Normal force and sag resistance of pipe conveyor | CJME论文推荐

提示：点击上方"机械工程学报"↑关注我吧

研究背景及目的

圆管带式输送机是一种新型环保高效散料输送装备，它与普通带式输送机结构基本相似，且都是依靠电机驱动输送带使物料移动，圆管带式输送机与普通带式输送机主要的区别为中间段托辊组结构与输送带形状不同，圆管带式输送机中间段的输送带始终为圆管状。

然而，在圆管带式输送机工程设计中，依旧参照普通带式输送机的设计标准，且不同设计者的个人经验与不同企业的设计标准对圆管带式输送机的设计影响较大，使设计时的一些关键参数选取依然没有统一的技术标准。故为了优化圆管带式输送机的设计，研究输送带与托辊的接触力学特性，得到不同因素下托辊受载与压陷阻力的变化情况至关重要。

在圆管带式输送机运行过程中，托辊组与输送带相互接触时产生法向与切向两个方向上的力，如图1所示，工程设计将中托辊受到的法向力称为托辊正压力，输送带受到的切向力称为压陷阻力，压陷阻力与输送带运动方向相反，总是阻碍输送带运动的力。

图1 托辊组与输送带接触的受力示意图

托辊正压力是输送带成形力、输送带重力与物料重力综合作用在托辊法向方向上的力的总和，它是托辊结构设计的关键因素，若托辊正压力过大，托辊处于超载运行状态极易发生疲劳失效，从而增加圆管带式输送机后期维修成本，而托辊正压力过小，说明设计时选取了较大安全系数，导致托辊体积与重量过大、存在材料的浪费等现象；与此同时，托辊正压力也是计算压陷阻力的一个重要参考依据，在压陷阻力设计时可通过输送带与托辊接触时产生的正压力，即托辊正压力来计算压陷阻力，故托辊正压力的研究是圆管带式输送机设计的关键因素，对托辊结构与压陷阻力的设计具有重要意义。

工程设计中将两组托辊组间的输送带成形力、输送带重力与物料重力的总和作为托辊组正压力，对单个托辊进行结构设计与强度校核，导致托辊体积与质量过大，忽略了托辊组中不同位置托辊受力差异，各托辊失效时间不一，该托辊正压力设计不够准确，故托辊正压力的设计还存在很大优化空间。

压陷阻力是圆管带式输送机设计的基础与关键，是电机驱动功率以及输送带选型的主要参数、也是影响运行成本以及耗电量的主要因素。压陷阻力占圆管带式输送机总阻力的比例较大， Hager对长度为1km的普通带式输送机进行各种阻力计算，得到压陷阻力占总运行阻力的61%，且由于圆管带式输送机在运行时把输送带卷成圆管状，导致输送带与托辊组接触时产生了更大的接触力，圆管带式输送机的压陷阻力占总阻力的比值更大。圆管带式输送机压陷阻力设计时，若压陷阻力过大，输送带的强度要求将提高，使输送带的生产成本增加，也将导致电机功率增大、耗电量增多，严重时甚至导致圆管带式输送机超载运行、使用寿命大大降低。压陷阻力由输送带与托辊接触产生，在圆管带式输送机压陷阻力工程设计中，主要根据输送带、运输物料的重量与输送带卷成圆管的作用力以及压陷阻力系数计算压陷阻力，然而，圆管带式输送机压陷阻力的相关研究较少，一些技术难题依旧存在，压陷阻力的设计依旧参照普通带式输送机与个人的设计经验，导致圆管带式输送机压陷阻力设计与真实情况存在差异，输送带选型以及电机功率设计还有很大优化空间，故探明圆管带式输送机不同因素对压陷阻力的影响规律具有重要意义。

