在過去的20年里，帶式輸送機研究在世界范圍內(nèi)有了重大的發(fā)展。伴隨著現(xiàn)代計算機的應(yīng)用，許多工程技術(shù)人員已經(jīng)研制出了新的產(chǎn)品，同時理解了有關(guān)運輸?shù)奈锢磉^程。
隨著全球經(jīng)濟的增長，帶式輸送機技術(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)計和生產(chǎn)“環(huán)?！毙洼斔蜋C，要求輸送量超過10000t／h，并且要節(jié)約能量。輸送機技術(shù)進步的一個重要特點是基礎(chǔ)研究發(fā)展為應(yīng)用技術(shù)，進而實現(xiàn)商業(yè)化。
1 通用帶式輸送機的重要研究工作
1.1技術(shù)
     1980--2000年輸送機技術(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)用和認可常常要求商業(yè)的決定和冒險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，長4 602m；山西晉城礦務(wù)局寺河礦，長7 600m。
     毫無疑問，計算機在研究上的廣泛應(yīng)用已經(jīng)對工業(yè)有了較大的影響。回顧出版過的有關(guān)輸送機技術(shù)的著作，主要的研究與應(yīng)用技術(shù)包括：輸送機軟起動控制(S曲線起動)；摩擦和滾動損耗模擬(粘彈性)；動力學(xué)分析(波和質(zhì)量彈簧模型)；通過無損測試，監(jiān)測鋼絲繩芯輸送帶狀態(tài)：水平和垂直轉(zhuǎn)彎輸送機；助力器驅(qū)動長距離井下輸送機；接頭設(shè)計和故障研究；輸送帶清掃和翻轉(zhuǎn)；輸送帶橫向振動預(yù)測和消除；窄、高速輸送帶；大傾角和垂直輸送機；氣墊帶式輸送機；管狀輸送機；研究用實驗測試裝置的發(fā)展；拉緊裝置。
1.2改進設(shè)計和輸送機運行狀態(tài)的研究
這些研究主要包括：
(1)輸送機起動的優(yōu)化理論；
(2)輸送帶橫向振動理論的發(fā)展；
(3)橡膠損耗裝置的研究；
(4)動力學(xué)分析預(yù)測輸送帶應(yīng)力波的速度；
5)監(jiān)測輸送帶狀態(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
     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，使瞬時應(yīng)力最小化。在起動時，S曲線在輸送帶上產(chǎn)生一個可預(yù)測的動態(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“在一定的起動時間內(nèi)應(yīng)力最小問題”的一種數(shù)學(xué)解釋。這些技術(shù)用來解決軟起動問題和設(shè)計長距離、高帶速的輸送機。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。Nordell提出了拋物線速度起動曲線，Dodge的Singh提出了帶爬行段的起動過程。
1.3.2輸送帶振動理論的發(fā)展
     在1980-1984年間，對正交各向異性薄板理論的研究，對運動的輸送帶出現(xiàn)振動和彎曲現(xiàn)象有了第一次數(shù)學(xué)解釋，提供了一種準確的方法預(yù)測帶式輸送機的回程段振動的能量。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，對鋼絲繩芯輸送帶和織物帶，預(yù)測運輸段和回程段帶的振動形式需應(yīng)用不同的特殊邊界條件。該研究能進行自由共振設(shè)計并使由于托輥振動而產(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)計自由共振輸送帶。
有關(guān)輸送帶振動分析問題已經(jīng)編入“煤礦帶式輸送機設(shè)計規(guī)范”。
1.3.3滾動損耗的研究
     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。對此，在20世紀80年代以前已有許多文獻，如DIN22101和CEMA，還有輸送帶廠商的內(nèi)部計算手冊。這些文獻很大程度上利用實驗結(jié)果確定輸送帶的工作點，如托輥級別、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，進行了預(yù)測長距離和轉(zhuǎn)彎輸送機摩擦力的新研究。紐卡斯爾大學(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。這個時期，ZUR、ALLES、HAGER、BETZ、SPAANS、JONKERS、NORDELL、LODEWHKS等人寫的文章主要體現(xiàn)了對膠帶在托輥上的壓陷阻力受黏彈性影響的科學(xué)貢獻。
     SPAANS、HARRISON、ZUR、NORDELL、HAGE等的研究主要是對彎曲和有關(guān)滾動壓陷損耗的橡膠特點影響的理解。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)的該項研究能夠使得模型系統(tǒng)在設(shè)計早期被仔細審查，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、帶有水平或垂直轉(zhuǎn)彎的長距離輸送機以及長距離、大運量下運輸送機。
1.3.4 動力學(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，對于波動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)力各個模態(tài)的幅值，對于有限元模型，當(dāng)運用大量的運算來模擬應(yīng)力時若元素邊界錯誤就可能出現(xiàn)問題，并且元素的模數(shù)會變成臨界的模數(shù)。應(yīng)用波動模型需要較多的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而質(zhì)量—彈簧模型更易于用速度快、內(nèi)存大的計算機來處理。
     在1980-2000年間，出現(xiàn)了有關(guān)這個主題的新研究。在國內(nèi)，有關(guān)帶式輸送機動力學(xué)分析的問題也得到廣泛的重視，太原重型機械學(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“大型帶式輸送機動態(tài)過程的研究”(1996)之后完成了動力學(xué)分析軟件的開發(fā)，并于2001年對該軟件進行了進一步的開發(fā)，建立了完整的動力學(xué)模型和穩(wěn)定的數(shù)值分析方法。該軟件已經(jīng)在工程實際中應(yīng)用。
