带式运输机技术最新发展外文翻译.doc

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1、带式输送机技术的最新发展M. A. AlspaughOverland Conveyor Co., Inc.MINExpo 2004拉斯维加斯, 内华达州美国 ，9，27, 2004摘要 粒状材料运输要求带式输送机具有更远的输送距离、更复杂的输送路线和更大的输送量。为了适应社会的发展输送机需要在系统设计、系统分析、数值仿真领域向更高层次发展。传统水平曲线和现代中间驱动的应用改变和扩大了带式输送机发展的可能性。本文回顾了为保证输送机的可靠性和可用性而运用数字工具的一些复杂带式输送机。 前言 虽然这篇文章的标题表明在皮带输送机技术中将提出“新”发展但是提到的大多思想和方法都已存在很长时间了。 我们不

2、怀疑被提出一些部件或想法将是“新”的对你们大部分人来说。所谓的“新”就是利用成熟的技术和部件组成特别的、复杂的系统 “新”就是利用系统设计工具和方法汇集一些部件组成独特的输送机系统并解决大量粒状原料的装卸问题“新”就是在第一次系统试验(委任)之前利用日益成熟的计算机技术进行准确节能计算机模拟。 同样本文的重点是特定复杂系统设计及满足长距离输送的要求。 这四个具体课题将覆盖 l 托辊阻力 l 节能 l 动力分散 l 分析与仿真 节能 减小设备整体电力消费是所有项目的一个重要方面皮带输送机是也不例外。 虽然与其他运输方法比较皮带输送机总是运输大吨位高效率的手段但是减少带式输送机的功率消耗的方法还是

3、很多的。 皮带输送机的主要阻力组成部分有 l 托辊阻力 l 托辊与皮带的摩擦力 l 材料或输送带弯曲下垂引起的阻力 l 重力 这些阻力加上一些混杂阻力组成输送材料所需的力。在一台输送长度400米的典型短距离输送机中,力可以分为如图1所示的几个部分图中可以看出提升力所占比例最大而阻力还是占绝大部分。 图1在高倾斜输送带中如矿用露天倾斜输送带所受力可分解为图2所示的几个部分其中提升力仍占巨大比例。由于重力是无法避免的因此没有好的方法减少倾斜式输送机所受力。 Power-Slope Belt图 2 但是在长距离陆上输送机中所受力更趋向图3所示的几个部分不难看出摩擦力几乎是所受力的全部。这种情况下考虑

4、主要受力才是最重要的。 图 3力量演算具体是超出本文的范围之外但是值得一提的是在过去几年对所有四个区域橡胶凹进、对准线和材料或者传送带弯曲等方面的重要研究都在进行。 并且虽然在处理每特定区域时大家有不同意见通常对整体项目经济是必要和重要的是被大家被接受的。 在2004个SME年会上MAN Takraf的Walter Kung介绍了题为“Henderson粗糙矿石输送系统回顾组装、起动和操作”2。 这个项目在1999年12月被实施并且包括一个24公里(3飞行)陆上转达的系统替换地下矿碾碎路轨货车使用系统。 图4 - Henderson PC2到PC3调动站最长的传动机在这个系统(PC2)是16.

5、28公里长与475m升距。最重要的系统事实是提供的功率(4000千瓦在1783 mtph 和4.6 m/s)的50% 被要求用来转动一条空载的带子因此输送系统的效率是很重要的。需密切注意托辊、传送带盖子橡胶和对准线。用文件说明有关的效率的差别是的一种方法 使用相等的摩擦系数f的22101标准定义作为比较主要抵抗的总数的另一种方法。过去象这样典型输送装置的综合设计噪音系数大约是0.016f。MAN Takraf正估计他们对力的敏感达到到0.011的f超过30%的削减。这在减少设备建造成本上做出了重大贡献。通过六次的实际动态测量显示价值是0.0075甚至比期望值低30%。 Kung先生强调这将在仅

