180度彎曲皮帶輸送機設計【含11張CAD圖紙、說明書】
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任 務 書
1．畢業(yè)設計的背景：
180度彎曲皮帶機常用于平行輸送線間的連接，其輸送平穩(wěn)，物料與輸送帶間沒有相對運動，能夠避免對輸送物的損壞。與其它輸送機相比噪音較小，適合于工作環(huán)境要求比較安靜的場合。 結構簡單、便于維護；能耗較小，使用成本低，用于各種流水作業(yè)的生產(chǎn)廠家，中小型物品的物流輸送。本課題要求學生根據(jù)技術參數(shù)完成180度彎曲皮帶輸送機設計。
2．畢業(yè)設計(論文)的內(nèi)容和要求：
內(nèi)容要求：1、設計一種180度彎曲皮帶輸送機，設計參數(shù)：輸送物為袋裝食品，帶寬550mm，帶速5.8m/min。2、完成皮帶輸送機的機械結構設計、關鍵零部件的詳細設計、計算與校核、電氣控制系統(tǒng)的設計。
工作量要求： 1、外文文獻翻譯4000字左右（與課題相關）； 2、設計說明書的字數(shù)不少于20000字； 3、畢業(yè)答辯圖紙總量不少于3張A0圖紙，其中包括計算機輔助繪圖的工作量； 4、參考文獻不少于15篇（至少2篇外文文獻）。
3．主要參考文獻：
[1] 高殿榮，王益群.液壓工程師技術手冊（第二版）.北京：化學工業(yè)出版社，2016年.
[2] 胡宗武.起重機設計與實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.
[3] 邱宣懷.機械設計手冊第四版.高等教育出版社,2006年.
[4] 成大先.機械設計手冊.化工工業(yè)出版社,1993年.
[5] 胡家秀.簡明機械零件設計選用手冊.機械工業(yè)出版社,1999年.
[6] 陳道南，盛漢中.起重機課程設計[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1993.
[7] 張質(zhì)文，王金諾，虞和謙等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1998.
[8] 中國機械工程學會塑性工程學會.鍛壓手冊（第3版）.北京：機械工業(yè)出版社，2015年.
4．畢業(yè)設計(論文)進度計劃(以周為單位)：
1-2周 查詢相關文獻，收集資料，翻譯外文資料、確定系統(tǒng)總體設計方案，并遞交開題報告。
3~4周 對各主要機構進行方案設計并完善。
5~9周 對關鍵部件進行詳細設計、計算與校核；
10~12周 繪制、修改并完善圖紙、編寫設計說明書。
13周 完成答辯。
教研室審查意見：
室主任簽名： 年 月 日
學院審查意見：
教學院長簽名： 年 月 日
開題報告
課題名稱
180度彎曲皮帶輸送機設計
課題來源
B.社會生產(chǎn)實踐
課題類型
工程設計類
1．選題的背景及意義：
普通皮帶輸送機僅能實現(xiàn)平面直線輸送，不能滿足變向需要，180度彎曲皮帶機常用于平行輸送線間的連接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能，其輸送平穩(wěn)，物料與輸送帶間沒有相對運動，能夠避免對輸送物的損壞。與其它輸送機相比噪音較小，適合于工作環(huán)境要求比較安靜的場合。輸送能力大、結構簡單、便于維護；能耗較小，使用成本低，且易于實現(xiàn)自動控制及遠程控制等優(yōu)點。
180度彎曲皮帶輸送機用于各種流水作業(yè)的生產(chǎn)廠家，中小型物品的物流輸送，是工業(yè)機械化的重要內(nèi)容。因為其特殊的轉(zhuǎn)彎功能，加之其較為突出的優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中重要性越來越大。因此對彎曲皮帶式輸送機進行設計十分必要，我們需要考慮用戶使用時現(xiàn)場布置情況來對輸送機進行設計，才能滿足用戶生產(chǎn)生活的使用要求。
2．研究內(nèi)容擬解決的主要問題：
180度彎曲皮帶輸送機是通過將輸送帶的內(nèi)曲線抬高和將托輥安裝傾斜角等措施，使輸送機運行時產(chǎn)生一個向外的離心推力來克服由轉(zhuǎn)彎造成的輸送帶張力的向心推力，從而保證輸送帶的轉(zhuǎn)彎運行。
180度彎曲皮帶輸送機主要由機架、輸送帶、托輥、張緊裝置、傳帶式輸送機動裝置等部分組成，本設計課題的核心問題是張力和轉(zhuǎn)彎措施的設計，主要包括轉(zhuǎn)彎段曲率半徑的研究，轉(zhuǎn)彎段托輥的布置方式以及轉(zhuǎn)彎阻力的分析，其設計計算涉及到結構設計、設計計算方法和動態(tài)過程分析等各方面的問題。
首先，了解180度彎曲皮帶輸送機設計原理，考慮工作環(huán)境的影響等因素，確定其結構設計要點；其次，對彎曲輸送機工藝設計及主要部件選型；再者，進行張力和轉(zhuǎn)彎措施的設計計算，關鍵點的設計如防跑偏托輥的結構設計，轉(zhuǎn)彎限制條件等；最后，彎曲皮帶輸送機配件結構設計并進行相關的計算校核。
3．研究方法技術路線：
（1）分析研究導師發(fā)送的任務書，熟悉設計對象，充分利用網(wǎng)上資料、圖書館藏書，了解皮帶式輸送機相關設計手冊的大致內(nèi)容，理解180度彎曲皮帶輸送機設計原理，掌握在皮帶輸送機的設計中所需要的結構設計要點及一些相關注意事項，為整個設計奠定基礎。
（2）在指導老師指導下深入研究設計對象，查找出結構設計中技術的難點和關鍵點，主要包括轉(zhuǎn)彎段曲率半徑的研究，轉(zhuǎn)彎段托輥的布置方式以及轉(zhuǎn)彎阻力的分析，確保輸送過程的安全性和穩(wěn)定性，攻破難點，實現(xiàn)180度轉(zhuǎn)彎功能。
（3）通過查詢皮帶輸送機設計相關手冊以及其它資料，根據(jù)計算公式，確定輸送機構的基本結構尺寸、主要部件選型和配件結構設計以及相關數(shù)據(jù)等，并進行必要的校核計算。
（4）著手畫圖，裝配圖，零件圖的繪制要先繪制草圖，并逐漸修改錯誤，再運用Auto-CAD進行計算機繪圖。
（5）撰寫設計論文，闡述設計依據(jù)，說明設計內(nèi)涵。根據(jù)已經(jīng)得到的設計結果，闡述其中的設計方法和依據(jù)，整理成文。設計說明書要明確設計過程的計算，原理和一些必要的細節(jié)。
4．研究的總體安排和進度計劃：
第1周：熟悉課題，查詢相關文獻，收集資料；
第2周：閱讀參考書，確定系統(tǒng)總體設計方案，完成開題報告同時提交外文翻譯；
第3周：根據(jù)設備布置的地形條件初步設計輸送機曲線段的曲率半徑，初步選定轉(zhuǎn)彎措施以及相應的托輥組參數(shù)；
第4周：計算各點張力，驗算彎曲段的轉(zhuǎn)彎限制條件；
第5周：輸送機的動力學分析，增設保護措施以確保輸送機的轉(zhuǎn)彎運行；
第6周：確定轉(zhuǎn)彎所受限制與采取措施；
第7周；完善設計方案并驗算主要機構和關鍵部位的強度校核；
第8周：整理數(shù)據(jù)，做好繪圖準備；
第9 ~12周：繪制圖紙并不斷修改、完善圖紙；
第13周：整理圖紙資料，撰寫畢業(yè)說明書、打印、裝訂，準備答辯。
5．主要參考文獻：
[1]王海龍.帶式輸送機轉(zhuǎn)彎裝置的應用[J].科技信息,2013年04期.
