esign of High Speed Belt Conveyors
G. Lodewijks, The Netherlands.
SUMMARY
This paper discusses aspects of high-speed belt conveyor design. The capacity of a belt conveyor is determined by the belt speed given a belt width and troughing angle. Belt speed selection however is limited by practical considerations, which are discussed in this paper. The belt speed also affects the performance of the conveyor belt, as for example its energy consumption and the stability of it#39;s running behavior. A method is discussed to evaluate the energy consumption of conveyor belts by using the loss factor of transport. With variation of the belt speed the safety factor requirements vary, which will affect the required belt strength. A new method to account for the effect of the belt speed on the safety factor is presented. Finally, the impact of the belt speed on component selection and on the design of transfer stations is discussed.
1 INTRODUCTION
Past research has shown the economical feasibility of using narrower, faster running conveyor belts versus wider, slower running belts for long overland belt conveyor systems. See for example [I]-[5]. Today, conveyor belts running at speeds around 8 m/s are no exceptions. However, velocities over 10 m/s up to 20 m/s are technically (dynamically) feasible and may also be economically feasible. In this paper belt speeds between the 10 and 20 m/s are classified as high. Belt speeds below the 10 m/s are classified as low.
Using high belt speeds should never be a goal in itself. If using high belt speeds is not economically beneficial or if a safe and reliable operation is not ensured at a high belt speed then a lower belt speed should be selected.
Selection of the belt speed is part of the total design process. The optimum belt conveyor design is determined by static or steady state design methods. In these methods the belt is assumed to be a rigid, inelastic body. This enables quantification of the steady-state operation of the belt conveyor and determination of the size of conveyor components. The specification of the steady-state operation includes a quantification of the steady-state running belt tensions and power consumption for all material loading and relevant ambient conditions. It should be realized that finding the optimum design is not a one-time effort but an iterative process [6].
Design fine-tuning, determination of the optimum starting and stopping procedures, including determination of the required control algorithms, and determination of the settings and sizes of conveyor components such as drives, brakes and flywheels, are determined by dynamic design methods. In these design methods, also referred to as dynamic analyses, the belt is assumed to be a three-dimensional (visco-) elastic body. A three dimensional wave theory should be used to study time dependent transmission of large local force and displacement disturbances along the belt [7]. In this theory the belt is divided into a series of finite elements. The finite elements incorporate (visco-) elastic springs and masses. The constitutive characteristics of the finite elements must represent the rheological characteristics of the belt. Dynamic analysis produces the belt tension and power consumption during non-stationary operation, like starting and stopping, of the belt conveyor.
This paper discusses the design of high belt-speed conveyors, in particular the impact of using high belt speeds on the performance of the conveyor belt in terms of energy consumption and safety factor requirements. Using high belt speeds also requires high reliability of conveyor components such as idlers to achieve an acceptable component life. Another important aspect of high-speed belt conveyor design is the design of efficient feeding and discharge arrangements. These aspects will be discussed briefly.
2 BELTSPEED
2.1 BELT SPEED SELECTION
The lowest overall belt conveyor cost occur in the range of belt widths of 0.6 to 1.0 m [2]. The required conveying capacity can be reached by selection of a belt width in this range and selecting whatever belt speed is required to achieve the required flow rate. Figure 1 shows an example of combinations of belt speed and belt width to achieve Specific conveyor capacities. In this example it is assumed that the bulk density is 850 kg/m3 (coal) and that the trough angle and the surcharge angle are 35#39; and 20#39; respectively.
Figure 1: Belt width versus belt speed for different capacities.
Belt speed selection is however limited by practical considerations. A first aspect is the troughability of the belt. In Figure 1 there is no relation with the required belt strength (rating), which partly depends on the conveyor length and elevation. The combination of belt width and strength must be chosen such that good troughability of the belt is ensured. If the troughability is not sufficient then the belt will not track properly. This will result in unstable running behavior of the belt, in particular at high belt speeds, which is not acceptable. Normally, belt manufacturers expect a sufficiently straight run if approximately 40% of the belt width when running empty, makes contact with the carrying idlers. Approximately 10% should make tangential contact with the center idler roll.
A second aspect is the speed of the air relative to the speed of the bulk solid material on the belt (relative airspeed). If the relative airspeed exceeds certain limits then dust will develop. This is in particular a potential problem in mine shafts where a downward airflow is maintained for ventilation purposes. The limit in relative airspeed depends on ambient conditions and bulk material characteristics.