6、仅用电费用一项上每年减少费用10万美元。 线路优化 图5 中国天津 水平适应性 当然最高效率的材料运输方式是从一点到下一点的直线输送。 但是由于自然和认为障碍的存在我们在长距离输送过程中直接直线输送的可能性越来越小。第一台水平弯曲输送机已在很多年前安装使用但它今天似乎关于安装的每台陆上传动机在方向至少有一个水平变化。并且今天的技术允许设计师相对地容易地调整这些曲线。 图5和图6显示的是把煤从蕴藏地运输到中国天津港口管理处的陆上输送装置。这套运输机由E.J. ODonovan & Associates设计由 Continental Conveyor Ltd of Australia 公司承建长达

7、9千米的输送距离4台1500千万电机驱动运输能力达6000 mtph 。 图6 天津输送线平面图Wyodak矿位于美国怀俄明州粉河流域是记录中最古老的连续经营的煤矿自1923年运营至今。它一般运用坡面(图7)从新的矿坑到装置756m (2,482 ft)与700m (2,300 ft)水平的半径。 这表明由于水平轮的应用输送机不需要设计太长3。图7- Wyodak 煤矿 隧道式如通过没有水平曲线线路另一项产业隧道挖掘就不能使用带式输送机了。 隧道就想象废水和运输那样的基础设施在全世界有。 移动隧道粪肥的最有效率的方法通过把推进的输送装置和隧道机器的后部连结起来。但是这些隧道极少是直的。 这里有

8、一个例子西班牙10.9m直径隧道的在巴塞罗那之下作为地铁(火车)引伸项目一部分。大陆输送机机有限公司安装了前4.7km传动机如图8和9所显示和最近接受合同安装第二台8.39公里输送机。 图 8- 巴塞罗那隧道平面图 图 9- 隧道内部另一个例子 肯珀建设边境时建设一个直径3.6米长6.18公里的隧道作为大都市圣路易斯的下水道区。鲍姆加特纳隧道(图10)将装有600毫米宽的用4个中间运动用带子系住的6.1 公里输送装置。图10- 鲍姆加特纳隧道平面图 管状输送装置 如果常规输送机不能满足必须的输送要求带式输送机的一种管状输送机会是不错的选择。 图 11- 管状输送装置 它最简单的描述管状输送机就

9、是由管状橡胶管和空转辊组成。这种设计具有其他传送方式的优点更有自己的特点。 托辊可以在各个方向传力允许更复杂的曲线输送。这些曲线可以是水平或垂直或混合形式。这样的输送机输送带与托辊之间的重力和摩擦力保证原料在输送管道内。 Figure 12管状输送机的另一个好处可以输送粉状原料并且可以减少溢出浪费因为材料是在管道内部。一个典型的例子是环境效益和适应性特好的美国犹他州地平线矿图12。这个长3.38公里的管状输送机由ThyssenKrupp Robins 安装通过一个国家森林并且横断了22个水平段和45个垂直段。 Metso 绳索输送机 另一种由常规衍变来的是Mesto 绳索输送机MRC通常以缆绳

10、传送带著名。这个产品以长途输送著名在距澳大利亚30.4公里的沃斯利铝土矿上应用的输送带是最长的单个飞行输送机。在钢绳输送机上驱动装置和运载媒介是分离的。 图13 - MRC-平直的部分这种驱动与输送装置的分离允许输送有小半径的水平弯曲这种设计优于根 距张紧力和地势的传统设计。 图 14MRC与常规输送机水平曲线的不同 图 15- 位于加拿大 Line Creek的MRC 图15显示的是位于加拿大Line Creek河畔的一条长10.4公里水平半径430米的缆绳输送带 立式输送装置有时材料需要被提升或下降而常规输送机被限制在1618度附近的倾斜角度内。但是带式输送机的非传统衍变不管是在增加角度还

