劉鵬　李建　張棟

摘要：帶式輸送機在電力、煤礦、港口、物流、冶金、化工等眾多行業(yè)領域是一種極其重要的散狀物料運輸設備，被人們廣泛應用。文章把綠色設計這種技術理念引入到帶式輸送機的設計過程中，在分析帶式輸送機的經濟屬性、能源屬性、資源屬性與環(huán)境屬性等的基礎上，對帶式輸送機的綠色設計關鍵技術進行了理論研究。

關鍵詞：帶式輸送機；綠色設計；關鍵技術；動態(tài)綠色設計；虛擬樣機技術；可拆卸設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ172 文章編號：1009-2374（2016）16-0088-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.042

隨著科技的發(fā)展以及人類物質文明和精神文明的不斷提高，人類意識到生存的環(huán)境日益惡化，可利用的資源日趨枯竭，經濟的進一步發(fā)展受到了嚴重制約，綠色設計理念被提出，并應用到設計加工過程中。因此，綠色設計也稱生態(tài)設計，在產品整個生命周期內，著重考慮產品環(huán)境屬性并將其作為設計目標，在滿足減少環(huán)境污染、減小能源消耗、零部件回收循環(huán)或再利用的同時，保證產品應有的功能、使用壽命、質量等要求。筆者針對帶式輸送機介紹了其綠色設計技術以及相關應用，具體如下：

1 帶式輸送機的綠色設計技術

1.1 動態(tài)綠色設計

輸送帶是帶式輸送機的重要部件，具有傳遞動力及承載貨物的作用。通常輸送帶都是由帶芯和覆蓋膠層構成。因輸送帶表現(xiàn)的力學特性較為特殊，至今人們還未完全弄清。目前公認的帶式輸送機靜態(tài)設計方法有國際標準ISO5048-1989、美國CEMA、德國DIN22101等，必須依靠增加安全系數(shù)的方法提升可靠性與安全性。對于帶式輸送機系統(tǒng)而言，不僅造成投資成本的大幅上升、鋼材與膠帶的浪費、電能消耗的增加，還在一定程度上增加了環(huán)境的負擔。針對此種情況，急需一種綠色方法校驗完善靜態(tài)設計，這便是帶式輸送機的動態(tài)設計。

帶式輸送機的動態(tài)設計主要將系統(tǒng)動力學當作基礎，著手于輸送帶的實際動態(tài)響應，細致探究了其正常運行、制動與啟動等情況下輸送機系統(tǒng)表現(xiàn)出來的動態(tài)特性，掌握輸送帶張力的分布情況，從而設計和分析輸送機的整個系統(tǒng)。這樣既提高了輸送機設計的可靠性與準確性，又減少了生產資金的投入，同時還起到了節(jié)約資源及保護環(huán)境的作用。

1.2 虛擬樣機技術

虛擬樣機技術主要把數(shù)字技術作為基礎，在一個虛擬的環(huán)境中對樣機模型進行還原，以達到仿真模擬原型機所具有的功能的目的，進而實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化、性能評估及方案設計等諸多功能的設計。由于此項技術不需要物理樣機，只需要重設系統(tǒng)參數(shù)與改變樣機模型就能夠完成修改和預測設計方案的目的。此項技術具有容易協(xié)同合作、設計靈活、開發(fā)成本低、資源浪費少等諸多優(yōu)點，是能夠實現(xiàn)設計過程“無紙化”的綠色設計。

1.3 可拆卸設計

帶式輸送機系統(tǒng)由諸多零部件構成，若都通過銷釘或螺栓等方式進行連接，便可輕松進行拆卸，當有失效零部件之后，能夠在極短的時間將其更換。帶式輸送機的零部件一般都是從功能的角度來設計，并沒有對廢棄淘汰和系統(tǒng)維護加以特別考慮。針對滾筒等主要零部件，其造價較高且為整體式設計，若出現(xiàn)損壞失效，就需要整體更換，既提高了維護成本，又造成了資源浪費，不符合綠色設計的準則。所以，研究可拆卸技術能夠起到降低輸送機的運行成本、保護環(huán)境及節(jié)約資源的作用?？刹鹦缎匝芯康闹饕康氖橇悴考闹貜屠?、原材料的回收和產品的易維護易維修性。

