宋伟刚1孟凡波2张晓华3龚欣荣4高勇5
1.东北大学机械工程与自动化学院沈阳.焦作科瑞森重装股份有限公司焦作
3.衡阳运输机械有限公司衡阳.四川省自贡运输机械集团股份有限公司自贡
5.北方重工集团公司沈阳
摘要：带式输送机是最重要的散料输送设备，文中回顾了我国带式输送机产业的发展历程，分析了散料输送对带式输送机的需求，重点介绍了近年来我国带式输送机行业的发展，列举了带式输送机行业以及部分骨干企业年产值的变化，分析了~年带式输送机中国机械工业奖获奖的项目研究创新成果，给出了长距离越野带式输送机(包括移置式带式输送机、可伸缩带式输送机、大倾角上运与下运带式输送机)、管状带式输送机、气垫带式输送机和隧道工程带式输送机的典型工程应用的统计。介绍了带式输送机的常规静态方法的选型设计、带式输送机启动、停机过程的动力学分析、转载系统的溜槽设计研究成果。对我国带式输送机的发展方向进行了展望。所提供资料可为带式输送机相关设计、制造、使用单位在今后的发展规划、产品开发、科学研究提供参考。
关键词：散料输送；带式输送机；设计计算方法；产品开发
中图分类号：TD.1文献标识码：A文章编号：-（）20--12
0引言
带式输送机是物料搬运机械(起重运输机械)行业的重要分支，自建国以来经历了恢复和初创时期(年~年)、形成体系时期(年~年)、稳定发展时期(年~年)，进入21世纪，我国带式输送机产品已经走出国门，出口到东南亚、澳大利亚、南美、非洲、欧洲等世界各地，所生产的带式输送机产品屡创世界记录。由于带式输送机服务面广，中国重型机械工业年鉴中已经将其作为单独一类产品进行统计。
文中将对散料输送对带式输送机的需求，20世纪我国带式输送机发展的简单回顾，重点讨论对进入21世纪后我国在大型越野带式输送机、管状带式输送机、气垫带式输送机、隧道工程带式输送机的发展与技术进步。并对带式输送机的今后发展趋势进行展望，本文所提供资料可为带式输送机相关设计、制造、使用单位在今后的发展规划、产品开发、科学研究提供参考。
1散料输送对带式输送机的需求
带式输送机的应用涉及煤炭、冶金、建材(水泥)、电力(火电、水电)、粮食、化工、交通运输业等工业领域、工程建设、生产工艺等方面。当前对带式输送机的需求主要体现在以下几个方面：
1)煤炭开采20世纪70年代开始采用的煤矿的连续开采与半连续开采工艺，特别是半连续开采工艺是深凹露天矿和硬岩露天矿的发展方向。露天矿最大小时生产能力达到在～t/h，有的近t/h。总体结构型式为移置式和半移动式带式输送机。带宽为～mm的移置式带式输送机是研究重点。
2)矿山至电厂或储运、加工、外运的输送系统一般输送距离为几公里到几十公里，大型储运码头的储运装卸输送系统，堆场长度可达1~2km，为减少装卸船时间，要求输送机的输送量达到t/h或以上，大型散货船到堆场或料仓的距离可达20km。如天津港散货物流中心到南疆煤码头的输煤带式输送机长度为m。内蒙古锡林浩特胜利能源一号露天煤矿至胜利发电厂输煤系统直线距离为9km，其中的长距离带式输送机长度为m。
3)由于大量的露天矿山已经逐渐进入深凹开采阶段，或转为井工开采，或增加矿山的台阶数，输送剥离物或未经破碎的矿物输送量可达~t/h，提升高度为~m，输送倾角为50~90，这对带式输送机的适应能力提出挑战，尽管国外公司已经开展研究，尚无工程实例。煤炭、金属矿山的井工开采的矿物提升有采用带式输送机的趋势，但国内大提升高度的带式输送机尚不能满足应用要求。
4)矿山开采的矿物由山上输送到山下的料场或矿物加工厂，下运高差为~m及以上，由于受到输送带及零部件的限制，目前下运高差超过m大多采用多条带式输送机接续输送方式，需要开发单机下运m及以上的带式输送机。
