)卸料軌跡與料流狀態(tài)研究。
1.3具體研究的情況
1.3.1最佳理論S—曲線起動(dòng)
     此研究1981年開始于澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(HARRISION)，優(yōu)化輸送帶的起動(dòng)，使瞬時(shí)應(yīng)力最小化。在起動(dòng)時(shí)，S曲線在輸送帶上產(chǎn)生一個(gè)可預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。通過使用微積分變換原理的數(shù)學(xué)研究，得出了S曲線，這是對(duì)“在一定的起動(dòng)時(shí)間內(nèi)應(yīng)力最小問題”的一種數(shù)學(xué)解釋。這些技術(shù)用來解決軟起動(dòng)問題和設(shè)計(jì)長距離、高帶速的輸送機(jī)。作為此研究的成果，發(fā)表了第一篇關(guān)于小帶寬、高帶速的文章。許多公司以各種形式把這一新的觀念應(yīng)用于現(xiàn)代輸送機(jī)。Nordell提出了拋物線速度起動(dòng)曲線，Dodge的Singh提出了帶爬行段的起動(dòng)過程。
1.3.2輸送帶振動(dòng)理論的發(fā)展
     在1980-1984年間，對(duì)正交各向異性薄板理論的研究，對(duì)運(yùn)動(dòng)的輸送帶出現(xiàn)振動(dòng)和彎曲現(xiàn)象有了第一次數(shù)學(xué)解釋，提供了一種準(zhǔn)確的方法預(yù)測(cè)帶式輸送機(jī)的回程段振動(dòng)的能量。得出了4階偏微分方程的解，并被應(yīng)用于具體的稱為薄板的彈性邊界。得出了一種方法，對(duì)鋼絲繩芯輸送帶和織物帶，預(yù)測(cè)運(yùn)輸段和回程段帶的振動(dòng)形式需應(yīng)用不同的特殊邊界條件。該研究能進(jìn)行自由共振設(shè)計(jì)并使由于托輥振動(dòng)而產(chǎn)生故障的程度降低。僅有少數(shù)幾家公司使用HARRISON的研究設(shè)計(jì)自由共振輸送帶。
有關(guān)輸送帶振動(dòng)分析問題已經(jīng)編入“煤礦帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范”。
1.3.3滾動(dòng)損耗的研究
     輸送帶的張力受許多因素控制，如提升高度、長度、帶的剛度、壓陷、輸送帶經(jīng)過托輥的撓度以及附加阻力。對(duì)此，在20世紀(jì)80年代以前已有許多文獻(xiàn)，如DIN22101和CEMA，還有輸送帶廠商的內(nèi)部計(jì)算手冊(cè)。這些文獻(xiàn)很大程度上利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定輸送帶的工作點(diǎn)，如托輥級(jí)別、彎曲效果、傾斜效果以及局部的或整體的摩擦力。
     在1980—2000年間，進(jìn)行了預(yù)測(cè)長距離和轉(zhuǎn)彎輸送機(jī)摩擦力的新研究。紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)(HARRISON等)研究了物料和輸送帶彎曲的影響，并且發(fā)表了許多研究成果。這個(gè)時(shí)期，ZUR、ALLES、HAGER、BETZ、SPAANS、JONKERS、NORDELL、LODEWHKS等人寫的文章主要體現(xiàn)了對(duì)膠帶在托輥上的壓陷阻力受黏彈性影響的科學(xué)貢獻(xiàn)。
     SPAANS、HARRISON、ZUR、NORDELL、HAGE等的研究主要是對(duì)彎曲和有關(guān)滾動(dòng)壓陷損耗的橡膠特點(diǎn)影響的理解。漢諾威大學(xué)HINTZ的博士論文(1993年)考慮到了與壓陷損耗有關(guān)的復(fù)雜情況。
     大多數(shù)的該項(xiàng)研究能夠使得模型系統(tǒng)在設(shè)計(jì)早期被仔細(xì)審查，因而使企業(yè)更有信心。因此，已經(jīng)出現(xiàn)了長距離輸送機(jī)、帶有水平或垂直轉(zhuǎn)彎的長距離輸送機(jī)以及長距離、大運(yùn)量下運(yùn)輸送機(jī)。
1.3.4 動(dòng)力學(xué)分析
