我國(guó)帶式輸送機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究進(jìn)展

宋偉剛 孟凡波 張曉華 龔欣榮 高 勇

1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 沈陽(yáng) 110819 2.焦作科瑞森重裝股份有限公司 焦作 454000 3.衡陽(yáng)運(yùn)輸機(jī)械有限公司 衡陽(yáng) 421002 4.四川省自貢運(yùn)輸機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 自貢 643000 5.北方重工集團(tuán)公司 沈陽(yáng) 110141

0 引言

帶式輸送機(jī)是物料搬運(yùn)機(jī)械(起重運(yùn)輸機(jī)械)行業(yè)的重要分支，自建國(guó)以來經(jīng)歷了恢復(fù)和初創(chuàng)時(shí)期(1949年～1957年)、形成體系時(shí)期(1958年～1977年)、穩(wěn)定發(fā)展時(shí)期(1978年～1983年)，進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)帶式輸送機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)走出國(guó)門，出口到東南亞、澳大利亞、南美、非洲、歐洲等世界各地，所生產(chǎn)的帶式輸送機(jī)產(chǎn)品屢創(chuàng)世界記錄。由于帶式輸送機(jī)服務(wù)面廣，中國(guó)重型機(jī)械工業(yè)年鑒中已經(jīng)將其作為單獨(dú)一類產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。文中將對(duì)散料輸送對(duì)帶式輸送機(jī)的需求，20世紀(jì)我國(guó)帶式輸送機(jī)發(fā)展的簡(jiǎn)單回顧，重點(diǎn)討論對(duì)進(jìn)入21世紀(jì)后我國(guó)在大型越野帶式輸送機(jī)、管狀帶式輸送機(jī)、氣墊帶式輸送機(jī)、隧道工程帶式輸送機(jī)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步。并對(duì)帶式輸送機(jī)的今后發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，本文所提供資料可為帶式輸送機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)、制造、使用單位在今后的發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)品開發(fā)、科學(xué)研究提供參考。

1 散料輸送對(duì)帶式輸送機(jī)的需求

帶式輸送機(jī)的應(yīng)用涉及煤炭、冶金、建材(水泥)、電力(火電、水電)、糧食、化工、交通運(yùn)輸業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域、工程建設(shè)、生產(chǎn)工藝等方面。當(dāng)前對(duì)帶式輸送機(jī)的需求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 煤炭開采 20世紀(jì)70年代開始采用的煤礦的連續(xù)開采與半連續(xù)開采工藝，特別是半連續(xù)開采工藝是深凹露天礦和硬巖露天礦的發(fā)展方向。露天礦最大小時(shí)生產(chǎn)能力達(dá)到在9 000～10 000 t/h，有的近20 000 t/h?？傮w結(jié)構(gòu)型式為移置式和半移動(dòng)式帶式輸送機(jī)。帶寬為1 600～2 400 mm的移置式帶式輸送機(jī)是研究重點(diǎn)。

2) 礦山至電廠或儲(chǔ)運(yùn)、加工、外運(yùn)的輸送系統(tǒng) 一般輸送距離為幾公里到幾十公里，大型儲(chǔ)運(yùn)碼頭的儲(chǔ)運(yùn)裝卸輸送系統(tǒng)，堆場(chǎng)長(zhǎng)度可達(dá)1～2 km，為減少裝卸船時(shí)間，要求輸送機(jī)的輸送量達(dá)到10 000 t/h或以上，大型散貨船到堆場(chǎng)或料倉(cāng)的距離可達(dá)20 km。如天津港散貨物流中心到南疆煤碼頭的輸煤帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度為8 984 m。內(nèi)蒙古錫林浩特勝利能源一號(hào)露天煤礦至勝利發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)直線距離為9 km，其中的長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度為8 700 m。

3) 由于大量的露天礦山已經(jīng)逐漸進(jìn)入深凹開采階段，或轉(zhuǎn)為井工開采，或增加礦山的臺(tái)階數(shù)，輸送剝離物或未經(jīng)破碎的礦物輸送量可達(dá)3 000～5 000 t/h，提升高度為200～700 m，輸送傾角為50o～90o，這對(duì)帶式輸送機(jī)的適應(yīng)能力提出挑戰(zhàn)，盡管國(guó)外公司已經(jīng)開展研究，尚無工程實(shí)例。煤炭、金屬礦山的井工開采的礦物提升有采用帶式輸送機(jī)的趨勢(shì)，但國(guó)內(nèi)大提升高度的帶式輸送機(jī)尚不能滿足應(yīng)用要求。

4) 礦山開采的礦物由山上輸送到山下的料場(chǎng)或礦物加工廠，下運(yùn)高差為400～600 m及以上，由于受到輸送帶及零部件的限制，目前下運(yùn)高差超過500 m大多采用多條帶式輸送機(jī)接續(xù)輸送方式，需要開發(fā)單機(jī)下運(yùn)600 m及以上的帶式輸送機(jī)。