5)绿色化和环保的要求近年来由于环保的要求，一些矿区对矿物输送物流系统进行整合，由原有的短距离、小运量带式输送机系统向干线输送发展，输送距离可达5~25km，输送量为t/h以上；
6)隧道工程建设包括西部交通建设、调水工程、跨江越海交通工程、战略能源储备的地下工程、城市轨道交通建设、地下综合管廊建设等方面的国家基本建设的重大需求下，对配合TBM的带式输送机连续出渣有较大的需求；目前采用TBM掘进隧道所需带式输送机长度大致为10~25km。
7)砂石骨料在国家对砂石骨料供给监管趋严、国有资本加快布局砂石骨料行业砂石企业实现绿色化、智能化的背景下。砂石骨料行业对带式输送机需求旺盛。国内向家坝沙石骨料输送线达31km，年建成的安徽长九新材料股份有限公司的长距离带式输送机为世界最大物流量的带式输送机。
8)企业内部生产工艺包括输送、转载、堆放、分选等；受到企业内部的场地和建筑设施限制，厂内带式输送机相对较短，但输送机数量多，如宝钢1期共有带式输送机多套，总长57km；
9)尽管带式输送机的规格已经发展到的很高的水平，但带式输送机的单机长度、输送带的强度还需不断地增加，以满足带式输送机应用领域的需求。
2近年来我国带式输送机的发展
近年来，我国带式输送机得到了长足的发展，2年补充了DTII型带式输送机，命名为DTII(A)型带式输送机，年的手册将带宽范围扩大为~0mm，补充了mm、mm、mm、0mm等4种规格。
“十一五”期间(6年~年)，在我国带式输送机行业科研、设计、制造和使用单位的共同努力下，我国带式输送机的设计制造水平有了很大的提高，总体上已经达到国际先进水平。除了可以满足国民经济各行业项目建设的需求外，已经开始批量出口国外，其设计制造能力、产品性能和产品质量基本上得到了国际市场的认可。
我国目前已有带式输送机主干企业几十家，生产制造能力世界第一，产品总体技术水平和质量与国外先进水平差距不大，国际市场竞争能力比较强。
配套体系国际化程度高。国内外各品牌的输送带、电机、减速器、轴承、托辊、电控元器件、液压元器件、变频器等在国内均可采购配套。
表1为带式输送机行业协会统计带式输送机行业和作者所在企业的年产值[6]，企业的年产值达10亿以上已经成为常态。需要说明的是：带式输送机行业协会的统计只统计到部分会员企业的情况，全国实际产量估计为协会整体数值的2~3倍以上。
在工程设计方法方面，在MT/T—3煤炭工业带式输送机工程设计规范的基础上，8年发布了GB―8《带式输送机工程设计规范》。年完成了该规范的修订，将标准更名为《带式输送机工程技术标准》，新版标准增加了水平转弯带式输送机、U型带式输送机和管状带式输送机的工程设计以及带式输送机工程施工和工程验收内容，目前处于报批阶段。
2.1长距离越野带式输送机
带式输送机的发展总是向着更长距离、更大的提升高度、更大的输送量方向发展，0年以前，国内单机最长输送机在5km以下，0年以后达到14.22km。《带式输送机工程技术标准》(报批稿)定义：大型带式输送机为同时具有总驱动功率不小于1kW、输送量不小于t/h、长度不小于1m中的2项及以上特征的带式输送机。长距离带式输送机为机长不小于m的带式输送机。近年来，提出了“超长距离”的概念，可以认为超长距离带式输送机的长度不小于m。长距离越野带式输送机往往存在水平曲线段，因而现有平面曲线带式输送机的最大长度要大于直线带式输送机。(图1为埃塞俄比亚曲线带式输送机)伴随着带式输送机的长距离、大型化和高带速，对托辊、滚筒、驱动装置、输送带等主要部件提出了更高的要求。大型带式输送机具有输送距离长、线路复杂，分布在输送带机上的物料质量重、惯性大，在特殊情况下各点带速不均，这都给带式输送机的设计带来极大困难。任何一个设计细节的忽略都会导致如撒料、断带、飘带、叠带等恶性事故。启制动过程的分析与控制成为系统设计的关键技术。取得的主要进展包括：