     有多種方法可以解決輸送帶中彈性應(yīng)力傳播的問題，包括波動(dòng)模型、質(zhì)量—彈簧模型、邊界元素模型和有限元／微分方法。每一種方法都有其數(shù)學(xué)根據(jù)。例如，對(duì)于波動(dòng)模型方法有必要考慮全部應(yīng)力波的傅立葉成分，而質(zhì)量—彈簧模型的解決方案取決于產(chǎn)生應(yīng)力各個(gè)模態(tài)的幅值，對(duì)于有限元模型，當(dāng)運(yùn)用大量的運(yùn)算來模擬應(yīng)力時(shí)若元素邊界錯(cuò)誤就可能出現(xiàn)問題，并且元素的模數(shù)會(huì)變成臨界的模數(shù)。應(yīng)用波動(dòng)模型需要較多的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而質(zhì)量—彈簧模型更易于用速度快、內(nèi)存大的計(jì)算機(jī)來處理。
     在1980-2000年間，出現(xiàn)了有關(guān)這個(gè)主題的新研究。在國內(nèi)，有關(guān)帶式輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)分析的問題也得到廣泛的重視，太原重型機(jī)械學(xué)院、阜新礦業(yè)學(xué)院、中國礦業(yè)大學(xué)等單位都進(jìn)行了一些理論方面的探索。本文第一作者繼博士論文“大型帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)過程的研究”(1996)之后完成了動(dòng)力學(xué)分析軟件的開發(fā)，并于2001年對(duì)該軟件進(jìn)行了進(jìn)一步的開發(fā)，建立了完整的動(dòng)力學(xué)模型和穩(wěn)定的數(shù)值分析方法。該軟件已經(jīng)在工程實(shí)際中應(yīng)用。
     動(dòng)力學(xué)分析能估算包括在起動(dòng)或停車過程中的有關(guān)結(jié)構(gòu)、滾筒和輸送帶載荷。對(duì)于長距離大張力的輸送機(jī)，該方法是可靠性設(shè)計(jì)的重要部分，這已被工業(yè)界廣泛地采用。通過動(dòng)力學(xué)研究已經(jīng)開發(fā)出許多計(jì)算機(jī)程序。
(1)波動(dòng)方程求解
    在1982年，HARRISON第一次闡述了輸送帶的波動(dòng)方程求解。這要求找到輸送帶的承載分支和回程分支承受不同載荷時(shí)波動(dòng)方程的特征函數(shù)，并將靜態(tài)解(穩(wěn)定運(yùn)行張力)和動(dòng)態(tài)解疊加。可用于輸送帶應(yīng)力波速的精確預(yù)測(cè)。波動(dòng)模型不能很好地處理運(yùn)動(dòng)的邊界(拉緊)，且運(yùn)用它需要特殊的條件。不過，波動(dòng)模型作為支持設(shè)計(jì)的工具已經(jīng)被應(yīng)用了許多年。
(2)質(zhì)量—彈簧解
    輸送帶質(zhì)量間通過粘彈性聯(lián)系的模型由Noldell等在1984年首先提出。如同其他模型，在其邊界單元需要相應(yīng)的應(yīng)力和張緊力，這種模型可能出現(xiàn)計(jì)算不穩(wěn)定、產(chǎn)生錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)。Morrison的WBM討論了這種不穩(wěn)定情況。彈簧—質(zhì)量模型在處理拉緊裝置方面優(yōu)于波動(dòng)模型。世界上很多大公司都在應(yīng)用這種方法或者開發(fā)出計(jì)算機(jī)程序。
(3)世界范圍的研究
     在動(dòng)力學(xué)分析方面，隨著計(jì)算機(jī)速度的急劇增快，使復(fù)雜的計(jì)算成為可能。下列機(jī)構(gòu)具有開發(fā)動(dòng)力學(xué)分析程序的能力，或者購買了程序的所有權(quán)(例如Beltflex)。如德國漢諾威大學(xué)；美國輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)公司(CDI)：Beltflex；美國輸送機(jī)技術(shù)公司：Beltwin5；Flour Daniel(USA)；Bechtel／Minenco(Australia)；WBMPty．Ltd．?(Australia)，Belsim；?Newcastle University(Australia)；O’Donovan and Associates(Australia)；Halpern Glick Maunsell Pry．Ltd．(Australia)；東北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(宋偉剛)： BCD 2.0
1.3.5 輸送帶監(jiān)控研究