A third aspect is the noise generated by the belt conveyor system. Noise levels gener
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高速带式输送机的设计
G. Lodewijks，荷兰
摘要
本文主要探讨高速带式输送机设计方面的问题。带式输送机的输送量取决于输送带的速度、传送带宽度和托辊槽形角。 然而输送带速度的选择又受到各种实际条件的限制，在本文有这方面的讨论。 输送带速度也影响传送带的性能，例如它的能源消耗和它连续运行的稳定性。 一种计算输送带的能源消耗的方法就是通过考虑运输过程中的各种能量损耗来进行估算的。 输送带速度的不同使得安全系数的要求也各不相同，这也影响输送带所要求的强度。一种新的计算输送带速度对安全系数的影响的方法在本文中被介绍。 最后，输送带速度的冲击对各组成部分的选择和对中转站设计的影响也在本文中被讨论。
1 概述
过去的研究已经证实使用窄带输送机的经济可行性，输送带的速度变快要求输送带的宽度随之变宽，低速输送机适于长距离输送。 例如图[1] - [5]。 现在，传送带以8 m/s的速度运行是没有问题的。 无论怎样，输送带速度在10m/s到20 m/s在技术上是(动态地)可行的，并且也许在经济上也是可行的。本文将输送带速度在10和20 m/s之间的定义为高速。输送带速度在10m/s之下的定义为低速。使用高速输送带的目的并不在于它本身。 如果使用高速输送带不是经济上有利，或则，如果安全和可靠的操作没有保证的，那么就应该选择低速输送带。
输送带速度的选择是总的设计过程的一部分。 静态或稳定的设计方法决定了带式输送机的优化设计。 在这些设计方法中输送带被认为是刚性的，静止的。 这增加了输送机稳定运行的质量和也决定了带式输送机各零部件的尺寸。 稳定操作包括传送带稳定运行时的张力、相对各种物料载荷的能量消耗和相关的工作环境情况。 应该体会到找到最优的设计不是一次性的努力，而是一个反复的过程[6]。
优化设计，开始于优化的决心，终于符合要求的确定的控制算法和组成输送机的各零部件确定的位置和尺寸的大小，例如驱动，闸和飞轮，可由动态设计方法确定。 在这些设计方法中，也涉及动态分析，输送带可看作是一个三维的弹性体。三维波动理论被用来研究大的局部受力传输的时间和沿输送带的干扰传输的位移[7]。 在这种理论中，输送带被划分成一系列的有限元。 有限元一体化为有弹性的弹簧和块。 有限元素的结构性特征能代表输送带的流变特征。 动态分析产生在动态操作时输送带产生的张力和能量消耗，例如在带式输送机启动和制动时。
本文主要讨论高速输送机的设计，特别是使用高速输送带对输送带在能源消耗和安全系数要求方面的影响。 使用高速输送带也要求输送机的各零部件有高可靠性，例如托辊组应达到所要求的使用寿命。 高速带式输送机设计的另一个重要方面是高效率的装料和卸载的合理安排。 这些方面在本文中将被简单地讨论。
2 带速
2.1 传送带速度选择
整体皮带输送机的最低成本在传送带宽度0.6到1.0 m的系列范围内[2]。 所要求的输送量可以在这个传送带宽度范围中选择和也可以选择符合输送量要求的任何必要的输送带速度。 图1例子显示了传送带速度和传送带宽度的组合所达到的具体输送机的输送量。 在本例中假设，物料的容积密度是850 kg/m3 (煤炭)，并且槽形托辊的槽角和附加角分别为35 °和20 °。
图1 ：各种输送带的宽度相对不同的输送量的熟送带的速度
然而传送带速度选择又被实际工作环境限制。 第一个方面是传送带的可成槽性，在图1没有给出与输送带强度(规定值)的联系，这部分取决于输送机的长度和海拔。 为使送带的可成槽性被保证必须选择传送带宽度和强度。 如果输送带没有充足的可成槽性就不会有适当地运行轨迹。 这导致传送带连续运行的不稳定，特别是高速传送带，这是不允许的。 通常，传送带制造者期待输送机空载时，40%传送带宽度上进行着直线运行，并且与承载托辊的正常接触。
第二方面是空气在传送带上相对疏松固体物料的速度（空气相对速度)。 如果相对空速超出某些极限后灰尘将产生重要影响。 这特别是对矿井产生了潜在问题影响，因为矿井为了通气存在向下气流。空速的相对极限取决于四周情况和粒状材料特征。
第三个方面是带式输送机系统引起的噪声。 随着传送带速度的增加，噪声级别也通常增加。 在住宅区噪声级限于65dB。 虽然噪声级受输送机的支持结构和输送机的覆盖层的设计的影响很大，这也是选择输送带速度的一个限制因素。
