带式输送机绿色设计关键技术应用简析

刘鹏　李建　张栋

摘要：带式输送机在电力、煤矿、港口、物流、冶金、化工等众多行业领域是一种极其重要的散状物料运输设备，被人们广泛应用。文章把绿色设计这种技术理念引入到带式输送机的设计过程中，在分析带式输送机的经济属性、能源属性、资源属性与环境属性等的基础上，对带式输送机的绿色设计关键技术进行了理论研究。

关键词：带式输送机；绿色设计；关键技术；动态绿色设计；虚拟样机技术；可拆卸设计 文献标识码：A

中图分类号：TQ172 文章编号：1009-2374（2016）16-0088-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.042

随着科技的发展以及人类物质文明和精神文明的不断提高，人类意识到生存的环境日益恶化，可利用的资源日趋枯竭，经济的进一步发展受到了严重制约，绿色设计理念被提出，并应用到设计加工过程中。因此，绿色设计也称生态设计，在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性并将其作为设计目标，在满足减少环境污染、减小能源消耗、零部件回收循环或再利用的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。笔者针对带式输送机介绍了其绿色设计技术以及相关应用，具体如下：

1 带式输送机的绿色设计技术

1.1 动态绿色设计

输送带是带式输送机的重要部件，具有传递动力及承载货物的作用。通常输送带都是由带芯和覆盖胶层构成。因输送带表现的力学特性较为特殊，至今人们还未完全弄清。目前公认的带式输送机静态设计方法有国际标准ISO5048-1989、美国CEMA、德国DIN22101等，必须依靠增加安全系数的方法提升可靠性与安全性。对于带式输送机系统而言，不仅造成投资成本的大幅上升、钢材与胶带的浪费、电能消耗的增加，还在一定程度上增加了环境的负担。针对此种情况，急需一种绿色方法校验完善静态设计，这便是带式输送机的动态设计。

带式输送机的动态设计主要将系统动力学当作基础，着手于输送带的实际动态响应，细致探究了其正常运行、制动与启动等情况下输送机系统表现出来的动态特性，掌握输送带张力的分布情况，从而设计和分析输送机的整个系统。这样既提高了输送机设计的可靠性与准确性，又减少了生产资金的投入，同时还起到了节约资源及保护环境的作用。

1.2 虚拟样机技术

虚拟样机技术主要把数字技术作为基础，在一个虚拟的环境中对样机模型进行还原，以达到仿真模拟原型机所具有的功能的目的，进而实现系统优化、性能评估及方案设计等诸多功能的设计。由于此项技术不需要物理样机，只需要重设系统参数与改变样机模型就能够完成修改和预测设计方案的目的。此项技术具有容易协同合作、设计灵活、开发成本低、资源浪费少等诸多优点，是能够实现设计过程“无纸化”的绿色设计。

1.3 可拆卸设计

带式输送机系统由诸多零部件构成，若都通过销钉或螺栓等方式进行连接，便可轻松进行拆卸，当有失效零部件之后，能够在极短的时间将其更换。带式输送机的零部件一般都是从功能的角度来设计，并没有对废弃淘汰和系统维护加以特别考虑。针对滚筒等主要零部件，其造价较高且为整体式设计，若出现损坏失效，就需要整体更换，既提高了维护成本，又造成了资源浪费，不符合绿色设计的准则。所以，研究可拆卸技术能够起到降低输送机的运行成本、保护环境及节约资源的作用。可拆卸性研究的主要目的是零部件的重复利用、原材料的回收和产品的易维护易维修性。

1.4 模块化通用性设计

带式输送机的主要零部件采用模块化通用性设计，可以减少设计开发周期和加工周期。滚筒轮毂的系列化可减少制造加工成本，适当扩大滚筒的通用性，以节约维护成本，减少备品备件种类。模块化通用性设计可与可拆卸设计结合，以实现零部件的重复利用和易维护易维修性，得到效益最大化。

2 带式输送机的绿色设计应用研究

2.1 开发案例

以一部煤矿井下主运带式输送机为例，在绿色设计基础上对其进行再开发研究。此输送机的系统参数指标如下：

运输物料为原煤，运量Q=2000t/h，物料堆积密度ρ=0.9t/m3，输送长度L=1200m，带宽B=1400mm，运输倾角δ=1°～3°，带速v=3.15m/s，钢丝绳芯输送带ST1250，驱动电机功率为400kW×2。带式输送机的系统设计图如图1所示：

2.2 分析系统方案的动态情况

把有关参数代入系统模型之中，然后对动态仿真进行分析。经过步长是0.1s，时长是100s的动态仿真结果具体如图2与图3所示。

分析输送带的速度曲线后可以发现，输送机根据可控速度曲线进行运转，在刚刚启动的时候，速度会出现波动。当爬行一段时间后，速度开始变得平稳；在运行80s以后，速度与设定带速相符合，速度曲线比较合理。

分析输送带的张力曲线后可以发现，输送机在刚刚启动的时候，需要克服沿程摩擦力及系统惯性，当张力达到最大值经过震荡之后，张力曲线达到稳定工作值，此时输送机已经完成了启动，系统拉紧力达到正常拉紧值，由图3可知，张力曲线的后段出现了短暂波动，然后在液压拉紧的作用下恢复平衡状态，从而使输送机开始稳定运转。

2.3 优化设计输送机的零部件

根据输送机的实际选型设计方法，来对零部件设计进行优化。我们可以应用虚拟样机这项技术对拉紧装置、驱动装置、托辊及滚筒等进行仿真优化及性能测试，同时还要对装配体进行合理的虚拟装配处理，在一个虚拟装配的环境下，完成装配处理、干涉检测及造型检查等工作，进而顺利完成序列规划、装配路径规划、可装配性分析等。如图4是虚拟托辊架的装配图，通过CAE软件充分对输送机的支腿、滚筒轴、中间架与架体等主要部件做力学分析，然后模拟现场的实际工况，输出相应的位移与应力图，为设计人员提供参考依据。针对那些与要求不相符合的零件应重新进行设计，而对于有较大结构余量的部件要进行优化处理，并且应用现有的技术模拟分析主要零部件，得出其振型与频率，之后再制定一些方案以使系统震动得到控制，进而减少污染、降低噪声，使系统可以安全可靠地运行。

2.4 评价绿色设计方案

针对输送机所做的绿色评价极其特殊，其中很多评价标准与指标是无法进行准确预算和描述的，并且具有很强的模糊性，所以针对输送机而言，应该利用模糊评价法来评价绿色度。此外，绿色度的评价指标具有极其明显的层次，容易进行相应的划分，所以我们可以应用层次分析法来做适当的绿色评价。

3 结语

总之，文章重点研究了带式输送机系统的绿色设计技术和实际应用，因为笔者的条件与水平有限，研究出来的结果尚有不足，但绿色设计必将成为矿山机械设计的主要发展趋势。因此关于输送机有关的绿色设计，也需要我们在未来的工作当中不断进行研究。输送机绿色设计理念和技术要发展和完善，众多新课题需要我们去探索和研究，进而更好地实现减少环境污染、减小能源消耗的环境保护的目的。

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