试验方法

(1) 托辊正压力测试方法

如图2所示为托辊正压力整套测试系统图，图3为压力传感器布置结构示意图，图4为压力传感器安装实物图。首先，将压力传感器布置在托辊座与托辊支架之间，并用螺母将压力传感器固定，每个托辊上布置两个压力传感器。由于压力传感器受力方向与托辊正压力方向一致，故可将两个压力传感器之和看作托辊正压力。一组托辊组上共布置12个压力传感器，将压力传感器通过数据传输线直接与数据采集控制模块相连，数据采集控制模块与上位机相连，故传感器的压力信号可传递给数据采集卡，通过上位机的测试软件实时监测，并读取信号，然后将所采集的数据导出，经过数据处理后可得到托辊正压力。

图2  托辊正压力整套测试系统图

图3 压力传感器布置结构示意图

图4 压力传感器安装实物图

(2) 托辊正压力测试步骤

托辊正压力的测试步骤具体如下：

① 将压力传感器安装在托辊座与托辊支架之间，并使用螺母固定。

② 将上位机与数据采集模块连接，再将压力传感器与数据综合采集模块连接好，建立局域网进行数据传输。

③ 设定圆管带式输送机的带速，然后启动圆管带式输送机，对圆管带式输送机进行上料，上料完毕后停机进行物料填充率的测试，当物料填充率设定好后，再启动圆管带式输送机开始进行托辊正压力的测试。

④打开动态信号采集系统软件，将采用频率设置为100，即1s中采集100个数据，对各通道选择放大倍数为1000，即可清楚的显示托辊正压力的变化情况。然后开始进行数据的采集，并将数据的源文件导成需要的指定格式，对采集的数据进行处理，分析得到托辊正压力。

结果

本文提出了法向力的计算方法，分析了不同辊组间距和物料填充率下的抗流挂力的变化，揭示了抗流挂力与法向力的关系。从本文可以得出以下结论：

（1）在本文中，托辊与皮带间的正压力分解为与皮带的形成力、物料重力和皮带重力有关的三个分量。通过皮带和滚筒的动力学模型研究了这三个分量的系数。然后得到正压力的计算方法，其中物料重力的系数几乎仅与材料填充率有关。

（2）正压力的计算方法可以有效地计算出各个托辊的正压力，为托辊的结构设计提供理论依据。

（3）辊组间距和物料填充率会影响正压力，进而影响压陷阻力。压陷阻力和辊组的正压力之间存在幂函数关系，若正压力增长至2倍，则压陷阻力将增加至原来的7.11倍。可以根据该关系和正压力大致计算出压陷阻力。

结论

(1) 探明了物料填充率与密度对托辊正压力中物料重力分量的影响规律，得到托辊组六个不同位置托辊的正压力计算模型。物料填充率与物料密度主要影响下方三个托辊正压力的物料重力分量，当物料密度大于50%时，物料重力分量系数趋于稳定，其中下方两侧托辊均承受33%-34%的物料重力，最下方托辊承受约60%的物料重力；针对托辊正压力中的输送带成形力分量，其中下方五个托辊的输送带成形力分量接近，最上方托辊的输送带成形力分量最大，约为下方五个托辊平均值的1.49倍；针对输送带重力，主要由下方三个托辊承受，下方两侧托辊均承受32%的输送带重力，最下方托辊承受约70%的输送带重力。

(2) 压陷阻力随托辊组间距的增大而快速增长，且圆管带式输送机总压陷阻力的增大倍数与托辊组间距增大倍数的2.4次幂成正比。托辊组间距为0.8m时，其压陷阻力是间距为1.2m时的34.3%，是间距为1.6m时的19%，压陷阻力与托辊组间距的关系可为圆管带式输送机的总运行成本与托辊组生产成本的估计与控制提供参考依据。

(3) 托辊组间距、物料填充率与物料密度的变化，本质是通过改变托辊组正压力使压陷阻力发生变化，压陷阻力与托辊组正压力呈幂函数关系，当托辊组正压力从400N增至800N时，托辊组正压力增大2倍，压陷阻力增大7.11倍。

(4) 压陷阻力与托辊半径近似呈幂函数关系，托辊半径增大可有效减少压陷阻力。得到的托辊正压力计算模型，以及托辊组正压力、托辊半径与压陷阻力的关系，可为压陷阻力设计提供一定参考依据。

