王偉星

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和產(chǎn)品需求量的增加，物料的運(yùn)輸效率成為一項(xiàng)重要的影響指標(biāo)。尤其對(duì)塊狀物料、顆粒狀物料和散狀物料而言，運(yùn)用輸送機(jī)傳輸是提高物料運(yùn)輸效率的最有效手段[1]。在各種類型的輸送機(jī)中，帶式輸送機(jī)是一種使用最普遍、應(yīng)用最廣泛的輸送機(jī)。原因是帶式輸送機(jī)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，而且物料輸送量大，適合多種物料運(yùn)輸和長(zhǎng)距離運(yùn)輸。在帶式輸送機(jī)的整體結(jié)構(gòu)中，溜槽具有極其重要的作用[2]。在傳送帶運(yùn)輸?shù)哪┒?，物料因自重的原因此向下拋落，同時(shí)物料隨輸送機(jī)產(chǎn)生的傳輸速度會(huì)和自由落體運(yùn)動(dòng)復(fù)合在一起，形成一種合成的運(yùn)動(dòng)方式[3]。如果不設(shè)置溜槽或溜槽的設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)導(dǎo)致物料大范圍、不規(guī)則拋落，影響后續(xù)的物料收集或?qū)χ車脑O(shè)備、環(huán)境造成載荷沖擊和破壞。因此，該文針對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行溜槽設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真分析判斷其設(shè)計(jì)的合理性。

1 物料脫離輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析

經(jīng)過(guò)一定距離的輸送，物料離開(kāi)輸送機(jī)的傳送帶時(shí)會(huì)帶有一定的速度，形成繼續(xù)向前的加速度。同時(shí)因?yàn)槭チ舜怪毕虻闹巫饔?，所以其?huì)因自重而形成垂直向的速度和加速度。2 個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)合成效果會(huì)導(dǎo)致物料向前下方拋射。這時(shí)，為其配置溜槽是一種合理的選擇。一方面，溜槽可以承接拋射散落的物料，使物料輸送過(guò)程更完整。另一方面，溜槽可以縮短物料垂直向的下落距離，降低物料可能形成的沖擊載荷。

在溜槽的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮物料脫離輸送機(jī)傳送帶時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，這又與帶式輸送機(jī)的滾筒尺寸、傳送帶轉(zhuǎn)速、物料的種類和物理性征有關(guān)。帶式輸送機(jī)物料脫離傳送帶時(shí)臨界狀態(tài)示意圖如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)物料脫離傳送帶時(shí)的臨界狀態(tài)

從圖1 可以看出，中間的粗線圓代表了帶式輸送機(jī)的滾筒構(gòu)件，與其相切的上、下2 個(gè)帶有網(wǎng)格剖面線的條狀物代表了傳送帶，頂部傳送帶上不規(guī)則的散狀物代表了輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)奈锪稀Ｆ叫杏陧敳總魉蛶У募^方向代表了物料的速度方向，其下方的弧形箭頭代表了物料脫離傳送帶后形成的可能拋落方向。

取傳送帶上物料中的一個(gè)小單元dm，其被傳送過(guò)程中所受的離心力大小如公式（1）所示。

式中：參數(shù)FR為物料所受的離心力的大?。粎?shù)R為帶式輸送機(jī)滾筒的半徑；參數(shù)m為物料的質(zhì)量；參數(shù)φ為物料和滾筒圓心連線以及垂直向形成的夾角；參數(shù)vφ為物料的離心速度。

當(dāng)物料處在即將脫離傳送帶的臨界狀態(tài)時(shí)，其所受的重力徑向分量的計(jì)算如公式（2）所示。式中：參數(shù)GR為物料所受重力的徑向分量；參數(shù)m為物料的質(zhì)量；參數(shù)g為重力加速度常數(shù)；參數(shù)φ為物料和滾筒圓心連線以及垂直向形成的夾角；參數(shù)cosφ為角度φ的余弦值。

根據(jù)物料在即將脫離傳送帶的臨界狀態(tài)時(shí)徑向所有受力達(dá)成的平衡狀態(tài)，可以得到公式（3）。式中：參數(shù)GR為物料所受重力的徑向分量；參數(shù)FR為物料所受的離心力的大??；參數(shù)FN為帶式輸送機(jī)傳送帶給物料提供的法向支持力。

