李明霞，張明鑫，王長飛，李先磊

（1.青島華夏橡膠工業(yè)有限公司，山東青島 266228；2.中國檢驗認(rèn)證集團山東有限公司，山東青島 266073）

氣墊帶式輸送機是20 世紀(jì)70 年代荷蘭首先研制成功的。世界上第1 臺小型氣墊輸送機的帶寬為500 mm，機長約13 m。經(jīng)過運轉(zhuǎn)，取得了托輥膠帶輸送機難以達(dá)到的指標(biāo)，如摩擦系數(shù)降低到0.02～0.002。氣墊帶式輸送機因其所特有的承載、輸送機理體現(xiàn)出節(jié)能性、安全性、經(jīng)濟性和綜合社會效益等幾個方面的優(yōu)勢，日益引起人們的重視，并逐步向長距離、大運量方向發(fā)展[1]。早在1986 年，我國輸送機廠家制造的氣墊帶式輸送機就在輸煤系統(tǒng)得到成功應(yīng)用的先例。最大輸送量629 t/h 的氣墊帶式輸送機在北京礦務(wù)局王村平莊煤礦投產(chǎn)運行，至今使用良好。據(jù)測試數(shù)據(jù)驗證：氣墊形成良好，運行阻力比托輥輸送機小2～3 倍，運行平穩(wěn)可靠，能帶負(fù)荷啟動；間斷給煤（給煤量波動范圍達(dá)30%）也未影響正常運行[2]?，F(xiàn)有10 余條電廠輸煤系統(tǒng)使用氣墊帶式輸送機（全部國產(chǎn)），最大輸送能力為1 000 t/h[3]。

輸送帶作為氣墊帶式輸送機的核心關(guān)鍵部件，是氣墊帶式輸送機必不可少的部分。由于受輸送帶技術(shù)限制，長距離、大運量氣墊帶式輸送機受到限制，開展新型鋼絲繩芯輸送帶結(jié)構(gòu)設(shè)計并采取一定的柔性措施，提高鋼絲繩芯輸送帶橫縱向柔性，提高輸送帶成槽性，降低彈性模量，使其能成功應(yīng)用到長距離、大運量輸煤系統(tǒng)氣墊帶式輸送機中具有重要的研究意義。

1 氣墊式輸送機

1.1 工作原理

氣墊式輸送機是用薄氣膜支承輸送帶及其上物料的帶式輸送機，將托輥帶式輸送機的托輥用帶孔的氣室代替，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1 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)的氣膜支承，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，減小了運行阻力，帶來了很多優(yōu)點[4]。

1.2 對比優(yōu)勢

1）氣墊式輸送機由于采用氣膜支撐輸送帶，運行阻力顯著降低。一般情況下，傳統(tǒng)帶式輸送機的模擬摩擦阻力系數(shù)為0.015～0.035，而氣墊式輸送機的模擬摩擦阻力系數(shù)為0.006～0.012。水平輸送的氣墊帶式輸送機驅(qū)動裝置能耗加風(fēng)源能耗比通用帶式輸送機減少10%～30%，節(jié)能效果比較顯著。

2）由于氣墊式輸送機運行阻力小。輸送帶的張力大大降低，輸送帶的強度可大幅下降；同時輸送帶磨損顯著降低，輸送帶使用壽命可延長1 倍以上。

3）因輸送帶由連續(xù)介質(zhì)（空氣氣膜）支撐，所以物料在輸送過程中非常平穩(wěn)，不會發(fā)生拋撒和攪混現(xiàn)象，特別適用于高速運行，最高帶速可達(dá)8 m/s 以上，有利于文明生產(chǎn)。

4）氣膜具有自動對中性。輸送帶始終處于氣室盤槽中心線（盤槽最低處）運行，輸送帶不跑偏，不存在因輸送帶跑偏造成的撕裂問題。

5）氣墊式輸送機在盤槽中運行，避免了輸送帶與人的接觸，具有極好的安全性，有利于安全生產(chǎn)。

6）氣墊式輸送機結(jié)構(gòu)簡單，氣室是固定件不易磨損；而普通帶式輸送機的托輥是運動件易磨損，需要經(jīng)常更換。若帶式輸送機的使用壽命為5 年，則每千米輸送機每年可節(jié)省托輥維修費用10 萬元以上。