(5)设计了托辊正压力的测试方案，开展了空载、物料填充率为30%、50%、70%的托辊正压力的测试，并与托辊正压力计算模型进行对比，验证了托辊正压力计算模型的正确性。该研究对圆管带式输送机实验台的搭建、托辊正压力的测试有一定指导意义。

前景与应用

为圆管带式输送机的设计制造，如设计过程中托辊间距的选择、针对物料特性如何选择皮带参数、成圆半径等提供理论依据。

相关文章/图书推荐

[1]    王鹰,杜群贵,韩刚,等.环保型连续输送设备--圆管状带式输送机[J].机械工程学报,2003,39(1): 149-158.

[2]    张钺.新型圆管带式输送机设计手册[M]. 化学工业出版社, 2007: 178-181.

[3]    宋伟刚,季洪博.圆管带式输送机的研究进展及其设计计算方法[J].工程设计学报,2018,25(01):1-11.

[4]    宾光富, 张文强, 李学军,等. 考虑圆管输送带弹性的托辊组动态接触力特性分析[J]. 煤炭学报, 2017, 42(9):2483-2490.

团队带头人介绍

黄良沛，男，1971 年生，湖北天门人，教授，博士，湖南科技大学先进矿山装备教育部工程研究中心、机械设备健康维护湖南省重点实验室副主任，中国机械工程学会高级会员，湖南省故障诊断与测控技术学会常务理事，湖南省优秀青年骨干教师。主要从事机械系统可靠性建模与优化设计、复杂机电系统动力学分析与控制、机械故障诊断与信号分析、机器视觉与运动控制等方面的研究工作。近年来主持国家自然科学基金科研项目1项；湖南省科技重大专项等省部级科研项目4项，企业横向项目6项；参与国家级、省部级科研项目10余项；主持科研项目获湖南省技术发明二等奖1项、中国仪器仪表学会优秀产品奖1项，参与科研项目获湖南省科学进步二等奖3项，湘潭市科学进步一等奖2项；在《机械工程学报》、《系统工程学报》、《中国机械工程》、《机械科学与技术》等国内外学术刊物和国际会议上公开发表科研论文近70 篇, EI收录近20篇。

作者或团队研究方向介绍

湖南科技大学智能检测、诊断与控制创新团队依托湖南科技大学机械工程学科、机械设备健康维护湖南省重点实验室与先进矿山装备教育部工程研究中心，机械工程学科具有一级博士学位授予权及博士后科研流动站。团队以直升机动力系统、大型复杂矿山工程装备、大型风电机组等为背景，开展机械动力学、智能诊断与控制、智能制造运维系统、机器视觉与运动控制等方面的研究。团队现有固定教师8 人，其中教授 2 人，副教授 2 人。拥有的实验平台有：直升机涡轴发动机-机匣模拟试验系统、直升机涡轴发动机模拟实验平台、直升机主减行星轮系模拟实验平台、直升机中尾传动系统模拟实验平台、20 吨水冷电动振动试验平台、圆管带式输送机多工况综合实验平台、风电机组动力学与故障诊断实验平台等，拥有 B&K 振动噪声测试与分析系统、MVX在线状态监测系统、单点激光测振仪、红外热像仪等多种监测分析系统，以及ANSYS 和 ADAMS 等大型正版分析软件。

近两年团队发表文章

[1]    ShuaipingGuo, Xinming Fan, Hongguang Li, Kuidong Gao. Precision ControllableGaver-Wynn-Rho algorithm in Laplace Transform Triple Reciprocity BoundaryElement Method for Three Dimensional Transient Heat Conduction problems,Engineering Analysis with Boundary Elements, 114 (2020), 166-177. (SCI)

[2]    ShuaipingGuo,Qiqiang Wu, Hongguang Li, Wang Wang, Kuidong Gao. Triple Reciprocity Method forUnknown Function's Domain Integral in Boundary Integral Equation, EngineeringAnalysis with Boundary Elements,113 (2020),170-180. (SCI)

[3]    Liangpei Huang, Hua Huang, XiyunYin. A Fault Diagnosis Approach for Rolling Bearing Based on Wavelet PacketDecomposition and GMM-HMM[J], International Journal of Acoustics and Vibration，2019,24(2):199-209.