11、是平直方面都是相当成功的。 大角度输送机 第一台大角度输送机由Continental Conveyor & Equipment Co.公司生产非常利用常规输送机零部件图16构成。当原料在两条带子之间输送时被称为三明治输送装置。 图16Continental 公司的第100套大倾角输送装置采用独特的可平移式设计作为Mexican de Canenea的堆过滤垫图17。 Figure 17 垂直式输送装置 第二种立式输送装置展现的是一种非常规的带式装置它可以实现垂直输送图18。这种Mesto 垂直输送机2001年由Frontier Kemper 安装在白县煤矿Pattiki 2矿图19将煤由273

12、米深的矿井输出并达到1,818 mtph的输送能力。 图19- Pattiki 2矿 动力分散 在最近过去的一段时间里一种最有趣的发展是电力沿输送道路的分配。看到输送机驱动装置安装在收尾末端让尾端驱动完成输送带的拉紧输送工作。但是现在的发展观念是把驱动安装在任何需要的位置。 在带式输送机上多个位置安装动力源的想法已经存在很长一段时间了。第一次应用是1974年安装在美国Kaiser煤矿。紧接着是在地下煤矿中得到应用而且长臂开采法也越来越体现它的优越性。采矿设备的效率和能力也得到巨大改善。矿工们也开始寻找大的矿区从而减少移动大型采矿设备的次数及时间。矿井宽度和矿井分格长度都得到增加。 当矿井分格长

13、度增加后输送问题开始出现。接近4-5千米的输送长度所需要的电力和输送带的强度比以前地下煤矿需要的大很多。问题是大号的高电力驱动装置安装及移动困难。虽然胶带技术能够满足胶带所需强度要求它意味着需要比钢铁更重要的强度及加硫处理。由于长臂开采法的盘区传动机经常推进和后退矿工需要经常增加或取消滚筒的正传与逆转。而且硫化结合需要长期维护以保证强度因而失去的产品生产时间在一个完全盘区中是很严重的。现在需要超过风险并且中间驱动的应用限制了输送带的伸长及张紧这样就允许纤维胶带在长距离输送机中应用。 现今中间驱动技术被很好的接受并越来越广泛的应用于地下煤矿中。世界范围内的许多矿把这项技术整合到现在和未来矿业计划

14、当中来增加他们的整体采矿效率和效益6。 表20所示的张紧图显示了中间驱动的重大好处。这种平面前驱的输送机有简单的皮带张力分布如黑色线条所示。虽然平均皮带张力在每个周期期间只约为最大值的40%但必须围绕最大估量值附近。黑色线条的急剧回落表示顶头滑轮要求的总扭矩和力量来启动输送机。 将受力分解到两个地点红线当总功率基本相同的情况下皮带张力差不多减少40%。因此更小的输送带和更小的电源组可以得到运用。为了进一步扩展这种方式增加第二中间驱动绿线皮带峰顶张力进一步下降。 隧道产业也迅速采用这种技术并且把这项技术提高到更好的水平更复杂更先进。但挖隧道最需要的是水平曲线的进步。 通过中间驱动图21的一种应用

15、例如Baumgartner 隧道如前图10所描述皮带张紧力可以通过在重要的地点安装战略驱动来控制从而实现输送带的小曲线换向。 图20 图21 在图22中绿色投影区域代表弯曲结构的地点。蓝色线条代表输送带运载面粉红色线条代表输送带返回面。可以发现在弯曲半径最小750米时输送带运载面和返回面所受张紧力均达到最小。 图22尽管到目前为止这项技术陆上输送机中没有广泛的应用一些倾向于水平曲线的技术却得到发展。图23显示了南美洲的一条长8.5千米硬岩层输送带它需要4个中间驱动来实现4段2000米半径的曲线转向。 Figure 23- 平面图图24显示在弯曲段有与没有驱动时输送带的张紧力比较。分散驱动的优点

