宋偉剛 孟凡波 張曉華 龔欣榮 高 勇

1.東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院 沈陽 110819 2.焦作科瑞森重裝股份有限公司 焦作 454000 3.衡陽運輸機械有限公司 衡陽 421002 4.四川省自貢運輸機械集團股份有限公司 自貢 643000 5.北方重工集團公司 沈陽 110141

0 引言

帶式輸送機是物料搬運機械(起重運輸機械)行業(yè)的重要分支，自建國以來經(jīng)歷了恢復(fù)和初創(chuàng)時期(1949年～1957年)、形成體系時期(1958年～1977年)、穩(wěn)定發(fā)展時期(1978年～1983年)，進入21世紀，我國帶式輸送機產(chǎn)品已經(jīng)走出國門，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)的帶式輸送機產(chǎn)品屢創(chuàng)世界記錄。由于帶式輸送機服務(wù)面廣，中國重型機械工業(yè)年鑒中已經(jīng)將其作為單獨一類產(chǎn)品進行統(tǒng)計。文中將對散料輸送對帶式輸送機的需求，20世紀我國帶式輸送機發(fā)展的簡單回顧，重點討論對進入21世紀后我國在大型越野帶式輸送機、管狀帶式輸送機、氣墊帶式輸送機、隧道工程帶式輸送機的發(fā)展與技術(shù)進步。并對帶式輸送機的今后發(fā)展趨勢進行展望，本文所提供資料可為帶式輸送機相關(guān)設(shè)計、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 散料輸送對帶式輸送機的需求

帶式輸送機的應(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)前對帶式輸送機的需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 煤炭開采 20世紀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。露天礦最大小時生產(chǎn)能力達到在9 000～10 000 t/h，有的近20 000 t/h。總體結(jié)構(gòu)型式為移置式和半移動式帶式輸送機。帶寬為1 600～2 400 mm的移置式帶式輸送機是研究重點。

2) 礦山至電廠或儲運、加工、外運的輸送系統(tǒng) 一般輸送距離為幾公里到幾十公里，大型儲運碼頭的儲運裝卸輸送系統(tǒng)，堆場長度可達1～2 km，為減少裝卸船時間，要求輸送機的輸送量達到10 000 t/h或以上，大型散貨船到堆場或料倉的距離可達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長度為8 984 m。內(nèi)蒙古錫林浩特勝利能源一號露天煤礦至勝利發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)直線距離為9 km，其中的長距離帶式輸送機長度為8 700 m。

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

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

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)對礦物輸送物流系統(tǒng)進行整合，由原有的短距離、小運量帶式輸送機系統(tǒng)向干線輸送發(fā)展，輸送距離可達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)等方面的國家基本建設(shè)的重大需求下，對配合TBM的帶式輸送機連續(xù)出渣有較大的需求；目前采用TBM掘進隧道所需帶式輸送機長度大致為10～25 km。

7) 砂石骨料 在國家對砂石骨料供給監(jiān)管趨嚴、國有資本加快布局砂石骨料行業(yè)砂石企業(yè)實現(xiàn)綠色化、智能化的背景下。砂石骨料行業(yè)對帶式輸送機需求旺盛。國內(nèi)向家壩沙石骨料輸送線達31 km，2018年建成的安徽長九新材料股份有限公司的長距離帶式輸送機為世界最大物流量的帶式輸送機。

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)部的場地和建筑設(shè)施限制，廠內(nèi)帶式輸送機相對較短，但輸送機數(shù)量多，如寶鋼1期共有帶式輸送機600多套，總長57 km；

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

2 近年來我國帶式輸送機的發(fā)展

近年來，我國帶式輸送機得到了長足的發(fā)展，2002年補充了DTII型帶式輸送機，命名為DTII(A)型帶式輸送機，2013年的手冊將帶寬范圍擴大為400～2 000 mm， 補 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)，在我國帶式輸送機行業(yè)科研、設(shè)計、制造和使用單位的共同努力下，我國帶式輸送機的設(shè)計制造水平有了很大的提高，總體上已經(jīng)達到國際先進水平。除了可以滿足國民經(jīng)濟各行業(yè)項目建設(shè)的需求外，已經(jīng)開始批量出口國外，其設(shè)計制造能力、產(chǎn)品性能和產(chǎn)品質(zhì)量基本上得到了國際市場的認可。