2.2 输送带速度变化
带式输送机系统的能量消耗随传送带速度的变化而变化，这将在第3部分中论述。 为了节省能量，传送带速度应调整与供料点的粒状物料特性匹配。 如果传送带正在满载运行，那么它应该运行在高(设计)速度。 传送带速度可以在物质(容量)输入点进行调整。 这将维持传送带在带槽内的连续装填和在传送带的连续的粒状材料的装载。 传送带带槽在恒定的装填时产生一个最优的装货比率，并且每个输送物料单元被期望消耗能源量最低。 比较各种传送带速度不同的输送机能源消耗相差将近10% [8]。
与提供的各种粒状物料流的相对应的不同的传送带速度有以下好处：
bull; 在装载区的传送带有较少的磨损
bull; 更低噪声辐射
bull; 通过减少输送带的张力，可以避免传送带在凹面曲线的传送带的提升，也可以改善输送带的定位
不足包括：
bull; 驱动和制动系统的可控性的投资成本
bull; 伴随传送带速度变化的放电抛物线的变化
bull; 在一个输送机系统中控制系统要求控制输送机各个输送部分
bull; 恒定的高速传送带的预紧力
bull; 在托辊的上恒定的大粒状物料装载
一个预先节能的分析将决定设计安装更加昂贵，更加复杂的输送机系统是否值得。
3 能源消耗
客户可能要求输送机系统的能源消耗的规格，例如定量限制最大值kW-hr或ton/km，在计划的线路上满足运输疏松固体物料的设计要求。 对于长距离运输系统，能源消耗主要取决于托辊工作时所克服的压力的抵抗力[9]。 这传送带抵抗力，依据经验是由于托辊上的胶带覆盖层的黏弹性(被延迟的时间)在受压时产生的。 对于厂内的带式输送机，在受载区域运行时所受侧抵抗也影响的能源消耗。 侧抵抗包括发生在输入点物料加速度的抵抗和在滑道的侧面上的摩擦和抵抗。
皮带输送机的必需的推进力取决于总摩擦阻力和总物质提升力的总和。 摩擦阻力包括滞后损失，它可以认为作为黏摩擦(与速度有关)的组成部分。，但它不能在最大推动力时确定输送机系统的能源消耗是否是合理。 比较不同的运输系统的能源消耗的最佳的方法将比较他们的运输效率。
3.1 运输效率
有很多方法比较运输效率。 第一种，也是广泛被运用的方法是比较等效摩擦因子，例如DIN f因素。 使用等效摩擦因子的好处是它可以看作是一条空载的传送带。 使用一个等效摩擦因子缺点是它不是lsquo;单纯的rsquo;效率数字。 它也考虑到传送带的质量，托辊的折算质量和被运输的材料的质量。 一个单纯的效率数字，仅考虑到被运输物料的质量。
第二个方法将比较运输费用，如kw-hr或ton/km或者$/ton/km。 使用运输费用的好处是这个数字因管理目的而广泛应用。 使用运输费用的缺点是它不直接地反映输送机系统的效率
三、多数“单纯的”方法是比较运输中的损失因数[10]。 运输损失因数是基于克服摩擦损失的推进力的要求和运输工作之间的比率而定的 (忽略驱动效率和功率损失或者粒状物料的上升/降低的要求)。 运输工作被定义为粒状材料被运输的数量和平均运输速度。 使用运输损耗因数的好处是他们可以与其他交通工具运输比较损失因素，象卡车和火车。 缺点是运输损耗因数取决于材料的被运输的数量，暗示它不能认为是为一台空载的皮带输送机。
下面列举了一些运输系统的运输损耗因数来说明这个概念：
连续运输：
bull; 泥浆运输大约为0.01
bull; 皮带输送机大约在0.01和0.1之间
bull; 振动的喂料机在0.1和1之间
bull; 气力输送机大约为10
不连续运输：
bull; 船安全系数 在0.001和0.01之间
bull; 火车约为0.01
bull; 卡车 约在0.05和0.1之间
3.2 滚筒抵抗力
对于长的陆上运输系统，被完成的工作主要取决于克服滚筒抵抗力的能源消耗。滚筒被做成象钢或铝的相对地坚硬材料，而输送带的覆盖层由橡胶或PVC的更软的材料制成。 因此输送带的底部覆盖层传送带在滚筒上移动产生凹痕，这归因于传送带的重量和粒状物料的重量。 传送带的底部覆盖层的压缩部分的恢复，由于它的黏弹性将花费一些时间。输送带的底部覆盖层在这个时延中将在传送带和滚筒之间产生了不对称应力，看图2。 这个抵抗抵抗力的合力的量称为滚筒的抵抗力。 这力的大小取决于覆盖层材料的黏弹性，滚筒的半径，传送带的重力和疏松固体物料的重量和传送带在垂直平面的产生曲线的曲率半径。
图2 ： 传送带和滚筒之间引起的不对称应力[7]
知道滚筒的抵抗力与传送带速度的关系对适当的选择传送带速度很重要 [11]。
图3 ：典型胶面滚筒的损失因素[7]