16、在MRC缆绳输送带中也得到应用。然而张紧运载的绳索有别于负载传送带安装中间驱动更加容易输送的原料不用离开运载输送带的表面。张紧运载的绳索与输送带分开足够的距离便利在安装中间驱动后继续工作。(图25). 图24- 张紧曲线图25 分析与仿真 许多人在争论我们建造以上描述的复杂输送机的能力时归因于许多分析和仿真工具的发展。组件制造商可以通过测试他的产品以保证符合规格然而系统工程师很少能测试完成的系统知道它在站点完成。所以计算方法和工具在模仿各种各样不同学科和组分上的作用是绝对重要的。 动态开始和停止 当进行开始和停止试验时假设所有的质量单元同时加速也就是把输送带看做一个刚体非弹性体。实际上推进扭矩

17、通过滑轮产生的压力波传递给输送带并通过压力波的传播带动输送带运行。压力在输送带上传播时发生由阻碍输送带运行的阻抗产生的纵波引起的变化。7 从1959开始许多出版物都指出弹性输送带的大输送量、长距离输送机在停止和启动时会导致传动装置、驱动装置、张紧装置的选择等错误。对弹性瞬变响应的疏忽可能导致不精确的后果 l 输送带最大压力 l 滑轮上的最大压力 l 输送带的最小压力及原料泄漏 l 提升压力要求 l 提升行程和速度要求l 驱动轮 l 启动转矩 l 制动转矩 l 各驱动间的负载分担 l 原料在斜面上的稳定性 为了长期应用通过数学模型对弹性输送带在开始和停止时的状态进行模拟是非常重要的。 一部完整输

18、送机系统的模型可通过划分输送机为一系列的有限元素来实现。每个元素由一个质量和一个流变弹簧组成如图26所示。 图 26许多分析输送带无力性能的方法都在研究如把它看做一个流变弹簧而且大量的技术也被用来这方面的研究。一个合适的模型需要包含以下几个方面 1. 传送带纵向拉伸量的弹性模数 2. 对从属运动的阻抗 3. 凹陷处的粘弹性损失 4. 由于输送带的下垂引起的输送带模数变动 因为纯数学解决这些动态问题是非常复杂的它的目标不是详述基础的动态理论分析。相反它的目的是让长距离输送、水平弯曲、分散驱动在输送机上更普遍对传送带停止和开始进行弹性动态分析的重要性是开发适当的控制算法。 以图23 8.5千米输送

19、机为例两个虚拟开始被模拟来比较它们的控制算法。一种是两个1000千瓦的驱动安装在头部尾端二个1000千瓦驱动安装在输送面的中点另一个1000千瓦驱动安装在尾部要极端小心保证所有驱动的协调与维护。 图27显示一个不协调并严重摆动输送机120秒启动的扭矩图及其相应的速度输送带摆动图。T1/T2滑动比率表明推进滑动可能发生。图28显示对应的一个180秒启动图并能够安全和顺利的加速输送机。图27-120 秒恶劣启动图 28- 180 良好启动转运站的质流 运用中间驱动和链板输送能长期使用的一个原因就是消除转运站。许多最困难的问题在带式输送机装货和卸载附近集中。传送溜槽通常选在输送机高效维护区域同时重大

20、生产风险在这里集中。 l 堵塞 l 输送带和滑道损伤和磨蚀物质退化 l 粉尘l 装货/溢出偏心 过去没有分析工具反复试验和经验是设计工程师唯一可用的设计方法现在数值仿真方法的存在允许设计师在制造之前测试他们的设计。 数字仿真是根据一个实际的物理系统设计的模型并在计算机上模拟和分析结果。仿真体现在实践中学习的精神。为了了解现实及其复杂性我们在计算机上建立虚拟物体并动态的观察它们间的相互作用。 分离元素法是解决工程学和应用科学如粒状材料流等不连续的机械行为问题的一种数字模拟技术。值得注意的是由非连续行为引起的行为不能依靠传统基基于计算机的连续流塑造方法例如有限元素分析、有限差规程和甚而计算流体动力