5) 綠色化和環(huán)保的要求 近年來由于環(huán)保的要求，一些礦區(qū)對(duì)礦物輸送物流系統(tǒng)進(jìn)行整合，由原有的短距離、小運(yùn)量帶式輸送機(jī)系統(tǒng)向干線輸送發(fā)展，輸送距離可達(dá)5～25 km，輸送量為3 000 t/h以上；

6) 隧道工程建設(shè) 包括西部交通建設(shè)、調(diào)水工程、跨江越海交通工程、戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備的地下工程、城市軌道交通建設(shè)、地下綜合管廊建設(shè)等方面的國(guó)家基本建設(shè)的重大需求下，對(duì)配合TBM的帶式輸送機(jī)連續(xù)出渣有較大的需求；目前采用TBM掘進(jìn)隧道所需帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度大致為10～25 km。

7) 砂石骨料 在國(guó)家對(duì)砂石骨料供給監(jiān)管趨嚴(yán)、國(guó)有資本加快布局砂石骨料行業(yè)砂石企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色化、智能化的背景下。砂石骨料行業(yè)對(duì)帶式輸送機(jī)需求旺盛。國(guó)內(nèi)向家壩沙石骨料輸送線達(dá)31 km，2018年建成的安徽長(zhǎng)九新材料股份有限公司的長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)為世界最大物流量的帶式輸送機(jī)。

8) 企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)工藝 包括輸送、轉(zhuǎn)載、堆放、分選等；受到企業(yè)內(nèi)部的場(chǎng)地和建筑設(shè)施限制，廠內(nèi)帶式輸送機(jī)相對(duì)較短，但輸送機(jī)數(shù)量多，如寶鋼1期共有帶式輸送機(jī)600多套，總長(zhǎng)57 km；

9) 盡管帶式輸送機(jī)的規(guī)格已經(jīng)發(fā)展到的很高的水平，但帶式輸送機(jī)的單機(jī)長(zhǎng)度、輸送帶的強(qiáng)度還需不斷地增加，以滿足帶式輸送機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

2 近年來我國(guó)帶式輸送機(jī)的發(fā)展

近年來，我國(guó)帶式輸送機(jī)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，2002年補(bǔ)充了DTII型帶式輸送機(jī)，命名為DTII(A)型帶式輸送機(jī)，2013年的手冊(cè)將帶寬范圍擴(kuò)大為400～2 000 mm， 補(bǔ) 充 了 400 mm、1 600 mm、1 800 mm、2 000 mm等4種規(guī)格。

“十一五”期間(2006年～2010年)，在我國(guó)帶式輸送機(jī)行業(yè)科研、設(shè)計(jì)、制造和使用單位的共同努力下，我國(guó)帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平有了很大的提高，總體上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。除了可以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)項(xiàng)目建設(shè)的需求外，已經(jīng)開始批量出口國(guó)外，其設(shè)計(jì)制造能力、產(chǎn)品性能和產(chǎn)品質(zhì)量基本上得到了國(guó)際市場(chǎng)的認(rèn)可。

我國(guó)目前已有帶式輸送機(jī)主干企業(yè)幾十家，生產(chǎn)制造能力世界第一，產(chǎn)品總體技術(shù)水平和質(zhì)量與國(guó)外先進(jìn)水平差距不大，國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力比較強(qiáng)。

配套體系國(guó)際化程度高。國(guó)內(nèi)外各品牌的輸送帶、電機(jī)、減速器、軸承、托輥、電控元器件、液壓元器件、變頻器等在國(guó)內(nèi)均可采購(gòu)配套。

表1為帶式輸送機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)帶式輸送機(jī)行業(yè)和作者所在企業(yè)的年產(chǎn)值[6]，企業(yè)的年產(chǎn)值達(dá)10億以上已經(jīng)成為常態(tài)。需要說明的是：帶式輸送機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)只統(tǒng)計(jì)到部分會(huì)員企業(yè)的情況，全國(guó)實(shí)際產(chǎn)量估計(jì)為協(xié)會(huì)整體數(shù)值的2～3倍以上。

表1 帶式輸送機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)帶式輸送機(jī)產(chǎn)值 /億元

在工程設(shè)計(jì)方法方面，在MT/T 5031—2003 煤炭工業(yè)帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，2008年發(fā)布了GB50431―2008《帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。2019年完成了該規(guī)范的修訂，將標(biāo)準(zhǔn)更名為《帶式輸送機(jī)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，新版標(biāo)準(zhǔn)增加了水平轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)、U型帶式輸送機(jī)和管狀帶式輸送機(jī)的工程設(shè)計(jì)以及帶式輸送機(jī)工程施工和工程驗(yàn)收內(nèi)容，目前處于報(bào)批階段。

2.1 長(zhǎng)距離越野帶式輸送機(jī)