[2]高殿榮.王益群.液壓工程師技術手冊（第二版）[M].北京：化學工業(yè)出版社,2016年.
[3]胡宗武.起重機設計與實例[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009.
[4]邱宣懷.機械設計手冊第四版.高等教育出版社,2006年.
[5]成大先.機械設計手冊.化工工業(yè)出版社,1993年.
[6]胡家秀.簡明機械零件設計選用手冊.機械工業(yè)出版社,1999年.
[7]陳道南.盛漢中.起重機課程設計[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1993.
[8]張質(zhì)文.王金諾，虞和謙等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社.1998.
[9]中國機械工程學會塑性工程學會.鍛壓手冊（第3版）.北京：機械工業(yè)出版社.2015年.
[10]K.Czaplicka. ANALYSIS OF STRESS RELAXATION PROCESSES IN CONVEYOR BELTS. Mechanics of Composite Materials[J],Vol.30,No.4,1994.
[11]V.M.Kozyr,, V.V.Knyazev, and I.I.Katasonov. INDUSTRIAL EXPREIENCE[J],No.12,P.23,December,1983.
[12]王煥林.長距離水平轉(zhuǎn)彎帶式輸送機彎曲半徑設計[J].露天采礦技術, 2014年第5期.
[13]劉兵.長距離平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機的設計及應用[J].大連理工大學.
[14]楊靚.平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機設計計算理論研究[J].東北大學.
[15]員健.皮帶輸送機的設計計算[J].湖南農(nóng)機,第40卷第5期
指導教師意見：
指導教師簽名： 年 月 日
教研室意見：
教研室主任簽名： 年 月 日
學院意見：
教學院長簽名： 年 月 日
摘要
皮帶輸送機是通用的連續(xù)運輸機械，廣泛應用于海港、工廠生產(chǎn)線、鋼鐵運輸、食品行業(yè)、煤炭生產(chǎn)以及其他工業(yè)等領域。隨著現(xiàn)代工業(yè)科學技術向機械化、自動化、智能化發(fā)展，皮帶輸送機在工業(yè)生產(chǎn)中的地位舉足輕重，它是實現(xiàn)輸送設備走向現(xiàn)代化的重要組成部分。隨著運輸任務、工作場地及環(huán)境等情況變化的影響，輸送線路的鋪設不能夠按照直線來布置，因而出現(xiàn)了180度彎曲皮帶輸送機。
180度彎曲皮帶輸送機的設計計算涉及到結構設計、選型和校核以及各種參數(shù)的計算等各方面的問題，問題的關鍵在于轉(zhuǎn)彎段的曲率半徑設計和輸送帶張力計算。本文先從理論研究開始確定總體布局和轉(zhuǎn)彎方案，根據(jù)給定的輸送帶和物料參數(shù)選擇輸送帶型號、計算轉(zhuǎn)彎半徑和輸送帶張力，再設計驅(qū)動裝置、傳動裝置和托輥并校核，從而確保物料在拐彎段運行的時候，輸送帶不翻轉(zhuǎn),不跑偏，不散料。
180度彎曲皮帶輸送機可以實現(xiàn)自然轉(zhuǎn)彎運行功能，本次設計的輸送機常用于兩平行輸送線路之間的連接，因此能達到使用一臺皮帶輸送機就能完成物料運輸?shù)囊?，有效減少輸送設備的重復投入，有利于控制成本，提高經(jīng)濟效益、輸送效率及可靠性。
關鍵詞 180度彎曲；皮帶輸送機；轉(zhuǎn)彎變向；轉(zhuǎn)彎半徑
Abstract
Belt Conveyor is a general-purpose continuous transportation machine, widely used in seaports, factory production lines, steel transportation, food industry, coal production and other industries. With the development of modern industrial science and technology towards mechanization, automation and intelligentization, the position of belt conveyors in industrial production plays an important role. It is an important part of the modernization of conveying equipment. With the impact of changes in transportation tasks, workplaces, and the environment, the laying of transmission lines cannot be arranged in a straight line, and a 180-degree curved belt conveyor has emerged.
The design calculation of the 180-degree curved belt conveyor involves various issues such as structural design, selection and verification, and calculation of various parameters. The key to the problem lies in the curvature radius design of the turning section and the tension calculation of the conveyor belt. This article begins with the theoretical study to determine the overall layout and turn the program, according to a given conveyor belt and material parameters to select the conveyor belt model, calculate the turning radius and the conveyor belt tension, and then design the drive device, transmission and roller and check, To ensure that the material runs in the cornering section, the conveyor belt does not turn over, does not run away, and does not bulk feed.