21、学(CFD)的来进行模拟。 DEM系统模仿每个部件或微粒的动态行为和机械互作用并提供分析期间每个部件和微粒的位置、速度、和力量的详细描述。8 在分析过程中微粒被塑造成有形状的物体这些物体之间及于界限表面、运载表面互相作用这些物体接触和碰撞形成他们之间法向、切向力. 正常接触分力在碰撞过程中引起一个线性有弹性恢复的组分和一个粘阻力来模拟能量损失。线性有弹性组分系数根据自身属性确定正常粘滞系数可以根据一个等效恢复系数的弹簧来塑造图29。 图29 图30显示颗粒下落通过传送带溜槽。图示中颗粒的颜色代表他们的速度。红色代表零速度而绿色代表最高速度。也许这些工具的最大好处就是一位老练的工程师能通过形象化

22、表示设计施工前有个行像的表现。有了这个形象的感觉在施工过程中可以尽量减少不必要的工作。 其他定量数据也可能被隐藏包括在输送带或滑道墙壁的冲击和剪切力。 图30前景 更大的带式输送机本文提到了一台最长的唯一飞行常规输送机长16.26公里的Henderson PC2。但一台19.1公里的输送机在美国正在建设中并且一台23.5公里的飞行式输送机在澳洲被设计。其他长30-40公里的输送机在世界其他地区讨论研究。 当定量凹进的方式为人所知输送带制造商开发了低辗压抗压储力10-15%的橡胶输送带。与改进的设施方法和对准线一起作用节能是可以实现的。 地下煤矿和隧道承包商将继续使用已经证明对他们有好处的分散驱

23、动方式至少有两种在表面输送机中安装中间驱动的输送机在2005年运行。 在德国RWE Rheinbraun 使煤矿用输送机输送量达到30,000 tph 并且其他表面煤矿也在有计划的接近这个输送量。随着输送两的增加输送带的速度也在增加这样就要求更好的设备、工艺公差、阻力和动力分析。 我们希望输送机能够更远、更宽、更高、更快采用所有分析工具来分析系统性能。因为每台输送机都是独特的我们唯一的预见方式就是外面的数据分析和模仿工具。因此由于外面的目标越来越大我们有必要改进设计工具。 Latest Developments in Belt Conveyor TechnologyM. A. Alspaugh

24、Overland Conveyor Co., Inc.Presented at MINExpo 2004Las Vegas, NV, USA September 27, 2004 Abstract Bulk material transportation requirements have continued to press the belt conveyor industry to carry higher tonnages over longer distances and more diverse routes. In order keep up, significant techno

25、logy advances have been required in the field of system design, analysis and numerical simulation. The application of traditional components in non-traditional applications requiring horizontal curves and intermediate drives have changed and expanded belt conveyor possibilities. Examples of complex

26、conveying applications along with the numerical tools required to insure reliability and availability will be reviewed. Introduction Although the title of this presentation indicates “new” developments in belt conveyor technology will be presented, most of the ideas and methods offered here have bee

27、n around for some time. We doubt any single piece of equipment or idea presented will be “new” to many of you. What is “new” are the significant and complex systems being built with mostly mature components. What is also “new” are the system design tools and methods used to put these components toge

28、ther into unique conveyance systems designed to solve ever expanding bulk material handling needs. And what is also “new” is the increasing ability to produce accurate Energy Efficiency computer simulations of system performance prior to the first system test (commissioning). As such, the main focus

29、 of this presentation will be the latest developments in complex system design essential to properly engineer and optimize todays long distance conveyance requirements. The four specific topics covered will be: l Idler Resistance l Energy Efficiency l Distributed Power l Analysis and Simulation Ener

30、gy Efficiency Minimizing overall power consumption is a critical aspect of any project and belt conveyors are no different. Although belt conveyors have always been an efficient means of transporting large tonnages as compared to other transport methods, there are still various methods to reduce pow