帶式輸送機(jī)的發(fā)展總是向著更長(zhǎng)距離、更大的提升高度、更大的輸送量方向發(fā)展，2000年以前，國(guó)內(nèi)單機(jī)最長(zhǎng)輸送機(jī)在5 km以下，2000年以后達(dá)到14.22 km。《帶式輸送機(jī)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(報(bào)批稿)定義：大型帶式輸送機(jī)為同時(shí)具有總驅(qū)動(dòng)功率不小于1 500 kW、輸送量不小于3 000 t/h、長(zhǎng)度不小于1 500 m中的2項(xiàng)及以上特征的帶式輸送機(jī)。長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)為機(jī)長(zhǎng)不小于3 000 m的帶式輸送機(jī)。近年來，提出了“超長(zhǎng)距離”的概念，可以認(rèn)為超長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)度不小于5 000 m。長(zhǎng)距離越野帶式輸送機(jī)往往存在水平曲線段，因而現(xiàn)有平面曲線帶式輸送機(jī)的最大長(zhǎng)度要大于直線帶式輸送機(jī)。(圖1為埃塞俄比亞曲線帶式輸送機(jī))伴隨著帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)距離、大型化和高帶速，對(duì)托輥、滾筒、驅(qū)動(dòng)裝置、輸送帶等主要部件提出了更高的要求。大型帶式輸送機(jī)具有輸送距離長(zhǎng)、線路復(fù)雜，分布在輸送帶機(jī)上的物料質(zhì)量重、慣性大，在特殊情況下各點(diǎn)帶速不均，這都給帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)帶來極大困難。任何一個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的忽略都會(huì)導(dǎo)致如撒料、斷帶、飄帶、疊帶等惡性事故。啟制動(dòng)過程的分析與控制成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。取得的主要進(jìn)展包括：

1) 研究集成機(jī)械、電氣、土建及鋼結(jié)構(gòu)、計(jì)量、環(huán)保、消防等多學(xué)科技術(shù)，積極采用德國(guó)、美國(guó)等國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)研制了固定帶式輸送機(jī)用二工位卸料裝置和轉(zhuǎn)動(dòng)式導(dǎo)料槽等專利技術(shù)，在帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中采用集中潤(rùn)滑技術(shù)，采用“聚輝鋼”，“聚氨酯”等新材料，提高了轉(zhuǎn)載點(diǎn)襯板壽命；研究了帶式輸送機(jī)棧橋和支架集成系統(tǒng)，棧橋絎架豎腹桿同時(shí)兼做帶式輸送機(jī)的支腿和中間架，有效解決了帶式輸送機(jī)托輥、托輥架、走臺(tái)和輸送帶等一體化結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)及節(jié)點(diǎn)連接問題。

2) 在平面曲線帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)理論，中部驅(qū)動(dòng)理論方面取得進(jìn)展，采用中部多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)自身轉(zhuǎn)載技術(shù)，多機(jī)順序啟動(dòng)控制技術(shù)及長(zhǎng)距離復(fù)雜工況的快速響應(yīng)拉緊裝置；采用4輥托輥組結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小曲率半徑曲線運(yùn)行，研制出具有自主產(chǎn)權(quán)的基于變頻控制的液粘無級(jí)調(diào)速裝置，采用智能控制理論，光纖通信技術(shù)及冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離信息的高速、實(shí)時(shí)通信與系統(tǒng)控制；北京約基開發(fā)了U型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)水平曲線運(yùn)行，建立了U型帶式輸送機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行模擬摩擦系數(shù)測(cè)定，輸送帶橫向剛度測(cè)定、輸送帶接頭和成槽性測(cè)定、抗側(cè)風(fēng)能力測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

3) 在移置式帶式輸送機(jī)方面衡陽(yáng)運(yùn)機(jī)研制出帶寬1 600 mm，輸送量3 000 t/h，單機(jī)長(zhǎng)度 2 900 m具有自主產(chǎn)權(quán)的移置式帶式輸送機(jī)，解決了在露天礦山的帶式輸送機(jī)移置問題；華電開發(fā)了4 000 t/h移置式帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，完成了全功能一體化機(jī)頭的研究與開發(fā)、高強(qiáng)度滾筒的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)與開發(fā)。

4) 在大角度、大高差下運(yùn)帶式輸送機(jī)方面，解決了下運(yùn)帶式輸送機(jī)的物料勢(shì)能反饋發(fā)電及反饋電能的綜合利用技術(shù)，－22.5o大傾角防物料下滑技術(shù)、大傾角、大慣性下運(yùn)帶式輸送機(jī)的防“飛車”制動(dòng)技術(shù)。

5) 在可伸縮帶式輸送機(jī)方面，采用組合式驅(qū)動(dòng)裝置，提高了驅(qū)動(dòng)裝置配比的互換性(圖2)，采用自動(dòng)液壓夾帶與卷帶，無慣性快速響應(yīng)張緊小車，實(shí)現(xiàn)了大帶寬可伸縮帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)距離輸送；研發(fā)了新型帶式輸送機(jī)自移裝置，使轉(zhuǎn)載機(jī)和自移機(jī)尾允許最大擺角達(dá)到±8o，提高了對(duì)巷道起伏的適應(yīng)能力，開發(fā)了模塊化復(fù)合式緩沖結(jié)構(gòu)，解決了塊煤卸載過程中損傷輸送帶問題。