The 180-degree curved belt conveyor can realize the natural turning operation function. The conveyor designed this time is often used for the connection between two parallel transmission lines. Therefore, the use of a belt conveyor can achieve the requirements for material transportation and effectively reduce the transmission. Repeated investment in equipment will help control costs, improve economic efficiency, transmission efficiency and reliability.
Keywords 180-degree bend belt conveyor turning direction turning radius
44
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 本課題的研究背景及意義 1
1.2 180度彎曲皮帶輸送機國內(nèi)外發(fā)展水平及研究概況 2
1.2.1 國內(nèi)發(fā)展水平及研究概況 2
1.2.2 國外發(fā)展水平及研究概況 3
1.3 本文的主要研究內(nèi)容及研究方法 5
2 180度彎曲皮帶輸送機總體設計 7
2.1 180度彎曲皮帶輸送機概述 7
2.1.1 180度彎曲皮帶輸送機工作原理 7
2.1.2 實現(xiàn)變向的措施 8
2.1.3 轉(zhuǎn)彎處托輥組結構 10
2.1.4 輸送機托輥組的結構 11
2.1.5 輸送機的布置形式 12
2.2 總體設計方案的擬定 12
2.2.1 180度彎曲皮帶輸送機總體方案 12
2.2.2 轉(zhuǎn)彎方案布置 14
3 180度彎曲皮帶輸送機設計計算 15
3.1 輸送帶選擇計算 15
3.1.1 輸送量計算 15
3.1.2 輸送帶帶寬 15
3.1.3 輸送帶阻力計算 15
3.1.4 輸送帶張力計算 17
3.1.4 輸送帶校核 18
3.2 轉(zhuǎn)彎處轉(zhuǎn)彎半徑及相關尺寸的計算 19
3.2.1 導出摩擦系數(shù)μ'的計算 19
3.2.2 轉(zhuǎn)彎半徑R的計算 19
3.2.3 轉(zhuǎn)彎處其他相關尺寸計算 21
3.2.4 轉(zhuǎn)彎段的阻力計算 22
3.3 驅(qū)動裝置 23
3.3.1 減速電機功率的計算 23
3.3.2 減速電機的選用 23
3.3.3 鏈傳動 24
3.4 傳動滾筒 24
3.4.1 傳動滾筒合力計算 24
3.4.2 傳動滾筒筒徑計算 25
3.4.3 主動軸的設計計算 25
3.4.4 傳動滾筒的設計 27
3.4.5 傳動滾筒的校核 27
3.5 改向滾筒 28
3.5.1 改向滾筒的合力計算 28
3.5.2 改向滾筒的設計 28
3.6 托輥 28
3.6.1 托輥的作用 28
3.6.2 托輥的選型 29
3.6.3 托輥的校核 30
3.7 機架 31
3.8 支撐板 31
3.9 拉緊裝置 32
3.9.1 拉緊力 32
3.9.2 拉緊行程 33
3.9.3 拉緊裝置的選型 33
3.10 制動裝置 33
3.10.1 制動裝置的種類 33
3.10.2 制動裝置的選型 33
結論 35
致謝 36
參考文獻 37
1 緒論
1.1 本課題的研究背景及意義
皮帶輸送機在物料搬運機械中結構最為簡單，是通用的連續(xù)運輸機械，既能夠?qū)崿F(xiàn)動力傳輸又能完成物料的運送，達到一舉兩得的功效。因其操作運行方便，安裝維護快捷，而且運營成本不高，所以逐漸成為連續(xù)輸送機械中最常用的設備，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著很大的作用[1]。皮帶輸送機具有效率高、節(jié)能環(huán)保、運行穩(wěn)定可靠、送線路適應性強等特點，在現(xiàn)代工業(yè)不少領域中扮演了不可或缺的角色，廣泛應用于海港、工廠生產(chǎn)線、鋼鐵運輸、食品行業(yè)、煤炭生產(chǎn)以及其他需要物料搬運的工業(yè)等領域。近年來，彎曲皮帶輸送機又不斷在新興領域中表現(xiàn)出巨大的潛力和廣闊的市場應用前景。
隨著現(xiàn)代工業(yè)科學技術的發(fā)展，皮帶輸送機在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性越來越突出，它是工業(yè)實現(xiàn)機械化、自動化、智能化的重要組成部分。隨著運輸任務、工作場地及環(huán)境等情況變化的影響，輸送線路的鋪設不能夠按照直線來布置，因而出現(xiàn)了180度彎曲皮帶輸送機。
皮帶輸送機實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎變向一般有三種辦法[2]：①串聯(lián)搭接；②強制變向運行；③自然導向轉(zhuǎn)彎；
⑴串聯(lián)搭接：即把幾個單獨的皮帶輸送機串聯(lián)搭接在轉(zhuǎn)彎處，使其之間形成一定的夾角，從而使得變向運行的線路為折線；理論上，這種方法布置的輸送機工作運行仍然可靠適用于各種環(huán)境狀況，可以實現(xiàn)一定程度上的角度轉(zhuǎn)彎變向。但缺點是輸送機工作的路線冗長且繁雜交錯，布置的中間轉(zhuǎn)載站也相對較多，這就造成使用的設備增多，從而容易導致物料之間的擠壓碰撞，使輸送帶遭受沖擊和振動，進而降低了輸送帶的耐用度和使用壽命，對環(huán)境有一定的污染。
⑵強制變向運行：即在皮帶輸送機轉(zhuǎn)彎處或可采取專用皮帶，但這種皮帶在結構上有特殊要求；也可在轉(zhuǎn)彎段設置專用的變向裝置強制輸送機實現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)彎變向；通過強制變向的方法雖然能滿足要求，但是也有缺點[3]：①對安裝和調(diào)整滾筒工作性能方面的要求較嚴，若發(fā)生偏差則會影響皮帶的使用性能；②實現(xiàn)變向運行就需要在布置輸送線路時強迫輸送帶折彎幾次，進而降低了輸送帶的耐用度和使用壽命；③由于卸料裝置的安裝位置相對較高，在卸載物料時由于高度差會造成物料再次破碎；④生產(chǎn)制造這類輸送機的成本較高，安裝維護費用較高且不易。
⑶自然導向運行：根據(jù)力學的基本知識和應用規(guī)律可使輸送帶自然彎曲，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運行；采用這種方法的輸送機與普通皮帶輸送機可以通用，在結構上無需作出大的改變，只需在轉(zhuǎn)彎處設置相應的改向裝置實現(xiàn)皮帶輸送機的轉(zhuǎn)彎運行，拓寬了輸送機的應用范圍。
180度彎曲皮帶輸送機設計所采用的就是能夠?qū)崿F(xiàn)自然導向運行的輸送機。
皮帶輸送機與其他物料運送設備相比，具有以下特色[1]：
⑴可運送的物料類型多樣，應用廣泛，可以運送種類各異質(zhì)量不等的任何物品。如各種常見的物料、高溫物料、食品糧食、化學腐蝕性物料、高防靜電性物料、粘稠性物料、箱包等；
⑵送線線路的布置不受地形的約束，可在地面上建造實現(xiàn)空間范圍轉(zhuǎn)彎的皮帶輸送機，能較好的適應地形環(huán)境等因素，受載較均勻，運行速度相對穩(wěn)定，十分適于越野輸送散料和小塊料；
⑶彎曲皮帶輸送機是連續(xù)輸送機械中最常用的設備，裝卸物料不受時間地點限制，甚至可以在運輸過程中的裝卸，可以實現(xiàn)一定程度上的角度轉(zhuǎn)彎變向；