當(dāng)物料恰好脫離傳送帶時(shí)，會(huì)失去傳送帶提供的支持力，其在臨界點(diǎn)的分離速度滿足公式（4）。

式中：參數(shù)vr為物料在臨界點(diǎn)的分離速度；參數(shù)R為帶式輸送機(jī)滾筒的半徑；參數(shù)g為重力加速度常數(shù)；參數(shù)φr為物料和滾筒圓心連線以及垂直向形成的夾角的徑向分量；參數(shù)cosφr為角度φr的余弦值。

2 2種型號(hào)的輸送機(jī)溜槽設(shè)計(jì)

在物料傳送的過(guò)程中，溜槽是帶式輸送機(jī)非常常見(jiàn)的輔助組件。溜槽的存在不僅可以使物料輸送過(guò)程保持完整，還可以承接脫離輸送帶拋落的物料，盡可能減少物料的拋落距離、控制物料的末期軌跡、調(diào)整物料的拋落速度以及減少物料拋落過(guò)程中對(duì)傳送帶的沖擊和破壞等。因此，溜槽的設(shè)計(jì)是帶式輸送機(jī)整體設(shè)計(jì)中重要的組成部分。

在溜槽設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要盡可能滿足如下原則：

第一，如果溜槽是前、后2 個(gè)傳送帶的連接部分，當(dāng)溜槽承接前一部分傳送帶物料拋落時(shí)，應(yīng)該盡量將物料引導(dǎo)到傳送帶的中心并且盡可能控制物料在溜槽上的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，使其和后一部分傳送帶的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向相一致。

第二，溜槽的平面線形要平滑，承接區(qū)域面積要足夠?qū)掗?，以避免物料著落的過(guò)程中出現(xiàn)堵塞和向溜槽外散落的情況。

第三，溜槽的承接距離要適中，盡可能降低沖擊載荷，同時(shí)減少物料揚(yáng)塵。

第四，溜槽的整體結(jié)構(gòu)要盡可能簡(jiǎn)潔，便于安裝和后期維護(hù)。

根據(jù)上述原則，該文設(shè)計(jì)出直線型的溜槽結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖2所示。

圖2 第一種溜槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果示意

圖2 中，水平軸線代表了X方向，單位為m，圖2 中以0.5m 為均勻間隔；垂直軸線代表了Y方向，單位為m，圖2 中以0.5m 為均勻間隔；垂直版面方向?yàn)閆方向，代表了溜槽截面的寬度。

圖2 中，左上圓為帶式輸送機(jī)的滾筒，其上回轉(zhuǎn)的傳送帶與水平方向傾斜15 度角。傳送帶上的物料經(jīng)過(guò)導(dǎo)料槽脫離和傳送帶接觸，突破臨界狀態(tài)后向前下方拋射，形成拋物線式拋料軌跡。隨后物料進(jìn)入溜槽面，被其承載。

從圖2 還可以看出，該文為直線型溜槽結(jié)構(gòu)共設(shè)計(jì)了5 種結(jié)構(gòu)，分別為溜槽面和水平方向成30 度夾角的情況、溜槽面和水平方向成35 度夾角的情況、溜槽面和水平方向成40 度夾角的情況、溜槽面和水平方向成45 度夾角的情況以及溜槽面和水平方向成50 度夾角的情況。在后續(xù)的仿真試驗(yàn)中將對(duì)這5 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

進(jìn)一步設(shè)計(jì)出直線和圓弧配合型的溜槽結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 第二種溜槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果示意

圖3 中，水平軸線代表了X方向，單位為m，圖3 中以0.5m 為均勻間隔；垂直軸線代表了Y方向，單位為m，圖3 中以0.5m 為均勻間隔；垂直版面方向?yàn)閆方向，代表了溜槽截面的寬度。

圖3 中，左上圓為帶式輸送機(jī)的滾筒，其上回轉(zhuǎn)的傳送帶與水平方向傾斜15 度角。傳送帶上的物料經(jīng)過(guò)導(dǎo)料槽脫離和傳送帶接觸，突破臨界狀態(tài)后向前下方拋射，形成拋物線式拋料軌跡。隨后物料進(jìn)入溜槽面，被其承載。

從圖3 還可以看出，第二種溜槽結(jié)構(gòu)分為2 個(gè)部分，一部分是直線型結(jié)構(gòu)，另一部分是圓弧配結(jié)構(gòu)，二者通過(guò)融合形成一個(gè)整體。如圖3 所示，直線部分的溜槽面長(zhǎng)度用S表示，圓弧部分的溜槽面弧度半徑用R表示，其弧度面切線和水平方向夾角用a表示。通過(guò)調(diào)整弧度半徑R的大小，即可以改變第二種溜槽結(jié)構(gòu)的特征，從而形成不同的物料承接、物料速度調(diào)整性能。

