带式输送机溜槽设计与仿真分析

王伟星

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141）

随着我国工业生产规模的扩大和产品需求量的增加，物料的运输效率成为一项重要的影响指标。尤其对块状物料、颗粒状物料和散状物料而言，运用输送机传输是提高物料运输效率的最有效手段[1]。在各种类型的输送机中，带式输送机是一种使用最普遍、应用最广泛的输送机。原因是带式输送机不仅结构简单、操作方便，而且物料输送量大，适合多种物料运输和长距离运输。在带式输送机的整体结构中，溜槽具有极其重要的作用[2]。在传送带运输的末端，物料因自重的原因此向下抛落，同时物料随输送机产生的传输速度会和自由落体运动复合在一起，形成一种合成的运动方式[3]。如果不设置溜槽或溜槽的设计不合理，就会导致物料大范围、不规则抛落，影响后续的物料收集或对周围的设备、环境造成载荷冲击和破坏。因此，该文针对带式输送机进行溜槽设计，并通过仿真分析判断其设计的合理性。

1 物料脱离输送机的运动分析

经过一定距离的输送，物料离开输送机的传送带时会带有一定的速度，形成继续向前的加速度。同时因为失去了垂直向的支撑作用，所以其会因自重而形成垂直向的速度和加速度。2 个方向上的运动合成效果会导致物料向前下方抛射。这时，为其配置溜槽是一种合理的选择。一方面，溜槽可以承接抛射散落的物料，使物料输送过程更完整。另一方面，溜槽可以缩短物料垂直向的下落距离，降低物料可能形成的冲击载荷。

在溜槽的设计过程中，要充分考虑物料脱离输送机传送带时的运动轨迹，这又与带式输送机的滚筒尺寸、传送带转速、物料的种类和物理性征有关。带式输送机物料脱离传送带时临界状态示意图如图1 所示。

图1 带式输送机物料脱离传送带时的临界状态

从图1 可以看出，中间的粗线圆代表了带式输送机的滚筒构件，与其相切的上、下2 个带有网格剖面线的条状物代表了传送带，顶部传送带上不规则的散状物代表了输送机运输的物料。平行于顶部传送带的箭头方向代表了物料的速度方向，其下方的弧形箭头代表了物料脱离传送带后形成的可能抛落方向。

取传送带上物料中的一个小单元dm，其被传送过程中所受的离心力大小如公式（1）所示。

式中：参数FR为物料所受的离心力的大小；参数R为带式输送机滚筒的半径；参数m为物料的质量；参数φ为物料和滚筒圆心连线以及垂直向形成的夹角；参数vφ为物料的离心速度。

当物料处在即将脱离传送带的临界状态时，其所受的重力径向分量的计算如公式（2）所示。式中：参数GR为物料所受重力的径向分量；参数m为物料的质量；参数g为重力加速度常数；参数φ为物料和滚筒圆心连线以及垂直向形成的夹角；参数cosφ为角度φ的余弦值。

根据物料在即将脱离传送带的临界状态时径向所有受力达成的平衡状态，可以得到公式（3）。式中：参数GR为物料所受重力的径向分量；参数FR为物料所受的离心力的大小；参数FN为带式输送机传送带给物料提供的法向支持力。

当物料恰好脱离传送带时，会失去传送带提供的支持力，其在临界点的分离速度满足公式（4）。

式中：参数vr为物料在临界点的分离速度；参数R为带式输送机滚筒的半径；参数g为重力加速度常数；参数φr为物料和滚筒圆心连线以及垂直向形成的夹角的径向分量；参数cosφr为角度φr的余弦值。

2 2种型号的输送机溜槽设计

在物料传送的过程中，溜槽是带式输送机非常常见的辅助组件。溜槽的存在不仅可以使物料输送过程保持完整，还可以承接脱离输送带抛落的物料，尽可能减少物料的抛落距离、控制物料的末期轨迹、调整物料的抛落速度以及减少物料抛落过程中对传送带的冲击和破坏等。因此，溜槽的设计是带式输送机整体设计中重要的组成部分。

在溜槽设计的过程中，要尽可能满足如下原则：

第一，如果溜槽是前、后2 个传送带的连接部分，当溜槽承接前一部分传送带物料抛落时，应该尽量将物料引导到传送带的中心并且尽可能控制物料在溜槽上的运动速度和运动方向，使其和后一部分传送带的运动速度和运动方向相一致。

第二，溜槽的平面线形要平滑，承接区域面积要足够宽阔，以避免物料着落的过程中出现堵塞和向溜槽外散落的情况。

第三，溜槽的承接距离要适中，尽可能降低冲击载荷，同时减少物料扬尘。

第四，溜槽的整体结构要尽可能简洁，便于安装和后期维护。

根据上述原则，该文设计出直线型的溜槽结构，其示意图如图2所示。

图2 第一种溜槽结构的设计效果示意

图2 中，水平轴线代表了X方向，单位为m，图2 中以0.5m 为均匀间隔；垂直轴线代表了Y方向，单位为m，图2 中以0.5m 为均匀间隔；垂直版面方向为Z方向，代表了溜槽截面的宽度。