⑷通過與控制系統(tǒng)的集成可以提供準確跟蹤物品的功能，安全生產(chǎn)系數(shù)高，低成本,安裝和維護非常方便，還可以選配自動防跑偏裝置及單邊調(diào)整皮帶裝置，結構簡單，傳輸速度高，穩(wěn)定。
180度彎曲皮帶輸送機與一般直線皮帶輸送機不同的是它設置了內(nèi)曲線抬高角和將托輥傾斜安裝。當滿足力的平衡條件時輸送機即可依據(jù)力學規(guī)律實現(xiàn)自然變向，省去要定制專用輸送帶的麻煩，它的一些優(yōu)勢和適用條件如下[4]：
⑴應用于輸送線路的鋪設不能夠按照直線來布置的情況；
⑵可以利用轉(zhuǎn)彎變向的輸送線路規(guī)避阻礙，并且可以繞到有利地形上布置輸送機，實現(xiàn)少設或不設中間轉(zhuǎn)載站，從而達到減少設備的數(shù)量，使系統(tǒng)的供電和控制系統(tǒng)更為集中；中間轉(zhuǎn)載站的取消，由它引起的相關問題，如緩沖板、清掃器、導料槽等磨損件，都得到了解決，還節(jié)約系統(tǒng)投資和運行成本[14]；
⑶無物料溢出污染環(huán)境或堵塞機架的危險；
⑷輸送機工作產(chǎn)生的噪音分貝低，有利于操作人身心健康和保護環(huán)境；
?、山档土酥虚g轉(zhuǎn)載站的卸料高度，有利于節(jié)省能源。
180度彎曲皮帶輸送機的設計優(yōu)勢在于：獨特的糾偏設計，有效地防止了輸送帶跑偏和皮帶打滑的情況；輸送機在理論、技術和工藝上的水平都已經(jīng)發(fā)展較為成熟；機械上設計為在較短的時間內(nèi)就可以實現(xiàn)皮帶的安裝及更換；創(chuàng)新的設計根據(jù)皮帶上加裝導軌來進行轉(zhuǎn)彎導向的方式實現(xiàn)了低噪音、平穩(wěn)及高速的水平轉(zhuǎn)彎功能。
這種180度彎曲皮帶輸送機不僅有利于經(jīng)濟效益的提升，也有利于綠色生產(chǎn)的環(huán)保理念，在結構上也與普通皮帶輸送機基本相同，此種輸送機更符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)理念。隨著工業(yè)機械化和自動化程度越來越高，180度彎曲皮帶輸送機將受環(huán)境、地形條件等因素的影響制約越來越小，而其應用范圍將會越來越大，因而致力于研究和發(fā)展180度彎曲皮帶輸送機的重要性不言而喻。
1.2 180度彎曲皮帶輸送機國內(nèi)外發(fā)展水平及研究概況
1.2.1 國內(nèi)發(fā)展水平及研究概況
隨著物料運輸量不斷增長，皮帶輸送機產(chǎn)品的類型也在不斷地更新?lián)Q代，不僅在輸送量上提出要求，更要求較強的工作環(huán)境適應性。采用皮帶輸送機運輸物料是各行各業(yè)自動裝置和現(xiàn)代化自動流水線中不可缺少的，因此輸送機械更能體現(xiàn)國家機械自動化發(fā)展趨勢。皮帶輸送機的發(fā)展有利于運輸產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)機械化、自動化、智能化，國民經(jīng)濟的發(fā)展靠的是工業(yè)，而工業(yè)發(fā)展靠的是機械自動化和智能化。
物料運輸行業(yè)的輸送量已進入高速增長期，因而皮帶輸送機得到快速發(fā)展，在國家法律和政策支持的基礎上，有效利用自由市場在皮帶輸送機行業(yè)的資源配置中的決定性作用，盡管如此，彎曲皮帶輸送機行業(yè)還是存在著諸多問題。
目前國內(nèi)高精尖產(chǎn)品的核心零部件或者技術水平主要依靠進口，在一些關鍵零部件上的制造精度還達不到標準。隨著經(jīng)濟全球化的深化，國際貿(mào)易磨擦也不斷加大，我國制造的產(chǎn)品勢必要束縛于其他競爭對手和供應商。雖然我國制造業(yè)整體水平已經(jīng)邁入國際制造大國行列，但整體競爭能力、發(fā)展后續(xù)動力和產(chǎn)品應用的市場前景仍無法與發(fā)達國家相對持。因此，研究和設計180度彎曲皮帶輸送機的意義就十分重大，不僅可以增加我國產(chǎn)品的市場競爭力，也可以提高我國獨立開發(fā)科研水平，著力攻克關鍵技術，核心技術和品牌理念并舉，勇立世界科技發(fā)展的潮頭。在當今經(jīng)濟全球化的背景下，我國制造業(yè)正努力轉(zhuǎn)型，逐漸摸清了皮帶輸送機行業(yè)發(fā)展實質(zhì)，增強了品牌意識，不僅在技術難題上有所攻關，還認清了理念的重要性。
皮帶輸送機是眾多輸送設備之一，作為連續(xù)輸送機械中最常用的設備，市場的需求對皮帶輸送機產(chǎn)品提出更高的要求。輸送設備在兼顧投入運營成本的同時必須依靠技術的創(chuàng)新、品質(zhì)的保障和產(chǎn)品的實用等新優(yōu)勢提高我國產(chǎn)品的競爭力和市場潛力。180度彎曲皮帶輸送機常用于平行輸送線間的連接，在平面內(nèi)實現(xiàn)180°轉(zhuǎn)角變向，其工作穩(wěn)定可靠，物料與輸送帶之間不存在摩擦，能夠避免對輸送物的損壞。
很多輸送設備具有結構簡單且零部件大多已標準化，有利于縮短研發(fā)周期和制造周期，也便于維修等特點。目前市面上已投入使用的皮帶輸送機，如大傾角帶式輸送機、線摩擦帶式輸送機、新型圓管帶式輸送機等多種產(chǎn)品類型，它們廣泛地用來輸送大型塊料或重型物料。按照輸送工藝的設計和不同生產(chǎn)線布置的需要，可以采用不同輸送方案，如水平布置，傾斜布置，帶凹弧曲線段布置，帶凸弧曲線段布置等，也可以之間相互組合。
目前在國內(nèi)，皮帶輸送機的應用很是普遍，在采礦、海港口岸、糧食建筑等的行業(yè)中都有非常重要的作用。皮帶輸送機在不同的行業(yè)中就有不同的發(fā)展方向，比如在煤炭行業(yè)中輸送機正朝著承重能力、處理能力、牽引力、耐用性等方向不斷革新，又如在糧食食品行業(yè)中，輸送機向小型化、可移動型、便攜型發(fā)展。因此，目前國內(nèi)皮帶輸送機行業(yè)發(fā)展正朝著增強運輸能力、增加輸送帶寬度、增加輸送機工作機長和加大水平轉(zhuǎn)彎角度、節(jié)約能源，減少投資成本等方向發(fā)展。
環(huán)保、節(jié)能、高效的生產(chǎn)方式不再是其它重工業(yè)行業(yè)的發(fā)展方向，也是廣大中小型皮帶輸送機械設備生產(chǎn)廠家發(fā)展的必然趨勢，企業(yè)之間無論規(guī)模大小，都應該打開溝通渠道，加快實施合作戰(zhàn)略，積極提高企業(yè)的管理決策能力和改善產(chǎn)業(yè)的運營狀況，不斷學習相互的長處，自我革新，以求突破發(fā)展，并在世界范圍內(nèi)建立技術體系和銷售網(wǎng)絡，由于產(chǎn)業(yè)規(guī)模的集群效應和技術創(chuàng)新的競爭，使行業(yè)發(fā)展更加合理完善，營造出的創(chuàng)新環(huán)境使發(fā)展境界更進一步得到提升。
1.2.2 國外發(fā)展水平及研究概況
從國際上來看，根據(jù)皮帶輸送機在各行各業(yè)中發(fā)揮的作用，其技術的發(fā)展方向主要集中在兩個方面：第一，皮帶輸送機能滿足各式各樣的輸送量要求，場地適應性和輸送量都在增強，如大角度傾斜帶式輸送機、新型圓管帶式輸送機、平面和空間轉(zhuǎn)彎帶式輸送機等；第二，皮帶輸送機自身的裝備技術，正朝著增強運輸能力、增加輸送帶寬度、增加輸送機工作機長和加大水平轉(zhuǎn)彎角度、節(jié)約能源，減少投資成本等方向發(fā)展。