1)研究集成机械、电气、土建及钢结构、计量、环保、消防等多学科技术，积极采用德国、美国等国外先进的设计标准，开发研制了固定带式输送机用二工位卸料装置和转动式导料槽等专利技术，在带式输送机系统中采用集中润滑技术，采用“聚辉钢”，“聚氨酯”等新材料，提高了转载点衬板寿命；研究了带式输送机栈桥和支架集成系统，栈桥绗架竖腹杆同时兼做带式输送机的支腿和中间架，有效解决了带式输送机托辊、托辊架、走台和输送带等一体化结构体系的振动及节点连接问题。
2)在平面曲线带式输送机设计理论，中部驱动理论方面取得进展，采用中部多点驱动自身转载技术，多机顺序启动控制技术及长距离复杂工况的快速响应拉紧装置；采用4辊托辊组结构实现小曲率半径曲线运行，研制出具有自主产权的基于变频控制的液粘无级调速装置，采用智能控制理论，光纤通信技术及冗余环网技术，实现长距离信息的高速、实时通信与系统控制；北京约基开发了U型带式输送机系统实现带式输送机水平曲线运行，建立了U型带式输送机试验台，进行模拟摩擦系数测定，输送带横向刚度测定、输送带接头和成槽性测定、抗侧风能力测定实验。
3)在移置式带式输送机方面衡阳运机研制出带宽mm，输送量t/h，单机长度m具有自主产权的移置式带式输送机，解决了在露天矿山的带式输送机移置问题；华电开发了0t/h移置式带式输送机系统，完成了全功能一体化机头的研究与开发、高强度滚筒的疲劳强度设计与开发。
4)在大角度、大高差下运带式输送机方面，解决了下运带式输送机的物料势能反馈发电及反馈电能的综合利用技术，－22.5大倾角防物料下滑技术、大倾角、大惯性下运带式输送机的防“飞车”制动技术。
5)在可伸缩带式输送机方面，采用组合式驱动装置，提高了驱动装置配比的互换性(图2)，采用自动液压夹带与卷带，无惯性快速响应张紧小车，实现了大带宽可伸缩带式输送机的长距离输送；研发了新型带式输送机自移装置，使转载机和自移机尾允许最大摆角达到±8，提高了对巷道起伏的适应能力，开发了模块化复合式缓冲结构，解决了块煤卸载过程中损伤输送带问题。
6)在深槽带式输送机方面，采用双排交错深槽型托辊组，解决了输送带成槽及大倾角输送大块物料滚落的问题。实现了软启动与功率平衡，解决了盘式制动器与逆止器的同步性技术问题，消除了高速制动带来的隐患，在mm带宽条件下，输送倾角达到26。
图1埃塞俄比亚曲线带式输送机
图2井下可伸缩带式输送机的驱动布置
7)研发了长距离、大运量带式输送机系统安全保障技术，解决了输送带反弹控制和断带抓捕保护的难题。
8)北方重工在印度Reliance(图3)项目中为保证输送机系统具有性能稳定、运行可靠、安全性好、自动化
程度高等特点，将低滚动阻力概念引入带式输送机设计中，研发节能输送带、新型节能托辊、钢构轻量化设计等多项节能技术，研制开发出高效、无人值守带式输送机检测检修单元、增惯装置、新型智能张紧装置、防输送带划伤托辊支架、轨道侧拉式拆卸缓冲托辊组，并开发了自动巡检小车(图4)。利用DEM动态仿真技术，开发出动态转载设计技术等多项带式输送机关键技术，总结出一整套长距离大运量带式输送机设计理念，最终实现了综合模拟摩擦系数由0.02这一指标降低到0.。
图3印度Reliance项目带式输送机
图4越野带式输送机的巡检小车
9)国家“十二五”智能制造装备专项“智能可伸缩带式输送机”项目研究了实时检测及自动延时技术、输送带金属连接扣的实时成像及自动化比照技术、快速响应的变频绞车技术、实时动态参数上传过滤技术、实时测温、测振技术。