我國目前已有帶式輸送機主干企業(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)量與國外先進水平差距不大，國際市場競爭能力比較強。

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

表1為帶式輸送機行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計帶式輸送機行業(yè)和作者所在企業(yè)的年產(chǎn)值[6]，企業(yè)的年產(chǎn)值達10億以上已經(jīng)成為常態(tài)。需要說明的是：帶式輸送機行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計只統(tǒng)計到部分會員企業(yè)的情況，全國實際產(chǎn)量估計為協(xié)會整體數(shù)值的2～3倍以上。

表1 帶式輸送機行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計帶式輸送機產(chǎn)值 /億元

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

2.1 長距離越野帶式輸送機

帶式輸送機的發(fā)展總是向著更長距離、更大的提升高度、更大的輸送量方向發(fā)展，2000年以前，國內(nèi)單機最長輸送機在5 km以下，2000年以后達到14.22 km。《帶式輸送機工程技術(shù)標準》(報批稿)定義：大型帶式輸送機為同時具有總驅(qū)動功率不小于1 500 kW、輸送量不小于3 000 t/h、長度不小于1 500 m中的2項及以上特征的帶式輸送機。長距離帶式輸送機為機長不小于3 000 m的帶式輸送機。近年來，提出了“超長距離”的概念，可以認為超長距離帶式輸送機的長度不小于5 000 m。長距離越野帶式輸送機往往存在水平曲線段，因而現(xiàn)有平面曲線帶式輸送機的最大長度要大于直線帶式輸送機。(圖1為埃塞俄比亞曲線帶式輸送機)伴隨著帶式輸送機的長距離、大型化和高帶速，對托輥、滾筒、驅(qū)動裝置、輸送帶等主要部件提出了更高的要求。大型帶式輸送機具有輸送距離長、線路復(fù)雜，分布在輸送帶機上的物料質(zhì)量重、慣性大，在特殊情況下各點帶速不均，這都給帶式輸送機的設(shè)計帶來極大困難。任何一個設(shè)計細節(jié)的忽略都會導(dǎo)致如撒料、斷帶、飄帶、疊帶等惡性事故。啟制動過程的分析與控制成為系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。取得的主要進展包括：

1) 研究集成機械、電氣、土建及鋼結(jié)構(gòu)、計量、環(huán)保、消防等多學(xué)科技術(shù)，積極采用德國、美國等國外先進的設(shè)計標準，開發(fā)研制了固定帶式輸送機用二工位卸料裝置和轉(zhuǎn)動式導(dǎo)料槽等專利技術(shù)，在帶式輸送機系統(tǒng)中采用集中潤滑技術(shù)，采用“聚輝鋼”，“聚氨酯”等新材料，提高了轉(zhuǎn)載點襯板壽命；研究了帶式輸送機棧橋和支架集成系統(tǒng)，棧橋絎架豎腹桿同時兼做帶式輸送機的支腿和中間架，有效解決了帶式輸送機托輥、托輥架、走臺和輸送帶等一體化結(jié)構(gòu)體系的振動及節(jié)點連接問題。

2) 在平面曲線帶式輸送機設(shè)計理論，中部驅(qū)動理論方面取得進展，采用中部多點驅(qū)動自身轉(zhuǎn)載技術(shù)，多機順序啟動控制技術(shù)及長距離復(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)實現(xiàn)小曲率半徑曲線運行，研制出具有自主產(chǎn)權(quán)的基于變頻控制的液粘無級調(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)，實現(xiàn)長距離信息的高速、實時通信與系統(tǒng)控制；北京約基開發(fā)了U型帶式輸送機系統(tǒng)實現(xiàn)帶式輸送機水平曲線運行，建立了U型帶式輸送機試驗臺，進行模擬摩擦系數(shù)測定，輸送帶橫向剛度測定、輸送帶接頭和成槽性測定、抗側(cè)風(fēng)能力測定實驗。