比如：1978年后先后有南非、德國、法國、意大利等國家以及中國淮南煤礦機械廠和中國華電公司引進圓管輸送帶做輸送機；德國生產(chǎn)制造的大型皮帶輸送機目前已投入運行，每秒運行速度達7.4m，每小時可運輸煤礦的重量可達37500t。世界上，法國、前蘇聯(lián)、奧地利、德國、美國等國家都在致力于180度彎曲皮帶輸送機設計的理論研究和科學試驗。法國、德國已設計建造出多條180度彎曲皮帶輸送機生產(chǎn)線，投產(chǎn)運營規(guī)模好，運行正常，經(jīng)濟效益良好[16]。目前世界上安裝的180度彎曲皮帶輸送機總長度達160km，單臺最長已達5km，近30臺超過1km，近40臺運量超過1600t/h；1980年法國在太平洋4 新客里多尼亞鎳礦鋪設了一條轉(zhuǎn)彎皮帶輸送機，1992年津巴布韋建成一條單機運距長為15.3km的平面彎曲皮帶輸送機。
國外對180度彎曲皮帶輸送機進行的理論研究：
有針對180度彎曲皮帶輸送機傳動裝置的傳動滾筒提出新的設計方法和結構布置的，并檢驗其抵抗變形的能力的研究，其中基于萊布尼茨奠定的微積分的計算方法最具有代表性[6]。這種計算方法是基于傳動滾筒為研究目標，對其進行理論分析。它的研究方法是構建數(shù)學模型，是把所要計算的構件理想化，進行微分計算，從而得到伸長變化量與相對位移之間的表達函數(shù)式，再利用胡克定律式，根據(jù)已求解出的表達函數(shù)式，最終求出所需的應力。這種方法在解不復雜的問題模型時是簡單快捷的，但當遇到的傳動滾筒結構較復雜時，只能把所要計算的構件先用微分思想分解成無窮多個構件，在經(jīng)過理想假設化后利用極限思想，最后根據(jù)選取的數(shù)學模型進行求解。這種方法的適用條件是假設傳動滾筒輸送帶不打滑，松邊張力等于緊邊張力，根據(jù)設定的理想化邊界條件，最后得到趨于實際情況的理想解。輸送機隨著市場的需求變化而不斷轉(zhuǎn)型升級，在國外，人們已經(jīng)開始對滾筒進行整體分析。
奧地利的K.J.Grimme和B.Berumer[8]計算出自重分力和摩擦阻力，得出結論：當輸送帶跑偏時，物料在輸送帶上的實際位置是無法確定的，他們從理論研究的角度出發(fā)，提出了有兩種假設情況[13]：一種是發(fā)生跑偏后，物料不受影響仍處于輸送帶的中心軸線上，只有物料下面的輸送帶是在跑偏的狀態(tài)；另一種是輸送帶向心或者離心跑偏，由于輸送帶和物料之間無摩擦存在，物料也隨著輸送帶跑偏的方向跑偏。經(jīng)過實驗觀察后得出結論，這兩種假設情況與事實不符。因此，研究者假定輸送帶向心或者離心跑偏的偏移量與物料的偏移量存在一定關系，他們設定其中的定量關系相差二分之一，于是按照此類假定成功研究出了180度彎曲皮帶輸送機。
F.Kessler[9]在180度彎曲皮帶輸送機方面的研究貢獻很突出，不僅提出在轉(zhuǎn)彎段采用懸掛托輥組布置形式可以減小轉(zhuǎn)彎半徑，還研究了在轉(zhuǎn)彎段如何布置懸掛托輥組結構的設計理論及計算方法，他和K.J.Grimme一起發(fā)表了很多文獻。除了對傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎段托輥布置結構進行理論研究外，他對轉(zhuǎn)彎段采用索環(huán)托輥的理論分析也很深入[6]。由于這些學者不懈的理論研究，使得世界范圍內(nèi)的180度彎曲皮帶輸送機的研究日臻成熟，對彎曲輸送機的實際應用起到了助推作用。
隨著IT技術的發(fā)展，運用計算機匯編語言對皮帶輸送機滾筒結構設計分析進行研究，目前這方面的應用已經(jīng)成為皮帶輸送機發(fā)展的潮流。由于國外對輸送機研究領先于我國，目前有些國家已經(jīng)將其投入進商業(yè)用途當中，其中比較著名的是美國公司的皮帶輸送機輔助設計軟件，該軟件已有近三十年的歷史，而且還在不斷地更新和維護，優(yōu)勢不僅在于軟件的功能性強，還可以方便地實現(xiàn)皮帶輸送機系統(tǒng)的選型設計、計算、校核、優(yōu)化等，大大提高了設計效率和產(chǎn)品制造周期，因而使用此款軟件的人群遍及世界范圍。
表1-1 國外平面彎曲皮帶輸送機的基本參數(shù)[10,11]
時間
/年
國別
機長
/m
帶寬/mm
彎曲半徑/m
帶速
m/s
提升高度/m
運量
t/h
1976
聯(lián)邦德國
1232
1000
1400
3.3
17
800
1979
法國
1350
650
500
1.7
75
1200
1980
美國
11120
800
4處
3.6
-557
560
1985
美國
3385
80
2150~7000
2.9
700
1991
韓國
4200
1000
1500~2000
3.4
24
1675
1992
德國
1050
800
950
1.68
-4
400
1995
希臘
1020
1200
1250
2.1
-160
1200
1.3 本文的主要研究內(nèi)容及研究方法
今后，采用彎曲運行的皮帶輸送機來運輸物料必然會成為趨勢，180度彎曲皮帶輸送機有諸多功能上的優(yōu)勢：⑴通過與控制系統(tǒng)的集成可以提供準確跟蹤物品；⑵通過控制可以提供很多有效的功能，如：為高速導入的場合提供一種低成本的積放方案；⑶可以選配自動防跑偏裝置及單邊調(diào)整皮帶裝置；⑷彎曲皮帶輸送機的設計使得輸送機可以實現(xiàn)各種角度順暢的運輸。
論文結合以180度彎曲皮帶輸送機為研究對象，設計參數(shù)輸送物為袋裝食品，帶寬550mm，帶速為5.8m/s=0.1m/s，轉(zhuǎn)角θ=180°，根據(jù)實際工作場地的狀況，要求在水平面內(nèi)（即傾斜角β=0°）實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運輸。180度彎曲皮帶輸送機的設計計算涉及到機械結構設計、設計計算方法、關鍵零部件的設計、計算與校核和動態(tài)過程分析等各方面的問題，核心問題是張力和轉(zhuǎn)彎措施的設計。
本論文分析了180度彎曲皮帶輸送機的轉(zhuǎn)彎力平衡、應力應變和輸送帶不離開托輥的限制條件,建立了轉(zhuǎn)彎段輸送帶張力所引起的向心力和導向力的平衡方程，以此為基礎結合實際條件和已知參數(shù)進行具體設計計算。
本文分析和研究現(xiàn)有的180度彎曲皮帶輸送機轉(zhuǎn)彎處的不同形式的結構布局，運用所學力學知識，按照力學規(guī)律，由此得出各自的特點；分析180度彎曲皮帶輸送機轉(zhuǎn)彎處的受力情況，以現(xiàn)有的180度彎曲皮帶輸送機的轉(zhuǎn)彎處結構為基礎，提出自己所設計的輸送機實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的設計方法和步驟，最后進行校核驗算，以發(fā)現(xiàn)設計缺陷并確保輸送機運行的可靠性和穩(wěn)定性。
在設計180度彎曲皮帶輸送機時，有一些設計內(nèi)容是和直線皮帶輸送機相同，核心問題是張力和轉(zhuǎn)彎措施的設計。180度彎曲皮帶輸送機設計方法是：
⑴根據(jù)輸送設備布置的地形條件，擬定傳送方案設計，確定180度彎曲皮帶輸送機的裝置；
⑵初步設計如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的方法以及如何根據(jù)物料性狀、輸送帶性能等因素選取托輥組的相關參數(shù)，查閱資料設置合理的內(nèi)曲線抬高角以及安裝托輥的傾斜角度，設計輸送機曲線段的曲率半徑，擬定相應的措施防止輸送帶跑偏；