10)长距离带式输送机系统的巡检问题是一个瓶颈问题，一些公司开发了机器人巡检系统，焦作科瑞森自主开发了KRS-ITIS型第一代智能巡检机器人(图5)，该机器人以软索为轨道，全程自主行走，可搭载高清摄像机、声传感器、红外摄像仪、粉尘/有害气体传感器等，实现对带式输送机进行动态巡检。
图5KRS-ITIS型第一代智能巡检机器人
表2为国产一些大型带式输送机系统的主要参数，表中给出了其中部分项目的输送带安全系数，可以看到，国产大型带式输送机无论是数量、长度、输送量上都呈增加态势，输送带的安全系数已经突破DIN-的推荐值，这些项目的投入运行，也为在设计过程中进一步降低输送带安全系数提供了经验。
2.2管状带式输送机的发展
圆管带式输送机是日本的(JPC)JapanPipeConveyor公司首先于年开发出的产品，并在32个国家获得专利。通过专利授权方式向12个国家制造商转让了此专利技术。年JPC并入普利司通(Bridgestone)，9年更名为BridgestoneEMK。日本的三菱公司、东海公司和德国的PWH-Continental、ConradScholtzGmbH等公司均开发了此产品。我国通过引进普利司通技术、与Koch、CDI等国外企业的合作，已经有多家企业开发、生产了圆管带式输送机，制定了“圆管带式输送机”机械行业标准，“管状输送带”化工行业标准。成功地开发并应用了一批世界级的圆管带式输送机系统。表3为国内外圆管带式输送机的工程实例。近年来，我国管状带式输送机的制造与应用无论是数量上，还是工程规模上都有长足进步，最长无中间驱动已达m(见图6)，有中间驱动已达m，最大管径为mm(见图7)，应用输送带的最大带强为ST-主要的技术创新为：
1)研究带式输送机翻转装置机理，设计翻转装置，解决防爆管问题，研制可调节托辊架结构。
2)在贵阳中化磷化肥有限公司的磷石膏输送管状带式输送机项目中，首次采用低滚动阻力输送带和头尾双游动拉紧装置，保证了传动滚筒传递驱动力能力。
3)尧柏水泥超长距离管状带式输送机首次实现极端复杂条件下的运行，提出了管状带式输送机输送带横向刚度稳定值测试方法，张紧装置采用液压绞车、重锤、液压缸的组合方式，提高了系统的可靠性。
4)山东力博开发了直径为mm的管状带式输送机试验台。
图6印尼塔里亚布DG管状带式输送机
图7绥中电厂管状带式输送机
2.3气垫带式输送机
气垫输送机是20世纪70年代首先由荷兰研究出的一种新型连续输送设备，它是用薄气膜支承输送带及其上物料的带式输送机。它将托辊带式输送机的托辊用带孔的气室盘槽代替，当气源向气室内提供具有一定压力和流量的空气后，气室内的空气经盘槽上的小孔逸出，在输送带和盘槽之间形成一层具有一定压力的气膜支承输送带及其上部物料。把按一定间距布置的托辊支承变成了连续的气垫支承，使输送带与托辊之间的滚筒摩擦变成输送带与盘槽间以空气为介质的流体摩擦，减小了运行阻力，带来了很多优点。
我国于80年代初开始引进该技术，80年代中期，我国自行研制的带宽1m，长97m大型试验样机安装于北京矿务局王平村煤矿，从此拉开了气垫输送机在我国推广应用的序幕。年化学工业出版社出版了《气垫带式输送机设计选型手册》，年由曾晨、孟文俊主编《气垫带式输送机设计选用手册》，河南天隆重大装备公司编制了《第二代气垫机设计手册》。
河南天隆重大装备公司的气垫带式输送机在粮食储备仓库及粮食加厂，粮食码头等得到广泛应用，并首先在氧化铝厂解决了三氧化二铝的输送问题。为了适应大型火力发电厂输煤量大的需求(输送量要求3~4t/h），建立了带宽mm和mm两台气垫带式输送机试验台（见图8）。试验台主要测试：气膜厚度、气室压力、气膜压力及阻力系数，并根据测得的数据为依据，设计制造了宽带mm、长度m的气垫带式输送机样机。