7）氣墊式輸送機為全密封結(jié)構(gòu)，輸送帶和物料被完全密封，不僅有利于防雨、防塵，潔凈工作環(huán)境，而且新建項目可省去基礎(chǔ)面以上的棧橋頂蓋及兩側(cè)建筑，節(jié)省基礎(chǔ)投資。

8）氣墊式輸送機電機裝機功率小。普通帶式輸送機在滿負(fù)荷啟動時，不但需要克服帶式輸送機物料的慣性阻力，而且還要克服大量托輥由靜止到轉(zhuǎn)動的慣性阻力以及輸送帶與托輥的機械摩擦阻力。這就要求普通帶式輸送機的驅(qū)動電機必須有較大的功率儲備，否則事故停機后（輸送帶上堆滿物料）將無法啟動。機長越長、電機的功率儲備就越大。而氣墊式輸送機啟動時，輸送帶及物料被氣膜托起，其靜摩擦阻力很小，驅(qū)動電機只須克服帶式輸送機物料的慣性阻力。因此，驅(qū)動電機不需要很大的功率儲備就能達(dá)到滿載啟動。

9）對于上運輸送的工況，逆止安全可靠；對于下運輸送的工況，停機后輸送帶無下滑現(xiàn)象。

1.3 氣墊式輸送機分類

氣墊帶式輸送機的結(jié)構(gòu)型式分為半氣墊型（僅上分支輸送帶以氣墊支承）和全氣墊型（上、下分支輸送帶均采用氣墊支承）2 類。

1）半氣墊型。敞開式結(jié)構(gòu)的上部承載結(jié)構(gòu)為氣室，下部仍然采用回程托輥。該結(jié)構(gòu)為國內(nèi)使用較為廣泛的結(jié)構(gòu)，主要適用于室內(nèi)和有輸送機走廊的場合。密封式結(jié)構(gòu)是在敞開式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，在氣室上方加防雨罩并加上密封條密封起來。輸送過程中物料不受環(huán)境及氣候的影響，用于露天防雨及輸送易飛揚的粉狀物料如煤粉、水泥以及糧食等場合，半氣墊加罩型（密封式）氣墊機如圖1。

圖1 半氣墊加罩型（密封式）氣墊機

2）全氣墊型。敞開式結(jié)構(gòu)是在承載和回程分支采用全氣墊支承。它能充分體現(xiàn)氣墊機的優(yōu)點，但設(shè)備造價較高，質(zhì)量較重，全氣墊型（敞開式）氣墊機如圖2。密封式結(jié)構(gòu)是在敞開式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，在氣室上加密封罩。

1.4 氣墊式輸送機運行阻力分析

氣墊機傳動滾筒上所需圓周力FM系主要阻力FH、附加阻力FN、特殊阻力FS和傾斜阻力FSt之和。

對于均勻而連續(xù)加載的氣墊帶式輸送機，可按下列公式計算：

圖2 全氣墊型（敞開式）氣墊機

式中：δ 為輸送機傾角，（°）；qG為每米長度輸送物料的質(zhì)量，kg/m；qB為每米長度輸送帶質(zhì)量（kg/m）；qRO為承載分支每米長度托輥轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量，kg/m；qRU為回程分支每米長度托輥轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量，kg/m；fA為氣墊的運行阻力系數(shù)；fi為托輥的運行阻力系數(shù)；L為輸送機長度，m；LA為氣墊機氣室段支承的長度，m；Li為氣墊機托輥段支承的長度，m；g 為重力加速度，9.81 m/s2；ρ 為物料的堆積密度，kg/m3。