     動力學(xué)分析能估算包括在起動或停車過程中的有關(guān)結(jié)構(gòu)、滾筒和輸送帶載荷。對于長距離大張力的輸送機，該方法是可靠性設(shè)計的重要部分，這已被工業(yè)界廣泛地采用。通過動力學(xué)研究已經(jīng)開發(fā)出許多計算機程序。
(1)波動方程求解
    在1982年，HARRISON第一次闡述了輸送帶的波動方程求解。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波動方程的特征函數(shù)，并將靜態(tài)解(穩(wěn)定運行張力)和動態(tài)解疊加。可用于輸送帶應(yīng)力波速的精確預(yù)測。波動模型不能很好地處理運動的邊界(拉緊)，且運用它需要特殊的條件。不過，波動模型作為支持設(shè)計的工具已經(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)計算不穩(wěn)定、產(chǎn)生錯誤的預(yù)測。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)出計算機程序。
(3)世界范圍的研究
     在動力學(xué)分析方面，隨著計算機速度的急劇增快，使復(fù)雜的計算成為可能。下列機構(gòu)具有開發(fā)動力學(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)；美國輸送機動力學(xué)公司(CDI)：Beltflex；美國輸送機技術(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)明了一種新的測試方法并獲得專利，該方法可以在非接觸狀態(tài)下對鋼絲繩芯輸送帶進行檢測，監(jiān)測斷繩和鋼絲繩接頭，預(yù)報可能發(fā)生的損壞。
第一次對鋼絲繩芯輸送帶實現(xiàn)非破壞測試是在澳大利亞(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)用信號分析理論進一步發(fā)展了標準的測試和檢驗方法，實際上已經(jīng)用于鋼絲繩制造的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。其美國專利為4439731和4864233。
     這項技術(shù)的應(yīng)用使對有危險的和高張力鋼絲繩芯輸送帶的監(jiān)測成為可能，可對輸送帶的安全性能進行檢驗。通過磁場狀況和接頭條件覆蓋層磨損情況可以檢測出各種制造缺陷，例如鋼絲繩的布置間距。
1.3.6 接頭測試與測試裝置
     從3個方面對接頭進行研究，特別是對高強度(鋼絲繩芯)輸送帶，研究重點是對大型接頭設(shè)計的理解、破壞試驗裝置和優(yōu)化接頭強度。包括接頭破壞試驗裝置、幾何和機械設(shè)計、動力學(xué)效應(yīng)測試和研究。
漢諾威大學(xué)最早開始接頭動力學(xué)強度的研究，它的一部分內(nèi)容是確定接頭壽命和尋求降低輸送帶強度的方法。他們建立了實驗臺用于研究和測試接頭疲勞強度和尋求提高接頭強度的方法。
     目前只有有限的實例用理論進行接頭設(shè)計，但工業(yè)界有提高接頭強度的要求。另外，對粘接和等強度問題也進行了廣泛的研究。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，并進行了實驗研究。主要工作包括：(1)托輥等效質(zhì)量的理論計算；(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 特種帶式輸送機系統(tǒng)的研究
2.1 鋼絲繩牽引帶式輸送機
     1980年以前鋼絲繩牽引帶式輸送機已經(jīng)廣泛用于長距離、大提升高度場合。這種輸送機用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能夠廣泛應(yīng)用于礦山和物料搬運企業(yè)的原因是：適用于長距離輸送，在地形限制下可以實現(xiàn)水平轉(zhuǎn)彎，輸送帶維護方便、易于更換。在過去的20年里，鋼絲繩牽引帶式輸送機公司(Svedala)，在以下幾方面發(fā)展了鋼絲繩牽引帶式輸送機系統(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)輸送帶加強網(wǎng)；(4)水平曲線單元：(5)研究繩的覆蓋層和紡綸加強繩。
2.2管狀和垂直提升輸送機
     出于環(huán)境保護的原因，出現(xiàn)了管狀帶式輸送機，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)管狀帶式輸送機研究及開發(fā)始于20世紀80年代初期。
2.3助力驅(qū)動帶式輸送機
     各種形式的助力驅(qū)動帶式輸送機已成為井下采用的普通設(shè)備，特別是在美國。輸送機的驅(qū)動布置在輸送帶的多個部位上以減小輸送帶張力，輸送過程中也可以實現(xiàn)輸送機卸料。采用這種方法建造的長距離輸送機可以使用低抗拉強度的輸送帶，取代單獨驅(qū)動時需要的強力輸送帶。
     高生產(chǎn)率的長壁開采開始時需要一個長距離輸送機(>5km)，隨著開采的后退輸送機的長度需要縮短。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、倉儲環(huán)和獨立的驅(qū)動站。
對這種長距離、多驅(qū)動系統(tǒng)進行動力學(xué)控制的研究，需要特別考慮輸送機的工作條件，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力學(xué)控制方面。
2.4 輸送帶翻轉(zhuǎn)
     輸送帶翻轉(zhuǎn)對控制平面轉(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。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)段的強度和撓度問題。
2.5 滾筒的發(fā)展
     滾筒強度的分析與設(shè)計和壽命分析是輸送機設(shè)計的一個重要方面。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)代大型高強度滾筒的設(shè)計同樣需要采用有限元法。CEMA已經(jīng)改進了滾筒強度的計算式。
2.6 氣墊帶式輸送機
     國內(nèi)氣墊帶式輸送機的研究始于20世紀80年代，進行了大量的實驗研究，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熱，發(fā)表了氣墊帶式輸送機的設(shè)計方法。
東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院 宋偉剛
北京起重運輸機械研究所 張尊敬
太原重型機械學(xué)院 王 鷹
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