3) 在移置式帶式輸送機方面衡陽運機研制出帶寬1 600 mm，輸送量3 000 t/h，單機長度 2 900 m具有自主產(chǎn)權(quán)的移置式帶式輸送機，解決了在露天礦山的帶式輸送機移置問題；華電開發(fā)了4 000 t/h移置式帶式輸送機系統(tǒng)，完成了全功能一體化機頭的研究與開發(fā)、高強度滾筒的疲勞強度設(shè)計與開發(fā)。

4) 在大角度、大高差下運帶式輸送機方面，解決了下運帶式輸送機的物料勢能反饋發(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、大慣性下運帶式輸送機的防“飛車”制動技術(shù)。

5) 在可伸縮帶式輸送機方面，采用組合式驅(qū)動裝置，提高了驅(qū)動裝置配比的互換性(圖2)，采用自動液壓夾帶與卷帶，無慣性快速響應(yīng)張緊小車，實現(xiàn)了大帶寬可伸縮帶式輸送機的長距離輸送；研發(fā)了新型帶式輸送機自移裝置，使轉(zhuǎn)載機和自移機尾允許最大擺角達到±8o，提高了對巷道起伏的適應(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) 在深槽帶式輸送機方面，采用雙排交錯深槽型托輥組，解決了輸送帶成槽及大傾角輸送大塊物料滾落的問題。實現(xiàn)了軟啟動與功率平衡，解決了盤式制動器與逆止器的同步性技術(shù)問題，消除了高速制動帶來的隱患，在1 800 mm帶寬條件下，輸送傾角達到26o。

7) 研發(fā)了長距離、大運量帶式輸送機系統(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的難題。

8) 北方重工在印度Reliance(圖3)項目中為保證輸送機系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、運行可靠、安全性好、自動化程度高等特點，將低滾動阻力概念引入帶式輸送機設(shè)計中，研發(fā)節(jié)能輸送帶、新型節(jié)能托輥、鋼構(gòu)輕量化設(shè)計等多項節(jié)能技術(shù)，研制開發(fā)出高效、無人值守帶式輸送機檢測檢修單元、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)了自動巡檢小車(圖4)。利用DEM動態(tài)仿真技術(shù)，開發(fā)出動態(tài)轉(zhuǎn)載設(shè)計技術(shù)等多項帶式輸送機關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)出一整套長距離大運量帶式輸送機設(shè)計理念，最終實現(xiàn)了綜合模擬摩擦系數(shù)由0.02這一指標降低到0.013 5。

9)國家“十二五”智能制造裝備專項“智能可伸縮帶式輸送機”項目研究了實時檢測及自動延時技術(shù)、輸送帶金屬連接扣的實時成像及自動化比照技術(shù)、快速響應(yīng)的變頻絞車技術(shù)、實時動態(tài)參數(shù)上傳過濾技術(shù)、實時測溫、測振技術(shù)。

10)長距離帶式輸送機系統(tǒng)的巡檢問題是一個瓶頸問題，一些公司開發(fā)了機器人巡檢系統(tǒng)，焦作科瑞森自主開發(fā)了KRS-ITIS100型第一代智能巡檢機器人(圖5)，該機器人以軟索為軌道，全程自主行走，可搭載高清攝像機、聲傳感器、紅外攝像儀、粉塵/有害氣體傳感器等，實現(xiàn)對帶式輸送機進行動態(tài)巡檢。

表2為國產(chǎn)一些大型帶式輸送機系統(tǒng)的主要參數(shù)，表中給出了其中部分項目的輸送帶安全系數(shù)，可以看到，國產(chǎn)大型帶式輸送機無論是數(shù)量、長度、輸送量上都呈增加態(tài)勢，輸送帶的安全系數(shù)已經(jīng)突破DIN22101-1982的推薦值，這些項目的投入運行，也為在設(shè)計過程中進一步降低輸送帶安全系數(shù)提供了經(jīng)驗。