式中：IV為體積輸送量，m3/s；ν 為帶速，m/s。

對于長距離氣墊機（一般長度大于80 m），附加阻力明顯小于主要阻力，因此可以引入一個取決于氣墊機長度的附加阻力系數(shù)C，可按下式簡化計算：

式中：C 為附加阻力系數(shù)，其值須大于1.02；H為加料段與卸料段之間的高度差，m。

對于傾角<18°的氣墊機，可以認(rèn)為cosδ≈1，進行簡化計算[5]。

1.5 氣墊輸送帶選型要求

結(jié)合氣墊輸送機運行阻力分析，與普通帶式輸送機對比，氣墊帶式輸送機整機運行阻力下降。根據(jù)氣墊輸送機氣膜形成理論研究和行為分析[6－7]，氣墊輸送機節(jié)能運行的前提必須保證輸送帶與盤槽之間形成穩(wěn)定的氣膜。為了保證輸送帶與盤槽之間形成穩(wěn)定的氣膜，則輸送帶的成槽性要求高，與盤槽底面能緊密貼合。所以在氣墊輸送帶選型中通常會選用骨架材料層數(shù)少，厚度小的織物芯輸送帶。

對于長距離、大運量煤炭系統(tǒng)，要求輸送帶強度高，而由于織物芯輸送帶的層數(shù)限制，且織物芯輸送帶會在使用過程中在牽引張力的的作用下產(chǎn)生較大的不可恢復(fù)性伸長，產(chǎn)生設(shè)備打滑，影響傳動滾筒驅(qū)動，不能滿足長距離輸送要求。高強度織物芯輸送帶由于骨架材料剛性太大，成槽性差，會導(dǎo)致輸送帶無法與盤槽間形成穩(wěn)定的氣膜，在氣墊式輸送機中的應(yīng)用受到限制。普通鋼絲繩芯輸送帶由于質(zhì)量大、橫向剛性大問題，也無法和盤槽間形成穩(wěn)定的氣膜，使氣墊式輸送機在長距離、大運量、高強度輸煤系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。

為滿足長距離、大運量輸煤系統(tǒng)的需要，需要設(shè)計新型鋼絲繩輸送帶，優(yōu)化橡膠柔性，降低內(nèi)應(yīng)力，大幅度提高成槽性，使鋼絲繩芯輸送帶與盤槽間形成穩(wěn)定的氣膜，在保證整體帶體強度的前提下有效降低輸送帶的整體質(zhì)量和運行阻力，使鋼絲繩芯輸送帶適宜于輸煤系統(tǒng)用氣墊帶式輸送機。

2 HHE 鋼絲繩芯氣墊輸送帶設(shè)計

青島華夏橡膠研發(fā)的HHE 鋼絲繩芯氣墊輸送帶，采用了專業(yè)化結(jié)構(gòu)和特殊性能設(shè)計，具有帶體強度高、帶體薄、質(zhì)量輕、疲勞壽命長、耐磨、壓陷變形小[8]等顯著優(yōu)勢，解決了高強度輸煤系統(tǒng)輸送帶與盤槽間無法形成穩(wěn)定氣膜的行業(yè)難題。

2.1 輸送帶骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和排布設(shè)計

普通鋼絲繩芯輸送帶設(shè)計，骨架材料鋼絲繩直徑大，鋼絲繩排布間距大，適用于托輥式輸送機，在惡劣工況條件時，托輥給鋼絲繩帶來強制外力損傷時，可盡量保證鋼絲繩的完好，減少鋼絲繩斷裂風(fēng)險。

氣墊用輸送機無托輥，使用氣膜支撐輸送帶，不會出現(xiàn)因托輥導(dǎo)致的鋼絲繩斷裂風(fēng)險，采用小直徑多根鋼絲繩排布方式，是輸送帶整體受力更均布，輸送帶自身質(zhì)量分布更均勻，有利于氣墊式輸送機氣膜的形成。

以ST3500 和HHE3500 為例，鋼絲繩直徑下降42%，鋼絲繩根數(shù)提高163%，鋼絲繩直徑和鋼絲繩根數(shù)見表1。

表1 ST3500 和HHE3500 參數(shù)對比

2.2 輸送帶用鋼絲繩特殊設(shè)計

普通輸送帶用鋼絲繩每根鋼絲繩最多由133 股編織而成，單股鋼絲直徑大，使用的材質(zhì)為普通型號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，捻距大，導(dǎo)致鋼絲繩整體剛性大。