     1980年Harrison最先發(fā)明了一種新的測(cè)試方法并獲得專利，該方法可以在非接觸狀態(tài)下對(duì)鋼絲繩芯輸送帶進(jìn)行檢測(cè)，監(jiān)測(cè)斷繩和鋼絲繩接頭，預(yù)報(bào)可能發(fā)生的損壞。
第一次對(duì)鋼絲繩芯輸送帶實(shí)現(xiàn)非破壞測(cè)試是在澳大利亞(1979年)。1982-1987年這種方法被用于德國、南非、加拿大、美國等的采礦工業(yè)。這種技術(shù)也廣泛用于其他的工業(yè)領(lǐng)域以提高可靠性。根據(jù)這一研究，應(yīng)用信號(hào)分析理論進(jìn)一步發(fā)展了標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試和檢驗(yàn)方法，實(shí)際上已經(jīng)用于鋼絲繩制造的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。其美國專利為4439731和4864233。
     這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使對(duì)有危險(xiǎn)的和高張力鋼絲繩芯輸送帶的監(jiān)測(cè)成為可能，可對(duì)輸送帶的安全性能進(jìn)行檢驗(yàn)。通過磁場(chǎng)狀況和接頭條件覆蓋層磨損情況可以檢測(cè)出各種制造缺陷，例如鋼絲繩的布置間距。
1.3.6 接頭測(cè)試與測(cè)試裝置
     從3個(gè)方面對(duì)接頭進(jìn)行研究，特別是對(duì)高強(qiáng)度(鋼絲繩芯)輸送帶，研究重點(diǎn)是對(duì)大型接頭設(shè)計(jì)的理解、破壞試驗(yàn)裝置和優(yōu)化接頭強(qiáng)度。包括接頭破壞試驗(yàn)裝置、幾何和機(jī)械設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)效應(yīng)測(cè)試和研究。
漢諾威大學(xué)最早開始接頭動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度的研究，它的一部分內(nèi)容是確定接頭壽命和尋求降低輸送帶強(qiáng)度的方法。他們建立了實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于研究和測(cè)試接頭疲勞強(qiáng)度和尋求提高接頭強(qiáng)度的方法。
     目前只有有限的實(shí)例用理論進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)，但工業(yè)界有提高接頭強(qiáng)度的要求。另外，對(duì)粘接和等強(qiáng)度問題也進(jìn)行了廣泛的研究。Nordell用有限元分析(FEA)研究各種不同的鋼絲繩接頭設(shè)計(jì)的應(yīng)力分布情況。
1.3.7 輸送帶沖擊和緩沖的研究
     硬巖對(duì)輸送帶的沖擊是造成輸送帶縱向撕裂和降低輸送帶壽命的重要因素，特別是在中國，由于礦石的品位較低，因此礦物的硬度高于國外礦石，本文第一作者在碩士學(xué)位論文中提出了一種在托輥組托輥間增設(shè)緩沖彈簧的緩沖方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。主要工作包括：(1)托輥等效質(zhì)量的理論計(jì)算；(2)比較了各種緩沖形式的效果；(3)提出了中間增設(shè)彈簧的緩沖措施。
2 特種帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的研究
2.1 鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)
     1980年以前鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)已經(jīng)廣泛用于長距離、大提升高度場(chǎng)合。這種輸送機(jī)用2條鋼絲繩作為牽引元件，由輸送帶承載物料。
     鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)能夠廣泛應(yīng)用于礦山和物料搬運(yùn)企業(yè)的原因是：適用于長距離輸送，在地形限制下可以實(shí)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)彎，輸送帶維護(hù)方便、易于更換。在過去的20年里，鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)公司(Svedala)，在以下幾方面發(fā)展了鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)系統(tǒng)：(1)多椽滾筒，以減小噪聲；(2)PVL輸送帶，用以預(yù)先的成槽，以提高物料的穩(wěn)定性；(3)輸送帶加強(qiáng)網(wǎng)；(4)水平曲線單元：(5)研究繩的覆蓋層和紡綸加強(qiáng)繩。