6) 在深槽帶式輸送機(jī)方面，采用雙排交錯(cuò)深槽型托輥組，解決了輸送帶成槽及大傾角輸送大塊物料滾落的問題。實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)與功率平衡，解決了盤式制動(dòng)器與逆止器的同步性技術(shù)問題，消除了高速制動(dòng)帶來的隱患，在1 800 mm帶寬條件下，輸送傾角達(dá)到26o。

7) 研發(fā)了長(zhǎng)距離、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)系統(tǒng)安全保障技術(shù)，解決了輸送帶反彈控制和斷帶抓捕保護(hù)的難題。

8) 北方重工在印度Reliance(圖3)項(xiàng)目中為保證輸送機(jī)系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、安全性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，將低滾動(dòng)阻力概念引入帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)中，研發(fā)節(jié)能輸送帶、新型節(jié)能托輥、鋼構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)等多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，研制開發(fā)出高效、無人值守帶式輸送機(jī)檢測(cè)檢修單元、增慣裝置、新型智能張緊裝置、防輸送帶劃傷托輥支架、軌道側(cè)拉式拆卸緩沖托輥組，并開發(fā)了自動(dòng)巡檢小車(圖4)。利用DEM動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，開發(fā)出動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)載設(shè)計(jì)技術(shù)等多項(xiàng)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)出一整套長(zhǎng)距離大運(yùn)量帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)理念，最終實(shí)現(xiàn)了綜合模擬摩擦系數(shù)由0.02這一指標(biāo)降低到0.013 5。

9)國(guó)家“十二五”智能制造裝備專項(xiàng)“智能可伸縮帶式輸送機(jī)”項(xiàng)目研究了實(shí)時(shí)檢測(cè)及自動(dòng)延時(shí)技術(shù)、輸送帶金屬連接扣的實(shí)時(shí)成像及自動(dòng)化比照技術(shù)、快速響應(yīng)的變頻絞車技術(shù)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)上傳過濾技術(shù)、實(shí)時(shí)測(cè)溫、測(cè)振技術(shù)。

10)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的巡檢問題是一個(gè)瓶頸問題，一些公司開發(fā)了機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，焦作科瑞森自主開發(fā)了KRS-ITIS100型第一代智能巡檢機(jī)器人(圖5)，該機(jī)器人以軟索為軌道，全程自主行走，可搭載高清攝像機(jī)、聲傳感器、紅外攝像儀、粉塵/有害氣體傳感器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)巡檢。

表2為國(guó)產(chǎn)一些大型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的主要參數(shù)，表中給出了其中部分項(xiàng)目的輸送帶安全系數(shù)，可以看到，國(guó)產(chǎn)大型帶式輸送機(jī)無論是數(shù)量、長(zhǎng)度、輸送量上都呈增加態(tài)勢(shì)，輸送帶的安全系數(shù)已經(jīng)突破DIN22101-1982的推薦值，這些項(xiàng)目的投入運(yùn)行，也為在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)一步降低輸送帶安全系數(shù)提供了經(jīng)驗(yàn)。

2.2 管狀帶式輸送機(jī)的發(fā)展

圓管帶式輸送機(jī)是日本的(JPC)Japan Pipe Conveyor公司首先于1978年開發(fā)出的產(chǎn)品，并在32個(gè)國(guó)家獲得專利。通過專利授權(quán)方式向12個(gè)國(guó)家制造商轉(zhuǎn)讓了此專利技術(shù)。1988年JPC并入普利司通(Bridgestone)，2009年更名為Bridgestone EMK。日本的三菱公司、東海公司和德國(guó)的PWH-Continental、Conrad Scholtz GmbH等公司均開發(fā)了此產(chǎn)品。我國(guó)通過引進(jìn)普利司通技術(shù)、與Koch、CDI等國(guó)外企業(yè)的合作，已經(jīng)有多家企業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)了圓管帶式輸送機(jī)，制定了“圓管帶式輸送機(jī)”機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，“管狀輸送帶”化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。成功地開發(fā)并應(yīng)用了一批世界級(jí)的圓管帶式輸送機(jī)系統(tǒng)。表3為國(guó)內(nèi)外圓管帶式輸送機(jī)的工程實(shí)例。

近年來，我國(guó)管狀帶式輸送機(jī)的制造與應(yīng)用無論是數(shù)量上，還是工程規(guī)模上都有長(zhǎng)足進(jìn)步，最長(zhǎng)無中間驅(qū)動(dòng)已達(dá)8 231 m(見圖6)，有中間驅(qū)動(dòng)已達(dá)14 970 m，最大管徑為600 mm(見圖7)，應(yīng)用輸送帶的最大帶強(qiáng)為ST-3150主要的技術(shù)創(chuàng)新為：

1) 研究帶式輸送機(jī)翻轉(zhuǎn)裝置機(jī)理，設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)裝置，解決防爆管問題，研制可調(diào)節(jié)托輥架結(jié)構(gòu)。

表 2 國(guó)產(chǎn)典型大型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)