2.2 管狀帶式輸送機的發(fā)展

圓管帶式輸送機是日本的(JPC)Japan Pipe Conveyor公司首先于1978年開發(fā)出的產(chǎn)品，并在32個國家獲得專利。通過專利授權(quán)方式向12個國家制造商轉(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、東海公司和德國的PWH-Continental、Conrad Scholtz GmbH等公司均開發(fā)了此產(chǎn)品。我國通過引進普利司通技術(shù)、與Koch、CDI等國外企業(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，制定了“圓管帶式輸送機”機械行業(yè)標準，“管狀輸送帶”化工行業(yè)標準。成功地開發(fā)并應(yīng)用了一批世界級的圓管帶式輸送機系統(tǒng)。表3為國內(nèi)外圓管帶式輸送機的工程實例。

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

1) 研究帶式輸送機翻轉(zhuǎn)裝置機理，設(shè)計翻轉(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 國產(chǎn)典型大型帶式輸送機系統(tǒng)

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

3) 堯柏水泥超長距離管狀帶式輸送機首次實現(xiàn)極端復(fù)雜條件下的運行，提出了管狀帶式輸送機輸送帶橫向剛度穩(wěn)定值測試方法，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的管狀帶式輸送機試驗臺。

2.3 氣墊帶式輸送機

氣墊輸送機是20世紀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。它將托輥帶式輸送機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，減小了運行阻力，帶來了很多優(yōu)點。

表 3 國內(nèi)圓狀帶式輸送機的工程實例

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

河南天隆重大裝備公司的氣墊帶式輸送機在糧食儲備倉庫及糧食加廠，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兩臺氣墊帶式輸送機試驗臺（見圖8）。試驗臺主要測試：氣膜厚度、氣室壓力、氣膜壓力及阻力系數(shù)，并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計制造了寬帶1 800 mm、長度109 m的氣墊帶式輸送機樣機。

第二代氣墊機在設(shè)計理論、節(jié)流孔布置、設(shè)計方法、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、重載起動困難或根本不能重載起動、漏風(fēng)較嚴重、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)場組裝，分段供氣，避免長距離輸送機氣體壓力在輸送機縱向分布不均勻問題，輸送距離達到1 500 m。輸送能力達到1 500 t/h。江門振達開發(fā)了糧食輸送2 000 t/h的實驗系統(tǒng)。

2.4 隧道工程帶式輸送機

長期以來，帶式輸送機主要制造企業(yè)對隧道出渣帶式輸送機研究較少，只是個別企業(yè)為國外廠商配套制造，缺乏系統(tǒng)研究。隨著我國乃至世界已經(jīng)進入鐵路(特別是高鐵)建設(shè)的快速發(fā)展時期，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施工中，其后配套連續(xù)帶式輸送機的需求也會越來越多。2015年以前，連續(xù)帶式輸送機的市場還處于國外公司壟斷的狀態(tài)。第一臺國內(nèi)自主設(shè)計制造的連續(xù)帶式輸送機由兗礦東華重工有限公司完成。上?？拼笫巧a(chǎn)該機型較多地企業(yè)，其中山西大水網(wǎng)中鐵十八局山西中部引黃工程項目連續(xù)帶式輸送機單機長度26 km，是目前輸送距離最長的連續(xù)帶式輸送機；新疆EH供水項目在國內(nèi)首次采用一洞雙機布置，且支洞轉(zhuǎn)彎段屬于高張力大角度小轉(zhuǎn)彎半徑工況，是國內(nèi)少見的設(shè)計和運行復(fù)雜的系統(tǒng)；中鐵隧道局以色列特拉維夫地鐵紅線項目連續(xù)帶式輸送機創(chuàng)造了轉(zhuǎn)彎半徑225 m的連續(xù)S彎運行記錄。目前國內(nèi)已有多家?guī)捷斔蜋C生產(chǎn)企業(yè)能夠獨立設(shè)計制造該機型。并準備制訂行業(yè)標準。