31、er requirements on overland conveyors. The main resistances of a belt conveyor are made up of:l Idler Resistance l Rubber indentation due to idler support l Material/Belt flexure due to sag being idlers l Alignment These resistances plus miscellaneous secondary resistances and forces to over come gr

32、avity (lift) make up the required power to move the material.1 In a typical in-plant conveyor of 400m length, power might be broken into its components as per Figure 1 with lift making up the largest single component but all friction forces making up the majority.Figure 1In a high incline conveyor s

33、uch as an underground mine slope belt, power might be broken down as per Figure 2, with lift contributing a huge majority. Since there is no way to reduce gravity forces, there are no means to significantly reduce power on high incline belts. Figure 2But in a long overland conveyor, power components

34、 will look much more like Figure 3, with frictional components making up almost all the power. In this case, attention to the main resistances is essential. Figure 3The specifics of power calculation is beyond the scope of this paper but it is important to note that significant research has been don

35、e on all four areas of idlers, rubber indentation, alignment and material/belt flexure over the last few years. And although not everyone is in agreement as to how to handle each specific area, it is generally well accepted that attention to these main resistances is necessary and important to overa

36、ll project economics. At the 2004 SME annual meeting, Walter Kung of MAN Takraf presented a paper titled “The Henderson Coarse Ore Conveying System- A Review of Commissioning, Start-up and Operation”2. This project was commissioned in December 1999 and consisted of a 24 km (3 flight) overland convey

37、ing system to replace the underground mine to mill rail haulage system. Figure 4- Henderson PC2 to PC3 Transfer HouseThe longest conveyor in this system (PC2) was 16.28 km in length with 475m of lift. The most important system fact was that 50% of the operating power (4000 kW at 1783 mtph and 4.6 m/

38、s) was required to turn an empty belt therefore power efficiency was critical. Very close attention was focused on the idlers, belt cover rubber and alignment. One way to document relative differences in efficiency is to use the DIN 22101 standard definition of “equivalent friction factor- f” as a w

39、ay to compare the total of the main resistances. In the past, a typical DIN fused for design of a conveyor like this might be around 0.016. MAN Takraf was estimating their attention to power would allow them to realize an f of 0.011, a reduction of over 30%. This reduction contributed a significant

40、saving in capital cost of the equipment. The actual measured results over 6 operating shifts after commissioning showed the value to be 0.0075, or even 30% lower than expected. Mr. Kung stated this reduction from expected to result in an additional US$100, 000 savings per year in electricity costs a

41、lone. Route Optimization Figure 5- Tiangin ChinaHorizontal Adaptability Of course the most efficient way to transport material from one point to the next is as directly as possible. But as we continue to transport longer distances by conveyor, the possibility of conveying in a straight line is less

42、and less likely as many natural and man-made obstacles exist. The first horizontally curved conveyors were installed many years ago, but today it seems just about every overland conveyor being installed has at least one horizontal change in direction. And todays technology allows designers to accomm

43、odate these curves relatively easily. Figures 5 and 6 shows an overland conveyor transporting coal from the stockpile to the shiploader at the Tianjin China Port Authority installed this year. Designed by E.J. ODonovan & Associates and built by Continental Conveyor Ltd of Australia, this 9 km overla

44、nd carries 6000 mtph with 4x1500 kW drives installed. Figure 6- Tiangin China Plan ViewThe Wyodak Mine, located in the Powder River Basin of Wyoming, USA, is the oldest continuously operating coal mine in the US having recorded annual production since 1923. It currently utilizes an overland (Figure

45、7) from the new pit to the plant 756m long (2,482 ft) with a 700m (2,300 ft) horizontal radius. This proves a conveyor does not need to be extremely long to benefit from a horizontal turn. Figure 7- Wyodak CoalTunneling Another industry that would not be able to use belt conveyors without the ability to negotiate horizontal curves is construction tunneling. Tunnels are being bore around the world for infrastructure such as waste water and transportation. T