基于磁电理论对磁式带式输送机的机理分析

李 刚，孙瑞光

(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

0 引言

连续运输机俗称输送机，在一定的范围内，按照一定的技术要求，应用它可以将散装物料或者成件物品按照一定的输送路线从装载点到卸载点以恒定的或者变化的速度进行运输。在现代的各个行业中，输送机的应用非常广泛，比如：车站物品检验的输送、港口粮食的运输、建筑业沙土的运输等。在所有的运输设备中，机械式的输送机获得了极为广泛的应用，其中又以托辊式输送机应用较多，但其存在着成本高、运行阻力大、耗能大等缺点。气垫式输送机在技术上比托辊式输送机要求严格，而且需要气源向气室内提供具有一定压力和流量的气体，盘槽上的小孔也很容易被散装物料以及灰尘等其他杂质堵塞。因此，本文在目前气垫带式输送机以及托辊带式输送机发展与应用的基础上，提出了一种可调磁力大小的磁式带式输送机设计方案。

1 三种带式输送机(托辊式、气垫式、磁式)的比较

1.1 托辊式带式输送机

托辊式带式输送机是比较传统的带式输送机，经过近140年的发展仍然存在着成本高、运行阻力大、耗能大、维护保养以及维修费用高、个别零部件易损坏、只适合运输一定种类的物料等问题。但是连续输送机也有一些其他设备不具有的优点：①因为输送机可以沿相同的方向连续运输货物，装卸无需停车，故可实现高速输送；②运行速度稳定；③输送机的最大载荷与平均载荷相差不大。带式输送机的种类比较多(比如圆管输送机、刮板输送机、螺旋输送机、振动输送机等)，通用带式输送机的结构示意图见图1。

1.2 气垫式带式输送机

气垫式带式输送机是一种主要利用空气膜支撑输送带和物料的输送机，不同于传统的带式输送机，它利用具有一定压力的气流来平衡输送带和物料的重力，是输送带与物料一起高速运输，所以输送带与托棍间的摩擦由传统的滚动摩擦变为了与空气介质的流体摩擦，有效地避免了托辊与皮带间的干摩擦，减小了运行阻力，很好地起到了节能的作用。但由于气垫式带式输送机在实际应用中往往会出现供气和沿线气压损失较大等问题，所以能源的消耗一直都是一个大问题，另外，气体的产生也十分困难，对相关设备的要求较高。气垫式带式输送机结构示意图见图2。

1-机头架；2-漏斗；3-机头清理器；4-驱动滚筒；5-保护装置；6-皮带；7-支撑托辊；8-缓冲托辊；9-导向槽；10-从动滚筒；11-张紧装置；12-机架；13-清扫器；14-回程托辊；15-中间机架

1-改向滚筒；2-输送带；3-料斗；4-物料；5-盘槽；6-气箱；7-进风口；8-风机；9-电机；10-驱动滚筒；11-料仓；12-下托辊；13-节流孔

1.3 磁式带式输送机

磁式带式输送机主要利用磁性输送带与下部盘槽里的永磁铁产生的磁场形成相互排斥的力，从而支撑输送带和物料。相比于托辊式带式输送机，它的接触是悬浮式接触，避免了直接与托辊接触产生的运输阻力，在运行时只受到空气摩擦阻力，从而提高了输送机整体的运行速度，还可以避免不必要的机械能源消耗、减小输送带的最大张力。在设计磁式带式输送机结构时，应注意做到防磁保护以及避免磁污染等问题。一般的磁式带式输送机结构示意图见图3。

1-物料；2-磁性输送带；3-磁体支撑系统；4-改向滚筒；5-回程托辊；6-驱动滚筒

2 可调磁力大小磁式输送机结构设计

鉴于以上三种输送机的比较，本文进一步深入研究并设计了一种可以改变磁场大小的磁式带式输送机，其截面结构示意图如图4所示。在盘槽处安装矩形通电线圈，输送带为磁性输送带，这样可以通过调节通电线圈的电流进而改变磁场大小，适用于不同重量的物料输送。与带式输送机相比，去除了上托辊，利用磁悬浮支撑代替托辊接触支撑；下托辊设计数量比较少，因为此处输送带不受物料载荷，因此仍保持下托辊的接触支撑结构不变，与通用带式输送机设计一致。还需要注意：滚筒、托辊等部分零部件的材料应调整为防磁性材料，以免引起不必要的磁污染。

图4 可调磁式带式输送机的截面结构示意图

本设计我们只考虑机械结构问题，忽略矩形线圈的间隙、漏磁、输送带厚度不均匀、灰尘对于托辊的影响等情况，将空气域视为理想气体，视永磁体线为线性关系，且只考虑永磁体与矩形通电线圈之间的磁场作用力一一对应且均匀。磁式输送机整体结构与图3所示一样，具体大小以及尺寸还要根据实际情况进行布置。

3 磁式输送机力学分析

在对磁式带式输送机进行磁学分析前，首先分析输送带所受的力。力学的简化可以说是进行磁式输送机力学分析最基础的任务。由于实际力学分析较为复杂，且边界条件、永磁铁的布置以及受力、风速等其他需要考虑的因素很多，所以本文只考虑边界条件，不再考虑其他因素。磁体支撑系统截面图以及受力分析如图5所示。图5中，G为磁性输送带与物料的总重力，F1为n1匝通电线圈提供的磁场力，F2为n2匝通电线圈提供的磁场力，F3为n3匝通电线圈提供的磁场力。磁式输送机的纵向力学分析模型如图6所示。

通过分析可以获取相应的边界条件。假设在输送线路上均处于理想状态下，则得到下列公式：

G=F2+F1sinα+F3sinα.

(1)

F1≈F3.

(2)

设n1匝、n2匝、n3匝为一套产生磁场设备，共布置n套该设备，且忽略每套设备间隙的误差，则每套磁设备所需产生的励磁力为:

(3)

F′=G.

(4)

输送机励磁力边界条件为：

(5)

其中：m1为单位长度磁性输送带的质量，kg/m；m2为单位长度物料的质量，kg/m；a0为输送带承载分支托辊的长度，m；g为重力加速度。

通过查阅大量的文献发现，传统托辊输送机的各个辊子上的载荷分布满足图7所示情况。

图5 磁体支撑系统截面图以及受力分析

图6 磁式输送机的纵向力学分析模型

图7 槽型各托辊受力情况

所以线圈的圈数可以近似根据图7托辊受力的大小进行合理设置。

4 磁场变化的原理

设n匝矩形线圈通过的电流为I，矩形线圈长宽分别为a、b，由毕奥萨伐尔定律得轴线上离矩形中心x处的磁感应强度为：

(6)

其中：μ0为真空中的磁导率，μ0=4π×10-7Wb/(A·m)。

在x处的电磁铁磁力大小为：

(7)

其中：Φ为工作气隙磁通,Wb；S为线圈截面积，m2。

由式(6)和式(7)可知，当n匝线圈确定后，线圈截面积S、矩形线圈长宽a和b也恒定不变，所以永磁体输送带在线圈x处的磁感应强度随通电线圈电流I大小的改变而改变。进而此处的磁力大小也与通电线圈的电流有关，通过增大或减小电流可以改变磁场强度，进而改变磁力的大小。

5 结论

本文提出了一种磁式输送机的设计，可以通过调节电流的大小进而改变磁力的大小，从而承载不同的物料，适应于输送单位物料质量不均的场合。在有一定坡度的场合输送物料时，需要增大摩擦力以防止物料的滑落，而在近似水平(坡度很小)的场合输送物料时，可调整磁式输送机在高速度、低摩擦下运行，以提高输送效率。

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