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，一些工程項目采用傳統(tǒng)的波狀擋邊輸送機提升，但是由于渣土中含水問題，波狀擋邊輸送帶清掃問題嚴重。

上?？拼笾毓ぜ瘓F有限公司于2018年自行研發(fā)的復(fù)合式提升帶式輸送機，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，形成若干個可存儲渣土的框斗，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，中間機身部分靠近井壁布置。

采用帶式輸送機垂直出渣的另一種解決方案是壓帶式帶式輸送機，焦作科瑞森根據(jù)隧道渣土垂直提升要求和渣土特點，開發(fā)了C型高傾角壓帶式輸送機，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成功應(yīng)用濟南地鐵(圖9)，后續(xù)在上海地鐵、廣佛地鐵環(huán)形項目開展應(yīng)用。

3 帶式輸送機設(shè)計計算理論與計算方法

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

3.1 帶式輸送機常規(guī)設(shè)計計算方法

多年來，我國廣泛采用的TD75、DX、GB/T 17119—1997(ISO5048)計算方法已經(jīng)不能滿足大型、復(fù)雜帶式輸送機系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)過多年實踐、通過對輸送物料的截面輪廓、驅(qū)動裝置形式、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計算方法，編制了GB/T 36698—2018 《帶式輸送機設(shè)計計算方法》[9]。該標準由北京起重運輸機械設(shè)計研究院和東北大學(xué)作為主編單位，參加單位20個，結(jié)合了多年來國內(nèi)外研究成果，標準的內(nèi)容和特點包括：

1)用于確定帶式輸送機主要部件(如驅(qū)動裝置、制動裝置、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)定工況的運行阻力和功率消耗、驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計計算(驅(qū)動、制動、逆止)、輸送帶張力和拉緊力的計算、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、槽形過渡段及豎向曲線段曲率半徑的設(shè)計和輸送帶翻轉(zhuǎn)的設(shè)計等內(nèi)容。在適用于長距離大運量的帶式輸送機的同時，也適用于中小型簡單的帶式輸送機。

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

3)首次將帶式輸送機的啟動方式劃分為按固有特性啟動和按運動控制啟動兩種方式，由于大型帶式輸送機大多采用控制啟動方式，應(yīng)用本標準的計算方法可以精確地計算與降低輸送機的拉緊力，在滿足帶式輸送機可靠、安全的同時降低輸送帶的破斷強度，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。給出了逆止力的計算式。

4)區(qū)分了輸送帶截面上張力非均勻分布的基準疲勞強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)計算出每個滾筒上的輸送帶的張力兩種方法。

5)給出了各傳動、制動滾筒上的滾筒圓周力分配相關(guān)內(nèi)容；擴展了輸送帶垂度值的適用范圍；給出按運動控制啟動的啟動系數(shù)計算方法，證明了在一些情況下，驅(qū)動和制動裝置的確定需按啟動、制動條件來確定；給出帶式輸送機運動質(zhì)量的計算；將ISO 5048的簡單布置帶式輸送機的輸送帶最大張力的計算內(nèi)容在附錄中給出。

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

3.2 帶式輸送機動力學(xué)分析方法及軟件

帶式輸送機系統(tǒng)的動力學(xué)分是帶式輸送機設(shè)計分析的重要手段，國家標準《帶式輸送機工程技術(shù)標準》(報批稿)中規(guī)定：具有下列主要特征的帶式輸送機宜進行動態(tài)性能評價：多點驅(qū)動或制動；輸送線路有多個變坡段，有明顯的上坡和下坡區(qū)段變化；在不同工況下運行阻力存在明顯差異。國內(nèi)帶式輸送機動力學(xué)問題的研究起始于20世紀80年代，國內(nèi)目前至少有5篇涉及帶式輸送機動力學(xué)的博士論文，研究內(nèi)容重點包括系統(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)動方式，將驅(qū)動裝置劃分為按固有特性啟動，控制切換電阻時序和設(shè)定驅(qū)動力啟動等方式；針對多驅(qū)動系統(tǒng)的控制特點，提出了基于功率跟蹤控制的動力學(xué)逆問題的數(shù)值解法，該方法可以解決長距離撓性傳動系統(tǒng)多點驅(qū)動的動力學(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、波動方法、有限元方法。圖11為行波方法啟動過程輸送帶速度圖，圖12為頭部驅(qū)動有限元方法啟動過程輸送帶速度曲線，圖13輸送機啟動過程曲線，圖14具有頭、尾、中部驅(qū)動的多點驅(qū)動的輸送帶張力曲線。