2.2管狀和垂直提升輸送機(jī)
     出于環(huán)境保護(hù)的原因，出現(xiàn)了管狀帶式輸送機(jī)，它將物料密閉在輸送帶內(nèi)。這種技術(shù)要求輸送帶經(jīng)過滾筒時(shí)為平型，因而有形成管狀的過渡段、管段、由管狀變成平型的過渡段3段。這種輸送機(jī)在良好的工作狀態(tài)下可以避免灑料，其托輥組結(jié)構(gòu)形式可以有多種形式，如3托輥和6托輥系統(tǒng)。國內(nèi)管狀帶式輸送機(jī)研究及開發(fā)始于20世紀(jì)80年代初期。
2.3助力驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)
     各種形式的助力驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)已成為井下采用的普通設(shè)備，特別是在美國。輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)布置在輸送帶的多個(gè)部位上以減小輸送帶張力，輸送過程中也可以實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)卸料。采用這種方法建造的長距離輸送機(jī)可以使用低抗拉強(qiáng)度的輸送帶，取代單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)需要的強(qiáng)力輸送帶。
     高生產(chǎn)率的長壁開采開始時(shí)需要一個(gè)長距離輸送機(jī)(>5km)，隨著開采的后退輸送機(jī)的長度需要縮短。目前已經(jīng)開發(fā)出了滿足這種要求的系統(tǒng)，包括PLC控制、拉緊裝置、倉儲(chǔ)環(huán)和獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)站。
對(duì)這種長距離、多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)控制的研究，需要特別考慮輸送機(jī)的工作條件，例如局部有載的問題。有關(guān)這方面的研究集中在拉緊裝置的摩擦和動(dòng)力學(xué)控制方面。
2.4 輸送帶翻轉(zhuǎn)
     輸送帶翻轉(zhuǎn)對(duì)控制平面轉(zhuǎn)彎的軌跡具有良好的效果，保持輸送帶和托輥之間的摩擦特性不變。輸送帶翻轉(zhuǎn)還可以避免粘在輸送帶表面的物料在沿線撒落，這有利于環(huán)境保護(hù)。很多輸送帶制造商都給出了翻轉(zhuǎn)的長度，并研究了輸送帶翻轉(zhuǎn)區(qū)段的強(qiáng)度和撓度問題。
2.5 滾筒的發(fā)展
     滾筒強(qiáng)度的分析與設(shè)計(jì)和壽命分析是輸送機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。很多研究者都是滾筒供應(yīng)商。目前有限元工具已得到廣泛采用，而現(xiàn)代大型高強(qiáng)度滾筒的設(shè)計(jì)同樣需要采用有限元法。CEMA已經(jīng)改進(jìn)了滾筒強(qiáng)度的計(jì)算式。
2.6 氣墊帶式輸送機(jī)
     國內(nèi)氣墊帶式輸送機(jī)的研究始于20世紀(jì)80年代，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并發(fā)表了多篇有關(guān)研究文章，在國內(nèi)形成了氣墊帶式輸送機(jī)熱，發(fā)表了氣墊帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)方法。
東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 宋偉剛
北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所 張尊敬
太原重型機(jī)械學(xué)院 王 鷹
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