⑶計算輸送帶部分關鍵點的張力，計算輸送機彎曲運行時所產(chǎn)生的各種阻力及其他參數(shù)，并分析了可能減小阻力的措施，以此確定圓周驅(qū)動力，確定減速電機型號；
⑷根據(jù)設計手冊算出相應的數(shù)據(jù)后，應驗算輸送帶和彎曲段的曲率半徑以及轉(zhuǎn)彎限制條件等相關尺寸計算；
⑸輸送機零部件的選型與校核，驗證其是否能夠使輸送機達到穩(wěn)定可靠的工作狀況，同時考慮是否還有結構缺陷、設計合理性等問題。
2 180度彎曲皮帶輸送機總體設計
2.1 180度彎曲皮帶輸送機概述
180度彎曲皮帶輸送機通過在輸送帶內(nèi)側(cè)圓弧部分設置一定的抬升角度和在安裝托輥時將其與水平面形成一定的角度等方法，使輸送機在轉(zhuǎn)彎段時產(chǎn)生一個向外的離心摩擦推力，又由于轉(zhuǎn)彎造成輸送帶張力和摩擦力不共線從而產(chǎn)生一個向心合力，兩者滿足力的平衡，從而保證輸送帶的轉(zhuǎn)彎運行[4]。180度彎曲皮帶輸送機應用于輸送線路的鋪設不能夠按照直線來布置的情況，可以起到優(yōu)化輸送系統(tǒng)的作用，有效減少了資金的投入和成本的增加，獲得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。
2.1.1 180度彎曲皮帶輸送機工作原理
180度彎曲皮帶輸送機設計除轉(zhuǎn)彎段的結構形式布置外，在其他部分的設計內(nèi)容上與直線皮帶輸送機基本一致，在工作原理上它也與直線段的皮帶輸送機基本沒有差別。工作運行時是靠電動機輸出動力，再由驅(qū)動裝置帶動傳動裝置傳遞動力給輸送帶，輸送帶既起承載又起牽引的作用[12]。如圖2-1所示，皮帶輸送機在直線段和轉(zhuǎn)彎段運行時所受力的情況明顯不同。假設輸送帶可切分為無數(shù)小單位，取其中一小單元為研究對象，無論是在直線段還是在轉(zhuǎn)彎段，研究對象會受到拉力作用，拉力產(chǎn)生的原因輸送帶單元之間的張力(T+ΔT,T)，以及由于支撐托板對輸送帶的支持作用而產(chǎn)生的摩擦力Ff，在直線段上這些力的作用線在同一直線上(如圖2-1a)，各力匯交后是平衡的(針對恒速輸送)。而在轉(zhuǎn)彎段，如圖2-1b所示，這些作用力合成后將產(chǎn)生一個向心合力Fr，這種情況下運輸物料會產(chǎn)生跑偏，甚至散料。因此要想辦法產(chǎn)生力來克服向心合力Fr，保證物料在運行過程中平衡[13]。
根據(jù)180度彎曲皮帶輸送機中間架的設計形式以及托輥組結構與布置的特點能夠產(chǎn)生一個向外的離心力FW來克服上文所述的向心合力[6]。
(a)直線輸送帶單元 (b)轉(zhuǎn)彎輸送帶單元
圖2-1 輸送帶受力單元
如果輸送物料在轉(zhuǎn)彎運行過程中，依據(jù)中間架的設計形式以及托輥組結構與布置的特點所產(chǎn)生的離心力FW未能克服向心合力Fr。若離心力FW大于向心合力Fr，輸送帶就會向外跑偏，輸送物料就會向外側(cè)滑動；反之則情況相反。因此要采取相應的防范措施來防止其跑偏，若跑偏的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，就會導致輸送帶的使用壽命，影響設備生產(chǎn)效益。
2.1.2 實現(xiàn)變向的措施[13,17]
常見的解決方案是通過在輸送帶內(nèi)側(cè)圓弧部分設置一定的抬升角度和在安裝托輥時將其與水平面形成一定的角度等方法，使輸送機在轉(zhuǎn)彎段時產(chǎn)生一個向外的離心摩擦推力，又由于轉(zhuǎn)彎造成輸送帶張力和摩擦力不共線從而產(chǎn)生一個向心合力，兩者滿足力的平衡，從而保證輸送帶的轉(zhuǎn)彎運行。
自然變向轉(zhuǎn)彎是輸送帶按力學規(guī)律自然彎曲實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運行，180度彎曲皮帶輸送機實現(xiàn)自然變向轉(zhuǎn)彎一般需要采取三個方法，即基本措施，附加措施和應急措施[2]。
⑴基本措施
①托輥傾斜安裝
順著輸送線路工作運行的方向，將托輥在轉(zhuǎn)彎處內(nèi)側(cè)圓弧的部分向前移，使托輥組的中心軸線與輸送帶中心線的法線方向形成夾角，則形成的夾角為前傾角ε，如圖2-2所示。所形成的前傾角與普通直線皮帶輸送機的托輥傾斜安裝類似。
圖2-2 托輥安裝傾角的構成
R-曲率半徑；Δα-相鄰托輥中心軸線所對圓弧的圓心角；v-帶速；vR-垂直于托輥中心軸線的速度；Δv-相對滑移速度； F'R-摩擦力；FR-F'R在輸送帶中心線的法線方向的投影；F''R-F'R在輸送帶中心線的切線方向的投影；T-輸送帶單元之間的張力；?T-經(jīng)Δα角后皮帶張力增量；ε-安裝支撐角；A-ε= 0時的托輥；B-具有安裝支撐角ε的托輥
在安裝托輥時將其與水平面形成一定的角度，輸送帶帶速v與垂直于托輥中心軸線的速度vR（也是托輥的線速度）形成的夾角為ε，根據(jù)矢量三角形求出兩者之間的相對速度為Δv，方向指向轉(zhuǎn)彎圓弧的圓心。因為存在相對運動速度Δv，所以托輥對輸送帶的支持作用而產(chǎn)生摩擦力F'R，方向沿托輥組中心軸線向外，沿曲線分解，得法向分力FR和切向分力和F''R。法向分力FR，即2.1.1節(jié)中所說的離心摩擦推力，是用來克服輸送帶單元之間的拉力(T+ΔT,T)以及托輥對輸送帶的支持作用而產(chǎn)生的摩擦力F'R所形成的向心合力Fr；切向分力F''R是輸送機運行所受到的阻力。由此可見，運行阻力的大小會隨著托輥傾斜安裝角的變化而變化，因此在設計時要合理安裝托輥布置傾斜安裝角。
②增大托輥組的槽角
槽角λ是指托輥組兩外側(cè)托輥的中心軸線與中間平托輥的中心軸線所形成的夾角，如圖2-3所示。事實證明，皮帶輸送機的運輸能力與托輥組的槽角有關，并且成正比例關系；托輥組槽角的增大也有利于輸送帶的對中性，從而保證物料的平衡，也可用來減小輸送帶的偏移量[7]，有利于提高輸送機運輸效率。因此，通過槽角的調(diào)整是輸送帶獲得對中性的一個途徑，槽角的存在有助于調(diào)節(jié)180度彎曲皮帶輸送機轉(zhuǎn)彎曲率半徑。但托輥組的槽角不宜過大，過大時會使輸送帶在側(cè)托輥與中間托輥轉(zhuǎn)彎處發(fā)生縱向斷裂[14]。
⑵附加措施
①內(nèi)曲線抬高
根據(jù)180度彎曲皮帶輸送機中間架的設計形式以及托輥組結構與布置的特點能夠產(chǎn)生一個向外的離心摩擦推力FW來平衡輸送帶張力與支撐托板和輸送帶之間的摩擦力所形成的向心合力Fr[6]，獲得離心摩擦推力FW的辦法是在輸送帶內(nèi)側(cè)圓弧部分設置一定的抬升角度，如圖2-3所示。利用此時輸送帶和它上面所承載的物料的重力，將其分解后可獲得沿輸送帶中心線外側(cè)的分力，此分力就是離心推力。在輸送帶內(nèi)側(cè)圓弧部分設置一定的抬升角度，它與水平面形成的夾角，即為內(nèi)曲線抬高角。
圖2-3 內(nèi)曲線抬高角和托輥槽角
λ1、 λ3是托輥的槽角； γ是內(nèi)曲線抬高角
②下分支托輥組的型式
輸送機回程托輥組的型式一般采用的是兩個托輥組成的V型結構或是單個平托輥兩種[7]。采用V型結構的托輥，其作用是防止輸送帶的跑偏；而采用單個平托輥時，要設置壓輥來增加輸送帶與托輥之間的摩擦力。
③采用五托輥結構
相較于三托輥結構，在180度彎曲皮帶輸送機的轉(zhuǎn)彎處布置五托輥結構的優(yōu)勢是：托輥組的槽角增大、輸送帶獲得較好對中性、緩和沖擊等；劣勢是使傳動裝置結構復雜化，投資成本增加。
⑶應急措施