首先，滚筒的抵抗力取决于作用在传送带的上的垂直载荷，是传送带和粒状材料重量的总和。 如果在传送带的垂直面内装载因数减少2那么滚筒抵抗力随之减少2.52。 可以认为输送机的输送能力是随着传送带速度的增加而使大块物料装载随之减少。 所以，随着传送带速度的增加，滚筒的抵抗力会成比例减少。
其次，滚筒的抵抗力取决于槽型托辊的大小。 如果滚筒直径因数增加2那么滚筒的抵抗力因数就会随之减少1.58。 一般来说槽形托辊直径随着传送带速度的增加而增加，但也受到轴承必要的使用寿命的限制。 随着传送带速度的增加，滚筒的抵抗力会减少。
第三，滚筒的抵抗力取决于传送带的覆盖层材料的黏弹性。 这些特性取决于变形率，看图3。 在它的转弯处的变形率取决于传送带覆盖层的变形区域的大小(根据传送带和最大块度)和传送带速度。 一般来说滚筒的抵抗力随着变形率的增加而增加(围绕速度)，但仅是一个相对地小的量。
第四，滚筒的抵抗力取决于传送带的覆盖层的厚度。 如果后覆盖层厚度增加因数2那么滚筒抵抗力随之增加因数1.26。 随着传送带速度的增加，传送带覆盖层的磨损量也增量，则滚筒抵抗力也增加。
应该体会滚筒抵抗力，虽然重要，不是唯一的速度依靠的阻力。例如槽形托辊的抵抗力取决于垂直的装载和他们旋转的速度。 垂直的装载的作用，直接地取决于传送带速度，是主要方面。 旋转的速度的作用影响较小。 另一抵抗力的产生是由于疏松固体物料在输入点的加速度。 假设粒状材料直接落在传送带上，这抵抗随着传送带速度二次方地增加。特别是厂内的皮带输送机， 这力的影响很小。
例子
要说明上述被谈论的概念让我们考虑一条输送量为5000 TPH的6 km长的传送带。槽形托辊角度，附加角度和物料密度各自取35 °， 20°和850 kg/m3。 图4显示达到必需的5000 TPH输送量传送带宽度和传送带速度的关系。 这个图与图1有些相似。
图4
图5和6显示在固定输送带速度要求时传送带的强度和的驱动力的关系。 所需传送带驱动力减少，在图中可以看出随着传送带速度的增加，驱动力的增加，输送带强度下降。 图7显示不同传送带速度的损失因数和DIN f因数。 运输损失因素总是高于DIN f因素，因为DIN f因素考虑传送带的体积(在分母)，而运输损失因素只考虑了疏松固体物料的体积。 直观地，可以认为在高速传送带速度范围将有经济上最优的传送带速度。然而最优的传送带速度选择，要求有更多信息并且它超出了本文的讨论范围之外。
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图5 |
图6 |
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图7 |
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3.3 橡胶化合物
滚筒的抵抗力取决于传送带的覆盖层的黏弹特性，如前部分所述。 这暗示滚筒抵抗力可以通过选择今天在市场上可利用的一种特别的滚筒覆盖 (橡胶)化合物来减少。使用这种特别化合物将增加一个小的成本，但是这个成本可以通过使用一种正常耐磨的化合物作为覆盖层的上层覆盖的来限制。 这个情况要求充分地利用底部化合物的节能作用。
滚筒的抵抗力的定量表征是这个滚筒抵抗显示为tan/E ^1/3，其中棕褐色是损耗角和E化合物的存贮模数。 合理的滚筒抵抗力表现的化合物显示在0.1以下。 图8显示典型的介质对优良橡胶的显示。在这个图中也能被看出：一种具体橡胶化合物的选择在一定的工作环境温度下对皮带输送机能源消耗的影响，。
必须做出一个评论(警告)。如果仅一位传送带制造商提供这个输送带，这种低滚筒抵抗力化合物的特别传送带就不应被选择。 在那种情况下，使用时，只要选择可以执行输送机系统要求与它的设计规格相符的传送带就可以。 选择这种输送带制造商超过一位，那么选择阻力上限被限制的输送带是更好的，花费的成本方面来说也是明智的，
图8 ： 在某温度情况下滚筒在四种不同橡胶的抵抗显示
4 安全因素的要求
为了满足设计要求， DIN 22101， ISO 5048，和CEMA标准都提供传送带装载可允许的安全系数(SF)的极限。 二种类型的安全系数是可以区分的： 稳定连续运行时的安全系数和不稳定运行时的安全系数。 一般来说在稳定连续运行时的安全系数是依据以下要求给出的：
（1）稳定式(满载和空载，夏天和冬天)和非稳定式的传送带张力
（2）输送带的张力来自于水平和竖曲线的额外张力
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