2) 在貴陽(yáng)中化磷化肥有限公司的磷石膏輸送管狀帶式輸送機(jī)項(xiàng)目中，首次采用低滾動(dòng)阻力輸送帶和頭尾雙游動(dòng)拉緊裝置，保證了傳動(dòng)滾筒傳遞驅(qū)動(dòng)力能力。

3) 堯柏水泥超長(zhǎng)距離管狀帶式輸送機(jī)首次實(shí)現(xiàn)極端復(fù)雜條件下的運(yùn)行，提出了管狀帶式輸送機(jī)輸送帶橫向剛度穩(wěn)定值測(cè)試方法，張緊裝置采用液壓絞車、重錘、液壓缸的組合方式，提高了系統(tǒng)的可靠性。

4) 山東力博開發(fā)了直徑為800 mm的管狀帶式輸送機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。

2.3 氣墊帶式輸送機(jī)

氣墊輸送機(jī)是20世紀(jì)70年代首先由荷蘭研究出的一種新型連續(xù)輸送設(shè)備，它是用薄氣膜支承輸送帶及其上物料的帶式輸送機(jī)。它將托輥帶式輸送機(jī)的托輥用帶孔的氣室盤槽代替，當(dāng)氣源向氣室內(nèi)提供具有一定壓力和流量的空氣后，氣室內(nèi)的空氣經(jīng)盤槽上的小孔逸出，在輸送帶和盤槽之間形成一層具有一定壓力的氣膜支承輸送帶及其上部物料。把按一定間距布置的托輥支承變成了連續(xù)的氣墊支承，使輸送帶與托輥之間的滾筒摩擦變成輸送帶與盤槽間以空氣為介質(zhì)的流體摩擦，減小了運(yùn)行阻力，帶來了很多優(yōu)點(diǎn)。

表 3 國(guó)內(nèi)圓狀帶式輸送機(jī)的工程實(shí)例

我國(guó)于80年代初開始引進(jìn)該技術(shù)，80年代中期，我國(guó)自行研制的帶寬1 m，長(zhǎng)97 m大型試驗(yàn)樣機(jī)安裝于北京礦務(wù)局王平村煤礦，從此拉開了氣墊輸送機(jī)在我國(guó)推廣應(yīng)用的序幕。1994年化學(xué)工業(yè)出版社出版了《氣墊帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)選型手冊(cè)》，1999年由曾晨、孟文俊主編《氣墊帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》，河南天隆重大裝備公司編制了《第二代氣墊機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》。

河南天隆重大裝備公司的氣墊帶式輸送機(jī)在糧食儲(chǔ)備倉(cāng)庫(kù)及糧食加廠，糧食碼頭等得到廣泛應(yīng)用，并首先在氧化鋁廠解決了三氧化二鋁的輸送問題。為了適應(yīng)大型火力發(fā)電廠輸煤量大的需求(輸送量要求3 500～4 500 t/h），建立了帶寬1 600 mm和1 800 mm兩臺(tái)氣墊帶式輸送機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（見圖8）。試驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)試：氣膜厚度、氣室壓力、氣膜壓力及阻力系數(shù)，并根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)制造了寬帶1 800 mm、長(zhǎng)度109 m的氣墊帶式輸送機(jī)樣機(jī)。

第二代氣墊機(jī)在設(shè)計(jì)理論、節(jié)流孔布置、設(shè)計(jì)方法、氣箱結(jié)構(gòu)、風(fēng)源裝置、清料裝置等方面采取了6大創(chuàng)新技術(shù)，解決了以往氣墊帶式輸送機(jī)存在的氣墊均勻穩(wěn)定性差、沿程阻力損失大、節(jié)能效果不顯著或根本不節(jié)能、重載起動(dòng)困難或根本不能重載起動(dòng)、漏風(fēng)較嚴(yán)重、氣墊形成不良等問題。

采用全氣墊氣室全封閉結(jié)構(gòu)，部件采用模塊化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)組裝，分段供氣，避免長(zhǎng)距離輸送機(jī)氣體壓力在輸送機(jī)縱向分布不均勻問題，輸送距離達(dá)到1 500 m。輸送能力達(dá)到1 500 t/h。江門振達(dá)開發(fā)了糧食輸送2 000 t/h的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.4 隧道工程帶式輸送機(jī)