图2 中，左上圆为带式输送机的滚筒，其上回转的传送带与水平方向倾斜15 度角。传送带上的物料经过导料槽脱离和传送带接触，突破临界状态后向前下方抛射，形成抛物线式抛料轨迹。随后物料进入溜槽面，被其承载。

从图2 还可以看出，该文为直线型溜槽结构共设计了5 种结构，分别为溜槽面和水平方向成30 度夹角的情况、溜槽面和水平方向成35 度夹角的情况、溜槽面和水平方向成40 度夹角的情况、溜槽面和水平方向成45 度夹角的情况以及溜槽面和水平方向成50 度夹角的情况。在后续的仿真试验中将对这5 种结构进行对比分析。

进一步设计出直线和圆弧配合型的溜槽结构，如图3 所示。

图3 第二种溜槽结构的设计效果示意

图3 中，水平轴线代表了X方向，单位为m，图3 中以0.5m 为均匀间隔；垂直轴线代表了Y方向，单位为m，图3 中以0.5m 为均匀间隔；垂直版面方向为Z方向，代表了溜槽截面的宽度。

图3 中，左上圆为带式输送机的滚筒，其上回转的传送带与水平方向倾斜15 度角。传送带上的物料经过导料槽脱离和传送带接触，突破临界状态后向前下方抛射，形成抛物线式抛料轨迹。随后物料进入溜槽面，被其承载。

从图3 还可以看出，第二种溜槽结构分为2 个部分，一部分是直线型结构，另一部分是圆弧配结构，二者通过融合形成一个整体。如图3 所示，直线部分的溜槽面长度用S表示，圆弧部分的溜槽面弧度半径用R表示，其弧度面切线和水平方向夹角用a表示。通过调整弧度半径R的大小，即可以改变第二种溜槽结构的特征，从而形成不同的物料承接、物料速度调整性能。

3 2种型号的溜槽性能仿真分析

上述从物料的角度对其脱离传送带表面时的临界运动状态进行了分析，并分别设计了2 种溜槽结构以做好物料脱离传送带后的承接和调整控制工作。接下来，该文从仿真分析的角度对2 种溜槽结构对物料的调整能力进行验证，进而形成对比分析，确定哪一种溜槽结构更适合带式输送机。

首先，对第一种溜槽即直线型溜槽结构进行性能测试，其对物料速度的调整控制曲线如图4 所示。

图4 第一种溜槽结构对物料速度的控制效果

图4 中，水平轴线代表了溜槽的倾斜角度，单位是度，以5 度为均匀间隔排列；垂直轴线代表了物料进入溜槽后的速度变化，单位是m/s，以1.0m/s 均匀间隔排列；粗实线代表了物料进入溜槽后被调整的总速度；点划线代表了物料进入溜槽后被调整的水平速度；虚线代表了物料进入溜槽后被调整的垂直速度。

从图4 可以看出，随着直线型溜槽倾斜角度的增大，物料进入溜槽面后的垂直向速度持续增加，可见倾斜角度越大，直线型溜槽面受到的冲击就越大；随着直线型溜槽倾斜角度的增大，物料进入溜槽面后的水平向速度缓慢下降，可见倾斜角度的改变对物料水平向速度的变化影响不大；随着直线型溜槽倾斜角度的增大，物料进入溜槽面后的总速度分段缓慢增加。

其次，对第一种溜槽即直线型溜槽结构进行性能测试，其对物料速度的调整控制曲线如图5 所示。

图5 第二种溜槽结构对物料速度的控制效果

图5 中，水平轴线代表了溜槽的圆弧部分的半径，单位mm，以200mm 为均匀间隔排列；垂直轴线代表了物料进入溜槽后的速度变化，单位是m/s，以1.0m/s 均匀间隔排列；粗实线代表了物料进入溜槽后被调整的总速度；点划线代表了物料进入溜槽后被调整的水平速度；虚线代表了物料进入溜槽后被调整的垂直速度。

从图5 可以看出，随着直线圆弧型溜槽弧度半径的增大，物料进入溜槽面后的垂直向速度缓慢下降，并在1000mm半径大小以后基本稳定不变；随着直线圆弧型溜槽弧度半径的增大，物料进入溜槽面后的水平向速度先缓慢增加，并在850mm 半径大小以后缓慢下降；物料进入溜槽面后的水平向速度和总速度总体相差不大，并在850mm 半径大小以后基本重合。

对比图4 和图5 可以看出，直线圆弧型溜槽结构性能更好。一方面，直线圆弧型溜槽承接物料后的调整速度整体上比纯直线型溜槽下降1m/s。另一方面，直线圆弧形溜槽承接物料得到的调整速度非常稳定。

4 结论

带式输送机对物料运输具有重要意义，可以提高物料运输速度和运输效率。该文以带式输送机的溜槽组件为研究对象，首先从物料脱离传送带表面的临界状态入手，分析了物料其后的运行规律和相关运动参数。其次在物料运动分析的基础上分别设计了2 种溜槽结构，一是直线型溜槽，二是直线圆弧型溜槽。最后从物料总速度、垂直速度和水平速度3 个参数入手，对2 种溜槽结构的性能进行了仿真分析，证实了直线圆弧型溜槽结构性能更好。