HHE 輸送帶用鋼絲繩采用定制設(shè)計，每根鋼絲繩最多用190 股編織而成，單股鋼絲直徑小，使用的材質(zhì)為更高型號的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)熱處理后，單絲強度大，彈性好。捻距小，鋼絲繩整體柔性優(yōu)異。ST3500 和HHE3500 參數(shù)對比見表1。

2.3 輸送帶輕量化設(shè)計

在煤炭載入輸送帶上時，煤炭在水平方向一般無速度，會與輸送帶形成相對運動，從而產(chǎn)生摩擦磨損。在設(shè)計使用壽命相同的條件下，通過配方設(shè)計提高HHE 輸送帶耐物料摩擦磨損性能，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計降低輸送帶運行中的磨損，根據(jù)氣墊輸送機特性優(yōu)化覆蓋層厚度，以達(dá)到降低覆蓋層厚度、輸送帶輕量化的目的。

HHE 鋼絲繩芯輸送帶使用高耐磨和超高耐磨覆蓋膠。普通的ST 鋼絲繩輸送帶覆蓋膠DIN 磨耗≤200 mm3，而HHE 鋼繩芯帶高耐磨覆蓋膠DIN磨耗≤90 mm3，覆蓋膠耐磨性能提高了55%；HHE鋼繩芯帶超高耐磨覆蓋膠DIN 磨耗≤60 mm3，覆蓋膠耐磨性能提高了70%[9]。

ST 輸送帶鋼絲繩根數(shù)少，鋼絲繩間距大，每根鋼絲承受應(yīng)力大，鋼絲部位凸出于表面，壓陷變形量大，磨損加重。使用一段時間后，鋼絲繩部位的覆蓋膠磨損嚴(yán)重，鋼絲繩先從帶面露出。

HHE 輸送帶優(yōu)化內(nèi)部鋼絲繩排布，鋼絲繩根數(shù)增多，鋼絲繩間距減小，壓陷變形量小，減少鋼絲繩凸出與物料的磨損。

以ST3500 和HHE3500 對比為例：帶寬1 800 mm，安全系數(shù)為8。ST3500 每米質(zhì)量65 kg，每根鋼絲繩承受拉力平均值為6 731 N；HHE3500 每米質(zhì)量45 kg，每根鋼絲繩承受拉力平均值為2 557 N。HHE3500對比ST3500 質(zhì)量下降31%，每根繩承受的拉力平均值下降62%，使輸送帶受力分布均勻性有了顯著性提高。

2.4 膠料柔性設(shè)計和橫縱向彈性模量檢測

為滿足氣墊式輸送機能形成穩(wěn)定氣膜的要求，除鋼絲繩特殊設(shè)計提高柔性外，對鋼絲繩芯膠和覆蓋膠的柔性也進行了定制設(shè)計。

通過采用大分子本身有較高柔性的高彈性橡膠并用，提高芯膠和覆蓋膠的彈性和柔性。補強體系采用硬質(zhì)炭黑、軟質(zhì)炭黑和納米層狀硅酸鹽材料并用，既提高橡膠的物理機械性能，又保證了橡膠的柔性。增塑體系采用石油系增塑劑和煤焦油系增塑劑并用，降低橡膠分子鏈間的作用力，增加膠料的可塑性、流動性、黏著性，賦予硫化膠較高的彈性和柔性，較低的生熱，提高耐寒柔性。

通過輸送帶中鋼絲繩結(jié)構(gòu)及排列設(shè)計、輕量化設(shè)計、膠料柔性設(shè)計，使HHE 鋼絲繩芯輸送帶的彈性模量有了明顯下降，使鋼絲繩芯輸送帶的橫向和縱向柔性都有了進一步的提高，適用于氣墊輸送帶的要求，擴展了氣墊式輸送機在長距離、大運量工況的應(yīng)用領(lǐng)域。

由ST 和HHE 縱向、橫向彈性模量對比檢測圖（圖略）得到的ST 和HHE 彈性模量對比表見表2。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，進行對比分析，HHE 縱向彈性模量比ST 下降21.7%；HHE 橫向彈性模量比ST 下降54.8%。彈性模量實測數(shù)據(jù)對比結(jié)果充分證明，HHE縱向和橫向柔性都優(yōu)于ST。