長(zhǎng)期以來，帶式輸送機(jī)主要制造企業(yè)對(duì)隧道出渣帶式輸送機(jī)研究較少，只是個(gè)別企業(yè)為國(guó)外廠商配套制造，缺乏系統(tǒng)研究。隨著我國(guó)乃至世界已經(jīng)進(jìn)入鐵路(特別是高鐵)建設(shè)的快速發(fā)展時(shí)期，其中包括城市地鐵和城際軌道；近年來水利資源的開發(fā)和利用也是國(guó)家的重要戰(zhàn)略，尤其引水隧洞工程領(lǐng)域。隨著應(yīng)用到越來越多的鐵路隧道及水利工程隧道掘進(jìn)施工中，其后配套連續(xù)帶式輸送機(jī)的需求也會(huì)越來越多。2015年以前，連續(xù)帶式輸送機(jī)的市場(chǎng)還處于國(guó)外公司壟斷的狀態(tài)。第一臺(tái)國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)制造的連續(xù)帶式輸送機(jī)由兗礦東華重工有限公司完成。上?？拼笫巧a(chǎn)該機(jī)型較多地企業(yè)，其中山西大水網(wǎng)中鐵十八局山西中部引黃工程項(xiàng)目連續(xù)帶式輸送機(jī)單機(jī)長(zhǎng)度26 km，是目前輸送距離最長(zhǎng)的連續(xù)帶式輸送機(jī)；新疆EH供水項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)首次采用一洞雙機(jī)布置，且支洞轉(zhuǎn)彎段屬于高張力大角度小轉(zhuǎn)彎半徑工況，是國(guó)內(nèi)少見的設(shè)計(jì)和運(yùn)行復(fù)雜的系統(tǒng)；中鐵隧道局以色列特拉維夫地鐵紅線項(xiàng)目連續(xù)帶式輸送機(jī)創(chuàng)造了轉(zhuǎn)彎半徑225 m的連續(xù)S彎運(yùn)行記錄。目前國(guó)內(nèi)已有多家?guī)捷斔蜋C(jī)生產(chǎn)企業(yè)能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)制造該機(jī)型。并準(zhǔn)備制訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

隧道工程，特別是城市地鐵的垂直提升出渣問題是建設(shè)的瓶頸問題，一些工程項(xiàng)目采用傳統(tǒng)的波狀擋邊輸送機(jī)提升，但是由于渣土中含水問題，波狀擋邊輸送帶清掃問題嚴(yán)重。

上?？拼笾毓ぜ瘓F(tuán)有限公司于2018年自行研發(fā)的復(fù)合式提升帶式輸送機(jī)，由牽引帶和支撐帶兩大部分復(fù)合而成，呈“Z”形布置。支撐帶嵌套于牽引帶機(jī)內(nèi)環(huán)。牽引輸送帶由兩條平行排列的帶擋邊條的閉環(huán)基帶及若干隔板組成，呈鏤空狀；支撐輸送帶是一條閉環(huán)的平輸送帶。牽引輸送帶與支撐輸送帶的上分支在受渣區(qū)段開始貼合，形成若干個(gè)可存儲(chǔ)渣土的框斗，直到卸渣區(qū)段分離。其中，牽引輸送帶構(gòu)成了框斗的邊框，支撐輸送帶構(gòu)成了框斗的底板。兩條輸送帶的驅(qū)動(dòng)裝置和卸渣區(qū)段布置在地面，受渣區(qū)段布置在井底，中間機(jī)身部分靠近井壁布置。

采用帶式輸送機(jī)垂直出渣的另一種解決方案是壓帶式帶式輸送機(jī)，焦作科瑞森根據(jù)隧道渣土垂直提升要求和渣土特點(diǎn)，開發(fā)了C型高傾角壓帶式輸送機(jī)，通過輸送帶張力提供部分承載和壓帶間的壓力，2017年首次在隧道施工工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)物料的垂直輸送，高效平穩(wěn)直接出渣至渣土池，滿足了隧道開采渣土連續(xù)輸送工藝需求。第1條C型高傾角壓帶式輸送機(jī)成功應(yīng)用濟(jì)南地鐵(圖9)，后續(xù)在上海地鐵、廣佛地鐵環(huán)形項(xiàng)目開展應(yīng)用。

3 帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算理論與計(jì)算方法

帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)常規(guī)靜態(tài)方法的選型設(shè)計(jì)、帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)過程的動(dòng)力學(xué)分析、轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的溜槽設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)、滾筒的有限元計(jì)算和系統(tǒng)振動(dòng)分析等。本文不涉及鋼結(jié)構(gòu)、滾筒的有限元計(jì)算和系統(tǒng)振動(dòng)分析問題。

3.1 帶式輸送機(jī)常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法

多年來，我國(guó)廣泛采用的TD75、DX、GB/T 17119—1997(ISO5048)計(jì)算方法已經(jīng)不能滿足大型、復(fù)雜帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過多年實(shí)踐、通過對(duì)輸送物料的截面輪廓、驅(qū)動(dòng)裝置形式、附加阻力(特別是導(dǎo)料槽阻力)、輸送帶安全系數(shù)的研究，結(jié)合DIN22101和CEMA計(jì)算方法，編制了GB/T 36698—2018 《帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》[9]。該標(biāo)準(zhǔn)由北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院和東北大學(xué)作為主編單位，參加單位20個(gè)，結(jié)合了多年來國(guó)內(nèi)外研究成果，標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容和特點(diǎn)包括：