3.3 帶式輸送機轉(zhuǎn)載設(shè)計的DEM方法

散狀物料的運輸與轉(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)計問題日益突出。轉(zhuǎn)載設(shè)計問題的研究也得到了廣泛的關(guān)注。國內(nèi)多所高校和企業(yè)購買了DEM Solutions公司的EDEM軟件。顆粒仿真技術(shù)可以對散狀物料的運動進行觀察、機理分析、受力分析、磨損(壽命)估計和系統(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行顆粒參數(shù)的校準，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子支撐劃分方式采用極限評價指標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)的評價體系。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目、北方重工塞內(nèi)加爾項目、大連重工羅伊山項目、澳大利亞必和必拓錳礦項目、曹妃甸項目、上?？拼蟀臀鞯庸软椖?、衡陽越海馬來西亞項目等開展咨詢，積累了豐富的工程經(jīng)驗。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)載站流動過程。

4 我國帶式輸送機的發(fā)展方向

我國帶式輸送機系統(tǒng)的設(shè)計、制造與應(yīng)用目前已經(jīng)達到了很高的水平，在通用帶式輸送機、管狀帶式輸送機、氣墊帶式輸送機等方面取得了巨大的進展，在國際市場上已經(jīng)具有較強的競爭力。但是在設(shè)計與制造的精細化、超大規(guī)格的帶式輸送機方面與國外相比還具有差距，我們認為，今后的發(fā)展方向為：

1)進一步向大型、長距離方向發(fā)展，國外長距離帶式輸送線20世紀70年代最長已達100 km，國內(nèi)自主設(shè)計制造的向家壩帶式輸送機系統(tǒng)已達31 km。在不久的將來，合適的工程項目中會出現(xiàn)100 km及以上的工程需求。

2)改進設(shè)計方法實現(xiàn)帶式輸送機輕量化，改進帶式輸送機結(jié)構(gòu)：如采用沿途檢修小車代替帶式輸送機兩側(cè)走臺，可降低鋼結(jié)構(gòu)重量30%左右。國內(nèi)大部分中小企業(yè)設(shè)計與研究能力較弱，往往僅依賴于設(shè)計手冊進行設(shè)計，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的設(shè)計與應(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的運行狀態(tài)變化較大。對輸送機主要部件的材料選取也帶來困難。

4)高承載能力的輸送機部件，如滾筒，驅(qū)動架的設(shè)計尚缺乏設(shè)計準則，大功率無齒輪電動機驅(qū)動方式國內(nèi)尚屬空白，需要開發(fā)電動機以及安裝方法。

5)建立帶式輸送機能效評價方法提高系統(tǒng)的能效，需要構(gòu)建輸送機各主要部件的能效準則以綜合評價帶式輸送機系統(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)具有更多的話語權(quán)，已經(jīng)開始制定輸送帶能效等級標準。國外輸送帶制造商已經(jīng)開發(fā)了低運行阻力節(jié)能型輸送帶，并廣泛地應(yīng)用在各種長距離輸送機上，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產(chǎn)品在國際市場的競爭能力，取得了非常好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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

5 致謝

本文撰寫過程中承蒙中國機械工程學(xué)會物流工程分會張喜軍理事長、中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院張振文審閱全文，并提出修改建議，北京起重運輸機械設(shè)計研究院唐超董事長委托專家對全文進行審閱，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、上?？拼笾毓ぜ瘓F有限公司李秀云、江門市振達機械制造有限公司提供資料，作者向他們表示誠摯的感謝！作者水平有限，疏漏之處難免，誠請批評指正。