第二代气垫机在设计理论、节流孔布置、设计方法、气箱结构、风源装置、清料装置等方面采取了6大创新技术，解决了以往气垫带式输送机存在的气垫均匀稳定性差、沿程阻力损失大、节能效果不显著或根本不节能、重载起动困难或根本不能重载起动、漏风较严重、气垫形成不良等问题。
采用全气垫气室全封闭结构，部件采用模块化生产，现场组装，分段供气，避免长距离输送机气体压力在输送机纵向分布不均匀问题，输送距离达到1m。输送能力达到1t/h。江门振达开发了粮食输送0t/h的实验系统。
图8气垫带式输送机试验台
2.4隧道工程带式输送机
长期以来，带式输送机主要制造企业对隧道出渣带式输送机研究较少，只是个别企业为国外厂商配套制造，缺乏系统研究。随着我国乃至世界已经进入铁路(特别是高铁)建设的快速发展时期，其中包括城市地铁和城际轨道；近年来水利资源的开发和利用也是国家的重要战略，尤其引水隧洞工程领域。随着应用到越来越多的铁路隧道及水利工程隧道掘进施工中，其后配套连续带式输送机的需求也会越来越多。年以前，连续带式输送机的市场还处于国外公司垄断的状态。第一台国内自主设计制造的连续带式输送机由兖矿东华重工有限公司完成。上海科大是生产该机型较多地企业，其中山
西大水网中铁十八局山西中部引黄工程项目连续带式输送机单机长度26km，是目前输送距离最长的连续带式输送机；新疆EH供水项目在国内首次采用一洞双机布置，且支洞转弯段属于高张力大角度小转弯半径工况，是国内少见的设计和运行复杂的系统；中铁隧道局以色列特拉维夫地铁红线项目连续带式输送机创造了转弯半径m的连续S弯运行记录。目前国内已有多家带式输送机生产企业能够独立设计制造该机型。并准备制订行业标准。
隧道工程，特别是城市地铁的垂直提升出渣问题是建设的瓶颈问题，一些工程项目采用传统的波状挡边输送机提升，但是由于渣土中含水问题，波状挡边输送带清扫问题严重。
上海科大重工集团有限公司于年自行研发的复合式提升带式输送机，由牵引带和支撑带两大部分复合而成，呈“Z”形布置。支撑带嵌套于牵引带机内环。牵引输送带由两条平行排列的带挡边条的闭环基带及若干隔板组成，呈镂空状；支撑输送带是一条闭环的平输送带。牵引输送带与支撑输送带的上分支在受渣区段开始贴合，形成若干个可存储渣土的框斗，直到卸渣区段分离。其中，牵引输送带构成了框斗的边框，支撑输送带构成了框斗的底板。两条输送带的驱动装置和卸渣区段布置在地面，受渣区段布置在井底，中间机身部分靠近井壁布置。
采用带式输送机垂直出渣的另一种解决方案是压带式带式输送机，焦作科瑞森根据隧道渣土垂直提升要求和渣土特点，开发了C型高倾角压带式输送机，通过输送带张力提供部分承载和压带间的压力，年首次在隧道施工工程应用，实现物料的垂直输送，高效平稳直接出渣至渣土池，满足了隧道开采渣土连续输送工艺需求。第1条C型高倾角压带式输送机成功应用济南地铁(图9)，后续在上海地铁、广佛地铁环形项目开展应用。
图9济南R2项目C型高倾角压带式输送机
3带式输送机设计计算理论与计算方法
带式输送机系统的设计主要设计常规静态方法的选型设计、带式输送机的启动、停机过程的动力学分析、转载系统的溜槽设计以及系统钢结构、滚筒的有限元计算和系统振动分析等。本文不涉及钢结构、滚筒的有限元计算和系统振动分析问题。
3.1带式输送机常规设计计算方法
多年来，我国广泛采用的TD75、DX、GB/T—(ISO)计算方法已经不能满足大型、复杂带式输送机系统设计。经过多年实践、通过对输送物料的截面轮廓、驱动装置形式、附加阻力(特别是导料槽阻力)、输送带安全系数的研究，结合DIN和CEMA计算方法，编制了GB/T—《带式输送机设计计算方法》[9]。该标准由北京起重运输机械设计研究院和东北大学作为主编单位，参加单位20个，结合了多年来国内外研究成果，标准的内容和特点包括：