1)用于確定帶式輸送機(jī)主要部件(如驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置、拉緊裝置、滾筒、托輥和輸送帶)的基本參數(shù)。內(nèi)容包括：體積輸送量和質(zhì)量輸送量、穩(wěn)定工況的運(yùn)行阻力和功率消耗、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算(驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、逆止)、輸送帶張力和拉緊力的計(jì)算、輸送帶寬度面上的張力分布、輸送帶的安全系數(shù)和覆蓋層厚度的確定、滾筒最小直徑的確定方法、托輥的選擇與托輥間距設(shè)計(jì)、槽形過渡段及豎向曲線段曲率半徑的設(shè)計(jì)和輸送帶翻轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。在適用于長(zhǎng)距離大運(yùn)量的帶式輸送機(jī)的同時(shí)，也適用于中小型簡(jiǎn)單的帶式輸送機(jī)。

2)統(tǒng)一了帶式輸送機(jī)的上分支和下分支的阻力計(jì)算表達(dá)式，為實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件開發(fā)提供方便，并且適用于雙向輸送帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算。細(xì)化了附加阻力和特殊阻力的載荷計(jì)算方法，為準(zhǔn)確的計(jì)算總阻力提供了基礎(chǔ)。首次提出了帶式輸送機(jī)阻力和張力計(jì)算的迭代法，該方法可將與輸送帶張力相關(guān)的阻力精確計(jì)算。

3)首次將帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)方式劃分為按固有特性啟動(dòng)和按運(yùn)動(dòng)控制啟動(dòng)兩種方式，由于大型帶式輸送機(jī)大多采用控制啟動(dòng)方式，應(yīng)用本標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法可以精確地計(jì)算與降低輸送機(jī)的拉緊力，在滿足帶式輸送機(jī)可靠、安全的同時(shí)降低輸送帶的破斷強(qiáng)度，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。給出了逆止力的計(jì)算式。

4)區(qū)分了輸送帶截面上張力非均勻分布的基準(zhǔn)疲勞強(qiáng)度和輸送帶安全系數(shù)的估算。區(qū)分了初步估算出輸送帶的最大張力、當(dāng)計(jì)算出每個(gè)滾筒上的輸送帶的張力兩種方法。

5)給出了各傳動(dòng)、制動(dòng)滾筒上的滾筒圓周力分配相關(guān)內(nèi)容；擴(kuò)展了輸送帶垂度值的適用范圍；給出按運(yùn)動(dòng)控制啟動(dòng)的啟動(dòng)系數(shù)計(jì)算方法，證明了在一些情況下，驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)裝置的確定需按啟動(dòng)、制動(dòng)條件來確定；給出帶式輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的計(jì)算；將ISO 5048的簡(jiǎn)單布置帶式輸送機(jī)的輸送帶最大張力的計(jì)算內(nèi)容在附錄中給出。

基于GB/T 36698—2018 《帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》，東北大學(xué)開發(fā)了帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件BeltAnalyse3.0，該軟件在Visual Studio 2015環(huán)境下開發(fā)，可對(duì)任意布置的復(fù)雜，平面曲線帶式輸送機(jī)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果采用Excel報(bào)表輸出，圖10為該軟件的數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算結(jié)果輸出、輸送帶張力、線路曲線界面。

3.2 帶式輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)分析方法及軟件

帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分是帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)分析的重要手段，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《帶式輸送機(jī)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(報(bào)批稿)中規(guī)定：具有下列主要特征的帶式輸送機(jī)宜進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)：多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)；輸送線路有多個(gè)變坡段，有明顯的上坡和下坡區(qū)段變化；在不同工況下運(yùn)行阻力存在明顯差異。國(guó)內(nèi)帶式輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)問題的研究起始于20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)目前至少有5篇涉及帶式輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)的博士論文，研究?jī)?nèi)容重點(diǎn)包括系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，求解方法、事故工況、拉緊裝置等方面。

根據(jù)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)方式，將驅(qū)動(dòng)裝置劃分為按固有特性啟動(dòng)，控制切換電阻時(shí)序和設(shè)定驅(qū)動(dòng)力啟動(dòng)等方式；針對(duì)多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，提出了基于功率跟蹤控制的動(dòng)力學(xué)逆問題的數(shù)值解法，該方法可以解決長(zhǎng)距離撓性傳動(dòng)系統(tǒng)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)與控制問題，根據(jù)所提出的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值解法，研究了解析模型求解方法、波動(dòng)方法、有限元方法。圖11為行波方法啟動(dòng)過程輸送帶速度圖，圖12為頭部驅(qū)動(dòng)有限元方法啟動(dòng)過程輸送帶速度曲線，圖13輸送機(jī)啟動(dòng)過程曲線，圖14具有頭、尾、中部驅(qū)動(dòng)的多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的輸送帶張力曲線。