1.4 模塊化通用性設計

帶式輸送機的主要零部件采用模塊化通用性設計，可以減少設計開發(fā)周期和加工周期。滾筒輪轂的系列化可減少制造加工成本，適當擴大滾筒的通用性，以節(jié)約維護成本，減少備品備件種類。模塊化通用性設計可與可拆卸設計結合，以實現(xiàn)零部件的重復利用和易維護易維修性，得到效益最大化。

2 帶式輸送機的綠色設計應用研究

2.1 開發(fā)案例

以一部煤礦井下主運帶式輸送機為例，在綠色設計基礎上對其進行再開發(fā)研究。此輸送機的系統(tǒng)參數(shù)指標如下：

運輸物料為原煤，運量Q=2000t/h，物料堆積密度ρ=0.9t/m3，輸送長度L=1200m，帶寬B=1400mm，運輸傾角δ=1°～3°，帶速v=3.15m/s，鋼絲繩芯輸送帶ST1250，驅動電機功率為400kW×2。帶式輸送機的系統(tǒng)設計圖如圖1所示：

2.2 分析系統(tǒng)方案的動態(tài)情況

把有關參數(shù)代入系統(tǒng)模型之中，然后對動態(tài)仿真進行分析。經過步長是0.1s，時長是100s的動態(tài)仿真結果具體如圖2與圖3所示。

分析輸送帶的速度曲線后可以發(fā)現(xiàn)，輸送機根據(jù)可控速度曲線進行運轉，在剛剛啟動的時候，速度會出現(xiàn)波動。當爬行一段時間后，速度開始變得平穩(wěn)；在運行80s以后，速度與設定帶速相符合，速度曲線比較合理。

分析輸送帶的張力曲線后可以發(fā)現(xiàn)，輸送機在剛剛啟動的時候，需要克服沿程摩擦力及系統(tǒng)慣性，當張力達到最大值經過震蕩之后，張力曲線達到穩(wěn)定工作值，此時輸送機已經完成了啟動，系統(tǒng)拉緊力達到正常拉緊值，由圖3可知，張力曲線的后段出現(xiàn)了短暫波動，然后在液壓拉緊的作用下恢復平衡狀態(tài)，從而使輸送機開始穩(wěn)定運轉。

2.3 優(yōu)化設計輸送機的零部件

根據(jù)輸送機的實際選型設計方法，來對零部件設計進行優(yōu)化。我們可以應用虛擬樣機這項技術對拉緊裝置、驅動裝置、托輥及滾筒等進行仿真優(yōu)化及性能測試，同時還要對裝配體進行合理的虛擬裝配處理，在一個虛擬裝配的環(huán)境下，完成裝配處理、干涉檢測及造型檢查等工作，進而順利完成序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、可裝配性分析等。如圖4是虛擬托輥架的裝配圖，通過CAE軟件充分對輸送機的支腿、滾筒軸、中間架與架體等主要部件做力學分析，然后模擬現(xiàn)場的實際工況，輸出相應的位移與應力圖，為設計人員提供參考依據(jù)。針對那些與要求不相符合的零件應重新進行設計，而對于有較大結構余量的部件要進行優(yōu)化處理，并且應用現(xiàn)有的技術模擬分析主要零部件，得出其振型與頻率，之后再制定一些方案以使系統(tǒng)震動得到控制，進而減少污染、降低噪聲，使系統(tǒng)可以安全可靠地運行。

2.4 評價綠色設計方案

針對輸送機所做的綠色評價極其特殊，其中很多評價標準與指標是無法進行準確預算和描述的，并且具有很強的模糊性，所以針對輸送機而言，應該利用模糊評價法來評價綠色度。此外，綠色度的評價指標具有極其明顯的層次，容易進行相應的劃分，所以我們可以應用層次分析法來做適當?shù)木G色評價。

3 結語

總之，文章重點研究了帶式輸送機系統(tǒng)的綠色設計技術和實際應用，因為筆者的條件與水平有限，研究出來的結果尚有不足，但綠色設計必將成為礦山機械設計的主要發(fā)展趨勢。因此關于輸送機有關的綠色設計，也需要我們在未來的工作當中不斷進行研究。輸送機綠色設計理念和技術要發(fā)展和完善，眾多新課題需要我們去探索和研究，進而更好地實現(xiàn)減少環(huán)境污染、減小能源消耗的環(huán)境保護的目的。

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