表2 ST 和HHE 彈性模量對比表

2.5 HHE3500在氣墊式輸送機應(yīng)用測試

為驗證HHE 氣墊輸送帶使用效果，搭建長度為9.5 m 的氣墊式輸送機試驗臺。輸送帶型號為HHE3500，帶寬為1 800 mm。運載物料為煤炭。載重2 000 kg。

啟動設(shè)備供氣后，輸送帶與盤槽間形成穩(wěn)定氣膜。使用電子拉力計對其啟動時拉力和運行時拉力進行檢測，啟動拉力和運行拉力實測記錄表見表3。

表3 啟動拉力和運行拉力實測記錄表

實測啟動時拉力平均值為128.6 N，計算得摩擦系數(shù)為0.006 3；運行時拉力平均值為79.9 N，計算得摩擦系數(shù)為0.003 9。遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)托輥帶式輸送機模擬摩擦系數(shù)0.015～0.035，在啟動和運行阻力方面，節(jié)能效果顯著。

2.6 花紋類型設(shè)計

雖然氣墊式輸送機的輸送傾角可比普通帶式輸送機大3°～ 5°，但是在超過各種物料最大輸送傾角的輸送機設(shè)計時，仍需要考慮使用花紋氣墊輸送帶?？椢镄净y輸送帶，由于鑲嵌花紋導(dǎo)致非工作面平整度差，使其無法與盤槽之間形成穩(wěn)定的氣膜，不適用于氣墊式輸送機。

HHE 鋼絲繩芯花紋輸送帶，由于骨架材料挺性好，只要花紋類型選擇得當(dāng)，花紋膠彈性和柔性好，鑲嵌的花紋就不會導(dǎo)致非工作面平整度下降，可以與盤槽之間形成穩(wěn)定的氣膜，可適用于氣墊式輸送機。

經(jīng)過多個花紋篩選和試用，優(yōu)化出花紋類型，經(jīng)測試，HHE 鋼絲繩花紋輸送帶柔性好，實測成槽度為0.38。為驗證HHE 花紋氣墊輸送帶使用效果，搭建長度為12 m 的氣墊式輸送機試驗臺。輸送帶型號為HHE1 600，帶寬1 200 mm。啟動設(shè)備供氣后，輸送帶與盤槽間可形成穩(wěn)定氣膜。

3 應(yīng)用案例

青島華夏橡膠工業(yè)有限公司生產(chǎn)的帶寬1 800 mm，HHE3500 為代表的HHE 鋼絲繩芯氣墊輸送帶，成功應(yīng)用于輸送量達(dá)到4 500 t/h 的節(jié)能環(huán)保大運量輸煤氣墊帶式輸送系統(tǒng)中（氣墊輸送機為河南天隆輸送裝備有限公司制造）。目前，國外輸煤系統(tǒng)的氣墊帶式輸送機最大運輸量為2 500 t/h，HHE 鋼絲繩芯氣墊帶式輸送機煤炭運輸量已達(dá)4 500 t/h。帶寬1 200 mm，HHE1600 鋼絲繩芯花紋氣墊輸送帶成功應(yīng)用于大傾角輸煤系統(tǒng)中。

4 結(jié)語

氣墊式輸送機是在傳統(tǒng)托輥帶式輸送機上的再一次跨越，使物料的帶式運輸由傳統(tǒng)的開放型轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]化、輕量化、集約化運輸，提高了設(shè)備運行穩(wěn)定性，大大降低了輸煤系統(tǒng)現(xiàn)場粉塵、噪音污染，符合國家綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。自主開發(fā)的HHE 氣墊輸送帶充分應(yīng)用鋼絲繩技術(shù)革新和新型納米材料技術(shù)，是ST 輸送帶的升級換代產(chǎn)品，解決了以往高強度輸送帶帶體重、成槽差、剛性大、無法與盤槽間形成穩(wěn)定氣膜的問題，為氣墊帶式輸送機提供了高強度、輕量化的配套輸送帶，助推氣墊帶式輸送機在長距離、大運量輸煤運輸領(lǐng)域的應(yīng)用。