在輸送機轉(zhuǎn)彎段的機身內(nèi)外側(cè)設置擋邊立棍來限制輸送帶的跑偏，但這是一種平常不用的辦法，若是這種辦法經(jīng)常起作用，這將導致輸送帶的磨損加劇，輸送帶的耐用度和使用壽命也會大幅度降低，從而使得輸送機在平面內(nèi)就不能實現(xiàn)自然轉(zhuǎn)彎變向。在企業(yè)選用的彎曲皮帶輸送機中常見的形式是采用了加高轉(zhuǎn)彎外側(cè)的高度，使物料在輸送過程中由于受到離心力的作用發(fā)生拋灑的幾率減小，同時在企業(yè)生產(chǎn)中能幫助企業(yè)減少了輸送設備投入。
2.1.3轉(zhuǎn)彎處托輥組結構[15]
托輥組結構形式的選擇和布置方式的設計是180度彎曲皮帶輸送機設計的重要內(nèi)容。在設計過程中，要結合實際工作環(huán)境，延長托輥組的耐用度和使用壽命，或合理優(yōu)化設計托輥組結構，從而保證180度彎曲皮帶輸送機運行的可靠穩(wěn)定性和成本資金的投入。為實現(xiàn)上述的措施，常采用下面的幾種結構形式。
⑴彈性支撐結構
彈性支撐結構圖如圖2-4所示，該結構的特點是能自動調(diào)節(jié)托輥組的內(nèi)曲線抬高角，它是根據(jù)輸送帶和它上面承載物料重力的大小，再通過彈簧的彈性變形來實現(xiàn)的。在輸送帶空載運行時，彈簧無彈性形變量，內(nèi)曲線抬高角變大，此時的離心推力也較大；當輸送帶上有載時，彈簧在輸送帶及物料的重力作用下被壓縮，使內(nèi)曲線抬高角變小。但彈性支撐結構中彈簧存在的振動問題，因此不利于輸送機的平穩(wěn)運輸和物料受力平衡。
圖2-4 彈性支撐結構
⑵吊掛結構
吊掛結構，是把托輥組經(jīng)由支點將其懸掛在中間架上的結構，結構中相鄰兩托輥是通過鉸接的方式連接，與吊掛件組成環(huán)形形狀。常用于重載工作的輸送機，托輥組的實際工作位置是根據(jù)輸送帶及物料的重力來確定的，對工作場合的適用性較強。
如圖2-5所示是在井下用來運輸煤礦的平面彎曲皮帶輸送機所采用的結構，該結構的吊掛支點選的是應用巷道的頂板，當轉(zhuǎn)彎處不滿足力的平衡條件時，依靠吊掛桿的左右搖擺產(chǎn)生阻力來保持平衡；如圖2-6所示是奧地利Bider+CO AG公司設計的180度彎曲皮帶輸送機所采用的托輥組結構，這種吊掛結構除了以上所述作用外還能改變內(nèi)曲線抬高角，實現(xiàn)較小轉(zhuǎn)彎曲率半徑；如圖2-7是法國F.S.Valcalda設計的一種半圓深槽形吊掛托輥組結構，從理論上來講，這種結構便于設計出轉(zhuǎn)彎曲率半徑的最小值和單位輸送長度上物料輸送的最大值，且有利于輸送帶穩(wěn)定性；但種結構將使輸送機的結構復雜化，磨損加劇，使設備投資成本增加。因而近年來，采用吊掛結構的皮帶輸送機設備很少。
圖2-5 頂板吊掛結構 圖2-6 頂點吊掛結構
圖2-7 半圓深槽形吊掛托輥組結構
⑶內(nèi)曲線設置托輥
內(nèi)曲線設置托輥就是在內(nèi)曲線的側(cè)邊布置一個托輥，特點是托輥較陡，以確保輸送帶運行方向準確、不跑偏，但由于多設置了一個托輥，使得托輥結構復雜化，投資成本費用增加。
圖2-8 內(nèi)曲線側(cè)增設托輥
2.1.4 輸送機托輥組的結構
本次設計的180度彎曲皮帶輸送機的結構是通過在輸送帶內(nèi)側(cè)圓弧部分設置一定的抬升角度和在安裝托輥時將其與水平面形成一定的角度等方法來實現(xiàn)輸送機在平面內(nèi)轉(zhuǎn)彎變向運行。根據(jù)以上幾種轉(zhuǎn)彎結構的特點，可以得出如圖2-9 的結構形式。
圖2-9 自由變向轉(zhuǎn)彎的一般結構
本設計中把輸送帶內(nèi)側(cè)圓弧部分的抬升角度設置為γ，與各承載托輥的中心軸線與輸送帶運行方向形成的夾角設為ε1、ε2、ε3的方式，以保證物料在輸送過程中平衡和輸送機的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)輸送機在平面內(nèi)按力學規(guī)律轉(zhuǎn)彎變向運行。此結構具有理論成熟、安裝簡單、投資和維護費用低等優(yōu)點，目前大多數(shù)180度彎曲皮帶輸送機在轉(zhuǎn)彎段都采用這種托輥組布置結構[6]。
2.1.5 輸送機的布置形式
輸送機的基本布置方式如圖2-10所示：
圖2-10 輸送機布置形式
輸送機的工作運行是靠驅(qū)動裝置來提供驅(qū)動力的，電動機扭矩通過傳動滾筒拉動輸送帶。
使用單滾筒、單電機的單點驅(qū)動方式是比較簡單的，本文所設計的輸送機是在平面內(nèi)運行的，且輸送物料為袋裝食品，輸送量不大，因此在本設計中使用在輸送機驅(qū)動系統(tǒng)中常用的單點驅(qū)動方式，在本次設計中驅(qū)動裝置安裝在轉(zhuǎn)彎過渡段處的機架上。
2.2總體設計方案的擬定
2.2.1 180度彎曲皮帶輸送機裝置的確定
一般而言，180度彎曲皮帶輸送機是通過在輸送帶內(nèi)側(cè)圓弧部分設置一定的抬升角度和在安裝托輥時將其與水平面形成一定的角度等方法，當物料運行至轉(zhuǎn)彎段時，輸送帶單元之間的張力和由于支撐托板對輸送帶的支撐而產(chǎn)生的摩擦力形成的向心合力，從而導致輸送帶向心跑偏。但是因為在轉(zhuǎn)彎處將輸送帶內(nèi)側(cè)圓弧部分設置了一定的抬升角度，輸送帶和它所承載的物料重力由此產(chǎn)生的分力FG使輸送帶和物料沿著帶條向外緣跑偏，離心慣性力FQ是由于轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的，離心摩擦力FR是由于托輥對輸送帶的支持作用而產(chǎn)生的，它們都做離心運動，它們的合力能夠克服輸送帶張力的合力FT，在力達到平衡的條件下使輸送帶實現(xiàn)平穩(wěn)運行，并且獲得良好的對中性 [7]，如圖2-11所示為轉(zhuǎn)彎段受力簡圖。因此，轉(zhuǎn)彎段輸送帶力的平衡條件為[4]：
FT+FG+FR+FQ=0 (2-1)
式中 FT——表示輸送帶張力的合力；
FG——表示物料和輸送帶重力所產(chǎn)生的分力；
FR——表示離心摩擦力；
FQ——表示離心慣性力。
圖2-11 平面轉(zhuǎn)彎受力簡圖
為了便于計算，假設轉(zhuǎn)彎處為一段圓弧，該圓弧對應的圓心角為α，則α=a0/R，設正方向為離心方向。
180度彎曲皮帶輸送機為實現(xiàn)輸送帶運行的自然變向，也避免采用需要特殊布局的輸送帶。但這種裝置結構比較復雜，且不易控制，為了簡化運輸系統(tǒng)，節(jié)省能耗和改善改向滾筒運行時的受載情況，盡量減少中間轉(zhuǎn)載點的設置，本次設計采用圖2-12所示的傳動方案。
圖2-12 結構簡圖
2.2.2 轉(zhuǎn)彎方案布置
180度彎曲皮帶輸送機運行性能取決于轉(zhuǎn)彎段，若轉(zhuǎn)彎處的裝置不能正常工作，則整部輸送機就不能使用。反之，若轉(zhuǎn)彎裝置設計合理運行性能良好，它不但可以實現(xiàn)任何寬度的運輸機轉(zhuǎn)彎，而且可以與其他類型的皮帶輸送機配套使用。
圖2-13 轉(zhuǎn)彎部分簡圖
1-滾道左端罩 2-主動軸 3-軸承 4-電機罩殼
5-滾道 6-從動軸 7-滾道右端罩 8-軸承
3 180度彎曲皮帶輸送機設計計算
3.1 輸送帶選擇計算
3.1.1輸送量計算
輸送帶是皮帶輸送機上的關鍵部件，是皮帶輸送機的牽引構件和承載構件，應有較高的抗拉強度，便于輸送和安裝維護，還具備一定的使用壽命。輸送帶由彈性體(覆蓋膠和帶芯膠)和骨架材料組成，其基本形態(tài)為平形，是一種國際標準化的產(chǎn)品。