3 2種型號(hào)的溜槽性能仿真分析

上述從物料的角度對(duì)其脫離傳送帶表面時(shí)的臨界運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了分析，并分別設(shè)計(jì)了2 種溜槽結(jié)構(gòu)以做好物料脫離傳送帶后的承接和調(diào)整控制工作。接下來(lái)，該文從仿真分析的角度對(duì)2 種溜槽結(jié)構(gòu)對(duì)物料的調(diào)整能力進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而形成對(duì)比分析，確定哪一種溜槽結(jié)構(gòu)更適合帶式輸送機(jī)。

首先，對(duì)第一種溜槽即直線型溜槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能測(cè)試，其對(duì)物料速度的調(diào)整控制曲線如圖4 所示。

圖4 第一種溜槽結(jié)構(gòu)對(duì)物料速度的控制效果

圖4 中，水平軸線代表了溜槽的傾斜角度，單位是度，以5 度為均勻間隔排列；垂直軸線代表了物料進(jìn)入溜槽后的速度變化，單位是m/s，以1.0m/s 均勻間隔排列；粗實(shí)線代表了物料進(jìn)入溜槽后被調(diào)整的總速度；點(diǎn)劃線代表了物料進(jìn)入溜槽后被調(diào)整的水平速度；虛線代表了物料進(jìn)入溜槽后被調(diào)整的垂直速度。

從圖4 可以看出，隨著直線型溜槽傾斜角度的增大，物料進(jìn)入溜槽面后的垂直向速度持續(xù)增加，可見(jiàn)傾斜角度越大，直線型溜槽面受到的沖擊就越大；隨著直線型溜槽傾斜角度的增大，物料進(jìn)入溜槽面后的水平向速度緩慢下降，可見(jiàn)傾斜角度的改變對(duì)物料水平向速度的變化影響不大；隨著直線型溜槽傾斜角度的增大，物料進(jìn)入溜槽面后的總速度分段緩慢增加。

其次，對(duì)第一種溜槽即直線型溜槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能測(cè)試，其對(duì)物料速度的調(diào)整控制曲線如圖5 所示。

圖5 第二種溜槽結(jié)構(gòu)對(duì)物料速度的控制效果

圖5 中，水平軸線代表了溜槽的圓弧部分的半徑，單位mm，以200mm 為均勻間隔排列；垂直軸線代表了物料進(jìn)入溜槽后的速度變化，單位是m/s，以1.0m/s 均勻間隔排列；粗實(shí)線代表了物料進(jìn)入溜槽后被調(diào)整的總速度；點(diǎn)劃線代表了物料進(jìn)入溜槽后被調(diào)整的水平速度；虛線代表了物料進(jìn)入溜槽后被調(diào)整的垂直速度。

從圖5 可以看出，隨著直線圓弧型溜槽弧度半徑的增大，物料進(jìn)入溜槽面后的垂直向速度緩慢下降，并在1000mm半徑大小以后基本穩(wěn)定不變；隨著直線圓弧型溜槽弧度半徑的增大，物料進(jìn)入溜槽面后的水平向速度先緩慢增加，并在850mm 半徑大小以后緩慢下降；物料進(jìn)入溜槽面后的水平向速度和總速度總體相差不大，并在850mm 半徑大小以后基本重合。

對(duì)比圖4 和圖5 可以看出，直線圓弧型溜槽結(jié)構(gòu)性能更好。一方面，直線圓弧型溜槽承接物料后的調(diào)整速度整體上比純直線型溜槽下降1m/s。另一方面，直線圓弧形溜槽承接物料得到的調(diào)整速度非常穩(wěn)定。

4 結(jié)論

帶式輸送機(jī)對(duì)物料運(yùn)輸具有重要意義，可以提高物料運(yùn)輸速度和運(yùn)輸效率。該文以帶式輸送機(jī)的溜槽組件為研究對(duì)象，首先從物料脫離傳送帶表面的臨界狀態(tài)入手，分析了物料其后的運(yùn)行規(guī)律和相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其次在物料運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)了2 種溜槽結(jié)構(gòu)，一是直線型溜槽，二是直線圓弧型溜槽。最后從物料總速度、垂直速度和水平速度3 個(gè)參數(shù)入手，對(duì)2 種溜槽結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了仿真分析，證實(shí)了直線圓弧型溜槽結(jié)構(gòu)性能更好。