[4]    Qiqiang Wu, Shuaiping Guo, Xuejun Li, Guoqiang Gao.Crack diagnosis method for cantilevered thin walled beam structure based onmodal parameters, Measurement Science and Technology, 2019, 31(3): 035001.(SCI)

[5]    ShuaipingGuo, Qiqiang Wu,JinliangGu, Wang Wang， Xuejun Li. An improved implementation oftriple reciprocity boundary element method for three-dimensional steady stateheat conduction problems. Engineering Analysis with Boundary Elements, (2019).107, 1-11. (SCI)

[6]    GuoShuaiping, Wu Qiqiang, Yang Weisong. Crack Location and Degree Identificationof Wind Turbine Blades by Nature Frequency Analysis. The 10th IEEE Prognosticsand System Health Management Conference. 2019,

[7]    黄伟,郭帅平,范星明等.考虑物料因素的圆管带式输送机直线段托辊接触力研究[J]. 煤炭学报, 2019,44(07): 2267-2276(EI，CSCD)

[8]    吴琪强,郭帅平,王钢,李学军. 基于固有频率的风力机叶片裂纹精确定位与程度 识别. 振动与冲击.2019.38(24):19-28.(EI，CSCD)

[9]    郭帅平,廖子豪,黄源,宾光富.考虑声强测试网格的汽车雨刮器驱动系统噪声定位精 度研究[J].噪声与振动控制,2019,39(03):133-137+198.(CSCD)

[10]  吴琪强,郭帅平,王钢,李学军.基于风力机叶片固有频率的裂纹定位方法，机械强度， 2019.41(5):1048-1053.(CSCD)

[11]  杨炜松，郭帅平，李学军，李鸿光 .基于Hough变换和圆形模板的棋盘格角点检测, 激光与光电子进展，2020.5(CSCD已接收)

[12]  黄伟,郭帅平,李学军.圆管带式输送机传动滚筒疲劳分析及结构优化，湖南科技大学学报，2019.10(已接收)

对本文感兴趣的朋友可以速戳屏幕下方的“阅读原文”，免费获取全文阅读！

编辑：李楠   编校：张强

寻觅合作伙伴

有一种合作叫做真诚，有一种发展可以无限，有一种伙伴可以互利共赢，愿我们合作起来流连忘返，发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等，请与我们联系。

感谢关注我们！我们《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个有态度、有深度、有温度的学术媒体！

推荐阅读

1.CJME最新SCI影响因子1.413，Q3区
2.最新机械工程领域SCI期刊一览(2018JCR)3.轮足式仿生软体机器人设计与运动分析 | JME文章推荐4.深海海底钻机收放装置关键零部件可靠性分析与试验丨JME封面文章5.绿色切削微量润滑增效技术研究进展丨JME封面文章6.摩擦纳米发电机在自驱动微系统研究中的现状与展望 |JME封面文章7.激光加工平面型微超级电容器的研究进展与发展趋势丨JME封面文章8.面向灾难搜索救援场景的空地协同无人群体任务规划研究丨JME文章推荐9.基于微流控芯片的生物细胞电阻抗成像检测技术丨JME文章推荐10.双臂协调机器人相对动力学建模丨JME文章推荐11.针对高维优化问题的快速追峰采样方法丨JME论文推荐12.C基于自适应扩展卡尔曼滤波的分布式驱动电动汽车状态估计丨JME文章推荐

版权声明：

---

本文为《机械工程学报》编辑部原创内容，欢迎转载，请联系授权！

在公众号后台留言需要转载的文章题目及要转载的公众号ID以获取授权!

商务合作：

---

联系人：张强

电话：[phone]

E-mail：[e-mail]

网 址：http://www.cjmenet.com.cn

官方微信号：jmewechat

长按图片，识别二维码，关注我哟