已知基本參數(shù)輸送物料為袋裝食品，帶寬B=550mm，帶速v=5.8m/min =0.1m/s，轉(zhuǎn)角θ=180°，根據(jù)實際工作場地的狀況，要求在水平面內(nèi)（即傾斜角β=0°）實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運輸。宜選用輸送帶型號為NN-100，食品散落在輸送帶上，最大粒度amax=150mm，平均松散堆積密度ρ=0.8t/m3。
依據(jù)以上參數(shù)，可求得最大輸送量Qmax
Qmax=3600Smaxvρc (3-1)
式中 c ——表示輸送機的傾角系數(shù)，取c=1；
Smax——表示輸送帶最大允許物料的橫截面面積。
取槽角λ=35°，查表[19]可得Smax=0.0162m2。代入數(shù)據(jù)后求得Qmax=4.7t/h。
3.1.2 輸送帶帶寬
設滿足輸送要求時，所需帶寬為B'
B'≥2a+200 (3-2)
式中 a——表示物料的最大粒度。
求得B=550≥2×150+200=500mm,即輸送帶帶寬符合核算要求。
齒接是傳統(tǒng)的輸送帶連接方式，操作簡便、接頭迅速并可及時輸送帶的塑性伸長問題。
3.1.3 輸送帶阻力計算
3.1.3.1 其他參數(shù)計算
每米長度輸送物料質(zhì)量：
qG=Q3.6v (3-3)
式中 qG——表示每米長度輸送物料質(zhì)量。
代入數(shù)據(jù)求得qG=13.06kg/m。
經(jīng)查表可得，單個承載托輥轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量qR0'=8kg/m，單個回程托輥轉(zhuǎn)動部分qRU'=7kg/m[19]。
qR0=n×qR0'a0 (3-4)
qRU=n×qRu'au (3-5)
式中 qR0——表示承載托輥旋轉(zhuǎn)部分重量；
qRU——表示回程托輥旋轉(zhuǎn)部分重量。
代入數(shù)據(jù)可求得qR0=60kg/m，qRU=2.33kg/m。
型號為NN-100的輸送帶，可選用的最大許用層數(shù)為4層，輸送物料較輕，上、下膠料覆蓋層厚度為3.0mm和1.5mm即可滿足輸送要求，則單位長度上的皮帶質(zhì)量qB=5.82kg/m。
表3-1 輸送帶參數(shù)表[19]
輸送帶型號
抗拉強度N/(mm·層)
每層厚度
mm
每層重量
kg/m2
參考力伸長率%
NN-100
100
1.00
1.02
1.5~2
帶寬/mm
層數(shù)
上覆蓋膠厚度/mm
下覆蓋膠厚度/mm
每毫米厚膠料重量
550
4
3.0
1.5
1.19
3.1.3.2 主要阻力計算
主要阻力：
FH=fLgqR0+qRU+2qB+qGcosδ (3-6)
式中 f ——表示模擬摩擦系數(shù)[19]，查表取0.022；
L ——表示輸送機輸送機長度，21m。
代入數(shù)據(jù)求得FH=394.44N。
3.1.3.3 特種主要阻力計算
特種主要阻力包括前傾阻力和導料槽阻力，即
Fs1=Fε+Fg1 (3-7)
前傾阻力Fε
承載部分三個等長托棍前傾阻力：
Fε1=Cεμ0LεqG+qBgcosδsinε (3-8)
回程部分二個等長托棍前傾阻力：
Fε2=μ0LεqBgcosδsinε (3-9)
導料槽阻力
Fg1=μ2IV2ρglv2b12 (3-10)
式中 Cε ——表示槽型系數(shù)，35°槽角取0.43；
μ0——表示皮帶和托輥之間的摩擦系數(shù)，取0.35；
Lε ——表示皮帶輸送機裝有前傾托輥組的長度；
ε ——表示各托輥的軸線與運行方向的夾角，取ε=3°；
代入數(shù)據(jù)可求得Fε1=10.16N，F(xiàn)ε2=7.32N ，由于未設置導料槽攔板，所以Fg1=0N,綜上可得，特種主要阻力Fs1=17.48N。
3.1.3.4 特種附加阻力計算
特種附加阻力包括清掃器阻力和卸料器阻力，即
Fs2=n3?Fr (3-11)
Fr=A?p?μ3 (3-12)
式中 n3 ——表示清掃器（頭部清掃器和空段清掃器）的數(shù)量；
A ——表示一個清掃器和膠帶接觸面積[19]；
p ——表示清掃器和皮帶之間的壓力，取6×104N/m2；
μ3 ——表示清掃器和皮帶之間的摩擦系數(shù)，取0.6；
代入數(shù)據(jù)可得Fs2=936N。
3.1.3.5 傾斜阻力計算
傾斜阻力Fst
Fst=qGHg (3-13)
因為輸送機在平面內(nèi)運輸物料，所以Fst=0N。
綜上，圓周驅(qū)動力FU=FH+FS1+FS2+Fst=1347.92N。
3.1.4 輸送帶張力計算
輸送帶的張力是隨著輸送帶的長度變化而變化的，為保證輸送帶正常工作，運輸物料穩(wěn)定可靠，輸送帶需滿足以下條件[20]：
⑴在任何負載情況下,作用在輸送帶上的張力應使得全部傳動滾筒上的圓周力是通過摩擦傳遞到輸送帶上,而輸送帶與滾筒間應保證不打滑；
⑵傳送帶上的張力應該足夠大，使傳送帶在兩組托輥之間的下垂距離小于某一值。
3.1.4.1 部分關鍵點的張力計算
⑴初算驅(qū)動滾筒分離點的張力T1
T1=Cnω0efα-1 (3-14)
式中 n ——表示摩擦力備用系數(shù)，取n=1.3；
ω0 ——表示系統(tǒng)總阻力；
C——表示其他阻力系數(shù)，取C=1.25；
f ——表示輸送帶與滾筒之間的摩擦系數(shù)，取f=0.25；
α ——表示驅(qū)動滾筒總的圍包角；
efα ——表示歐拉系數(shù)，可查表取值[19]。
⑵利用逐點法計算輸送帶關鍵特性點的張力
已知輸送帶第i-1點的張力為Ti-1，則沿著輸送帶的運行方向第i點的張力滿足：
Ti=Ti-1+Fi (3-15)
式中 Fi ——表示i-1至i點的運行阻力。
在順序計算各點張力時，上式可簡化為：
Ti=K'Ti-1 (3-16)
式中 Ti ——表示驅(qū)動滾筒奔離點張力；
K' ——表示改向滾筒阻力系數(shù)。
摩擦驅(qū)動條件為：
F=T1efα-1n (3-17)
式中 T1 ——表示驅(qū)動滾筒分離點的張力；
圖3-1 輸送機布置簡圖
根據(jù)傳動滾筒奔離點的最小張力為T1=2669N，計算各點張力，
T1=T2=2669N
T3=K'T2=1.04×2669=2775.76N＞F回min，滿足要求
T6=T3+aK2L1=2775.76+2.26×9.05=2796.3N
T7=K'T6=1.04×2796.3=2908.2N＞F承min，滿足要求。
式中 K'——表示改向滾筒阻力系數(shù)[19]，查表取1.04。
3.1.5 輸送帶校核
3.1.5.1 輸送帶不打滑條件校核
為了確保輸送帶在正常運行過程中不會打滑，應在輸送帶上保持最小張力F2min：
F2T1min≥FUmax1eμφ-1 (3-18)
式中 FUmax——表示輸送機滿載啟動時或制動時出現(xiàn)的最大圓周驅(qū)動力；
μ ——表示傳動滾筒與輸送帶之間的摩擦系數(shù)；
φ ——表示輸送帶在所有傳動滾筒上的圍包角。
代入數(shù)據(jù)可求得FUmax=1708.16N, F2T1min≥2669N。
3.1.5.2 輸送帶下垂度校核
校核輸送帶的下垂度，輸送帶上任何一點的最小張力Fmin,需要進行驗算，即滿足以下兩個式子：
F承min>a0qGBg8hamax (3-19)
F回min>auqBg8hamax
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