3.3 帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載設(shè)計(jì)的DEM方法

散狀物料的運(yùn)輸與轉(zhuǎn)載是廣泛存在的基本環(huán)節(jié)，特別地隨著散狀物料處理量的不斷增大，裝載與轉(zhuǎn)載的設(shè)計(jì)問題日益突出。轉(zhuǎn)載設(shè)計(jì)問題的研究也得到了廣泛的關(guān)注。國(guó)內(nèi)多所高校和企業(yè)購(gòu)買了DEM Solutions公司的EDEM軟件。顆粒仿真技術(shù)可以對(duì)散狀物料的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察、機(jī)理分析、受力分析、磨損(壽命)估計(jì)和系統(tǒng)優(yōu)化。由于礦物顆粒力學(xué)性能的復(fù)雜，采用物料堆積角和物料密度等物料的外特性進(jìn)行顆粒參數(shù)的校準(zhǔn)，采用顆粒4面體模型(圖15)，提出了采用沖擊系數(shù)來表征沖擊的大小。分別按輸送帶中心線和托輥輥?zhàn)又蝿澐址绞讲捎脴O限評(píng)價(jià)指標(biāo)分析了輸送帶可能產(chǎn)生的跑偏量，形成了采用顆粒仿真轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系。東北大學(xué)較早開始散料處理轉(zhuǎn)載研究，已經(jīng)為四川東林煤化工項(xiàng)目、北方重工塞內(nèi)加爾項(xiàng)目、大連重工羅伊山項(xiàng)目、澳大利亞必和必拓錳礦項(xiàng)目、曹妃甸項(xiàng)目、上?？拼蟀臀鞯庸软?xiàng)目、衡陽(yáng)越海馬來西亞項(xiàng)目等開展咨詢，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。圖16為物料轉(zhuǎn)載過程的仿真過程；圖17為WEARBACK溜槽物料在轉(zhuǎn)載站流動(dòng)過程。

4 我國(guó)帶式輸送機(jī)的發(fā)展方向

我國(guó)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用目前已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，在通用帶式輸送機(jī)、管狀帶式輸送機(jī)、氣墊帶式輸送機(jī)等方面取得了巨大的進(jìn)展，在國(guó)際市場(chǎng)上已經(jīng)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但是在設(shè)計(jì)與制造的精細(xì)化、超大規(guī)格的帶式輸送機(jī)方面與國(guó)外相比還具有差距，我們認(rèn)為，今后的發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

1)進(jìn)一步向大型、長(zhǎng)距離方向發(fā)展，國(guó)外長(zhǎng)距離帶式輸送線20世紀(jì)70年代最長(zhǎng)已達(dá)100 km，國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)制造的向家壩帶式輸送機(jī)系統(tǒng)已達(dá)31 km。在不久的將來，合適的工程項(xiàng)目中會(huì)出現(xiàn)100 km及以上的工程需求。

2)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)輕量化，改進(jìn)帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)：如采用沿途檢修小車代替帶式輸送機(jī)兩側(cè)走臺(tái)，可降低鋼結(jié)構(gòu)重量30%左右。國(guó)內(nèi)大部分中小企業(yè)設(shè)計(jì)與研究能力較弱，往往僅依賴于設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)備輕量化方面存在明顯不足。

3)環(huán)境溫度極限條件下的帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。輸送帶覆蓋層在環(huán)境溫度變化較大的條件下的力學(xué)性能變化很大，在不同環(huán)境溫度條件下輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)變化較大。對(duì)輸送機(jī)主要部件的材料選取也帶來困難。

4)高承載能力的輸送機(jī)部件，如滾筒，驅(qū)動(dòng)架的設(shè)計(jì)尚缺乏設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，大功率無齒輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式國(guó)內(nèi)尚屬空白，需要開發(fā)電動(dòng)機(jī)以及安裝方法。

5)建立帶式輸送機(jī)能效評(píng)價(jià)方法提高系統(tǒng)的能效，需要構(gòu)建輸送機(jī)各主要部件的能效準(zhǔn)則以綜合評(píng)價(jià)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的能效。

6)開發(fā)與應(yīng)用低阻力節(jié)能型輸送帶，國(guó)際上輸送帶企業(yè)正在向集約化發(fā)展，在世界范圍內(nèi)具有更多的話語(yǔ)權(quán)，已經(jīng)開始制定輸送帶能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外輸送帶制造商已經(jīng)開發(fā)了低運(yùn)行阻力節(jié)能型輸送帶，并廣泛地應(yīng)用在各種長(zhǎng)距離輸送機(jī)上，可降低能耗12～20%，節(jié)約工程綜合成本40%，因此大大地提高了其帶式輸送機(jī)產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

7)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件種類和數(shù)量多，應(yīng)加大力度進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，使帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)向智能化方向發(fā)展。

5 致謝

本文撰寫過程中承蒙中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)物流工程分會(huì)張喜軍理事長(zhǎng)、中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院張振文審閱全文，并提出修改建議，北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院唐超董事長(zhǎng)委托專家對(duì)全文進(jìn)行審閱，提出了建設(shè)性的修改建議，北京約基工業(yè)股份有限公司前總工程師劉文軍，華電重工股份有限公司崔志遠(yuǎn)、上?？拼笾毓ぜ瘓F(tuán)有限公司李秀云、江門市振達(dá)機(jī)械制造有限公司提供資料，作者向他們表示誠(chéng)摯的感謝！作者水平有限，疏漏之處難免，誠(chéng)請(qǐng)批評(píng)指正。