1)用于确定带式输送机主要部件(如驱动装置、制动装置、拉紧装置、滚筒、托辊和输送带)的基本参数。内容包括：体积输送量和质量输送量、稳定工况的运行阻力和功率消耗、驱动系统的设计计算(驱动、制动、逆止)、输送带张力和拉紧力的计算、输送带宽度面上的张力分布、输送带的安全系数和覆盖层厚度的确定、滚筒最小直径的确定方法、托辊的选择与托辊间距设计、槽形过渡段及竖向曲线段曲率半径的设计和输送带翻转的设计等内容。在适用于长距离大运量的带式输送机的同时，也适用于中小型简单的带式输送机。
2)统一了带式输送机的上分支和下分支的阻力计算表达式，为实现带式输送机设计计算软件开发提供方便，并且适用于双向输送带式输送机的设计计算。细化了附加阻力和特殊阻力的载荷计算方法，为准确的计算总阻力提供了基础。首次提出了带式输送机阻力和张力计算的迭代法，该方法可将与输送带张力相关的阻力精确计算。
3)首次将带式输送机的启动方式划分为按固有特性启动和按运动控制启动两种方式，由于大型带式输送机大多采用控制启动方式，应用本标准的计算方法可以精确地计算与降低输送机的拉紧力，在满足带式输送机可靠、安全的同时降低输送带的破断强度，提高系统的经济性。给出了逆止力的计算式。
4)区分了输送带截面上张力非均匀分布的基准疲劳强度和输送带安全系数的估算。区分了初步估算出输送带的最大张力、当计算出每个滚筒上的输送带的张力两种方法。
5)给出了各传动、制动滚筒上的滚筒圆周力分配相关内容；扩展了输送带垂度值的适用范围；给出按运动控制启动的启动系数计算方法，证明了在一些情况下，驱动和制动装置的确定需按启动、制动条件来确定；给出带式输送机运动质量的计算；将ISO的简单布置带式输送机的输送带最大张力的计算内容在附录中给出。
基于GB/T—《带式输送机设计计算方法》，东北大学开发了带式输送机设计计算软件BeltAnalyse3.0，该软件在VisualStudio环境下开发，可对任意布置的复杂，平面曲线带式输送机进行计算，计算结果采用Excel报表输出，图10为该软件的数据输入、计算结果输出、输送带张力、线路曲线界面。
(a)数据输入主界面
(b)计算结果主界面
(c)不同工况下的输送带张力
(d)线路曲线
图10BeltAnalyse3.0软件的操作界面
3.2带式输送机动力学分析方法及软件
带式输送机系统的动力学分是带式输送机设计分析的重要手段，国家标准《带式输送机工程技术标准》(报批稿)中规定：具有下列主要特征的带式输送机宜进行动态性能评价：多点驱动或制动；输送线路有多个变坡段，有明显的上坡和下坡区段变化；在不同工况下运行阻力存在明显差异。国内带式输送机动力学问题的研究起始于20世纪80年代，国内目前至少有5篇涉及带式输送机动力学的博士论文，研究内容重点包括系统数学模型，求解方法、事故工况、拉紧装置等方面。
根据现有驱动方式，将驱动装置划分为按固有特性启动，控制切换电阻时序和设定驱动力启动等方式；针对多驱动系统的控制特点，提出了基于功率跟踪控制的动力学逆问题的数值解法，该方法可以解决长距离挠性传动系统多点驱动的动力学与控制问题，根据所提出的数学模型和数值解法，研究了解析模型求解方法、波动方法、有限元方法。图11为行波方法启动过程输送带速度图，图12为头部驱动有限元方法启动过程输送带速度曲线，图13输送机启动过程曲线，图14具有头、尾、中部驱动的多点驱动的输送带张力曲线。
图11行波方法启动过程输送带速度图
图12头部驱动有限元方法启动过程输送带速度曲线
图13输送机启动过程曲线
图14具有头、尾、中部驱动的多点驱动的输送带张力曲线
3.3带式输送机转载设计的DEM方法
散状物料的运输与转载是广泛存在的基本环节，特别地随着散状物料处理量的不断增大，装载与转载的设计问题日益突出。转载设计问题的研究也得到了广泛的