李 剛，孫瑞光

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引言

連續(xù)運(yùn)輸機(jī)俗稱輸送機(jī)，在一定的范圍內(nèi)，按照一定的技術(shù)要求，應(yīng)用它可以將散裝物料或者成件物品按照一定的輸送路線從裝載點(diǎn)到卸載點(diǎn)以恒定的或者變化的速度進(jìn)行運(yùn)輸。在現(xiàn)代的各個(gè)行業(yè)中，輸送機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，比如：車站物品檢驗(yàn)的輸送、港口糧食的運(yùn)輸、建筑業(yè)沙土的運(yùn)輸?shù)?。在所有的運(yùn)輸設(shè)備中，機(jī)械式的輸送機(jī)獲得了極為廣泛的應(yīng)用，其中又以托輥式輸送機(jī)應(yīng)用較多，但其存在著成本高、運(yùn)行阻力大、耗能大等缺點(diǎn)。氣墊式輸送機(jī)在技術(shù)上比托輥式輸送機(jī)要求嚴(yán)格，而且需要?dú)庠聪驓馐覂?nèi)提供具有一定壓力和流量的氣體，盤槽上的小孔也很容易被散裝物料以及灰塵等其他雜質(zhì)堵塞。因此，本文在目前氣墊帶式輸送機(jī)以及托輥帶式輸送機(jī)發(fā)展與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了一種可調(diào)磁力大小的磁式帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)方案。

1 三種帶式輸送機(jī)(托輥式、氣墊式、磁式)的比較

1.1 托輥式帶式輸送機(jī)

托輥式帶式輸送機(jī)是比較傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)，經(jīng)過近140年的發(fā)展仍然存在著成本高、運(yùn)行阻力大、耗能大、維護(hù)保養(yǎng)以及維修費(fèi)用高、個(gè)別零部件易損壞、只適合運(yùn)輸一定種類的物料等問題。但是連續(xù)輸送機(jī)也有一些其他設(shè)備不具有的優(yōu)點(diǎn)：①因?yàn)檩斔蜋C(jī)可以沿相同的方向連續(xù)運(yùn)輸貨物，裝卸無需停車，故可實(shí)現(xiàn)高速輸送；②運(yùn)行速度穩(wěn)定；③輸送機(jī)的最大載荷與平均載荷相差不大。帶式輸送機(jī)的種類比較多(比如圓管輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)、振動(dòng)輸送機(jī)等)，通用帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1.2 氣墊式帶式輸送機(jī)

氣墊式帶式輸送機(jī)是一種主要利用空氣膜支撐輸送帶和物料的輸送機(jī)，不同于傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)，它利用具有一定壓力的氣流來平衡輸送帶和物料的重力，是輸送帶與物料一起高速運(yùn)輸，所以輸送帶與托棍間的摩擦由傳統(tǒng)的滾動(dòng)摩擦變?yōu)榱伺c空氣介質(zhì)的流體摩擦，有效地避免了托輥與皮帶間的干摩擦，減小了運(yùn)行阻力，很好地起到了節(jié)能的作用。但由于氣墊式帶式輸送機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中往往會(huì)出現(xiàn)供氣和沿線氣壓損失較大等問題，所以能源的消耗一直都是一個(gè)大問題，另外，氣體的產(chǎn)生也十分困難，對相關(guān)設(shè)備的要求較高。氣墊式帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

1-機(jī)頭架；2-漏斗；3-機(jī)頭清理器；4-驅(qū)動(dòng)滾筒；5-保護(hù)裝置；6-皮帶；7-支撐托輥；8-緩沖托輥；9-導(dǎo)向槽；10-從動(dòng)滾筒；11-張緊裝置；12-機(jī)架；13-清掃器；14-回程托輥；15-中間機(jī)架

1-改向滾筒；2-輸送帶；3-料斗；4-物料；5-盤槽；6-氣箱；7-進(jìn)風(fēng)口；8-風(fēng)機(jī)；9-電機(jī)；10-驅(qū)動(dòng)滾筒；11-料倉；12-下托輥；13-節(jié)流孔

1.3 磁式帶式輸送機(jī)

磁式帶式輸送機(jī)主要利用磁性輸送帶與下部盤槽里的永磁鐵產(chǎn)生的磁場形成相互排斥的力，從而支撐輸送帶和物料。相比于托輥式帶式輸送機(jī)，它的接觸是懸浮式接觸，避免了直接與托輥接觸產(chǎn)生的運(yùn)輸阻力，在運(yùn)行時(shí)只受到空氣摩擦阻力，從而提高了輸送機(jī)整體的運(yùn)行速度，還可以避免不必要的機(jī)械能源消耗、減小輸送帶的最大張力。在設(shè)計(jì)磁式帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意做到防磁保護(hù)以及避免磁污染等問題。一般的磁式帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

1-物料；2-磁性輸送帶；3-磁體支撐系統(tǒng)；4-改向滾筒；5-回程托輥；6-驅(qū)動(dòng)滾筒

2 可調(diào)磁力大小磁式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于以上三種輸送機(jī)的比較，本文進(jìn)一步深入研究并設(shè)計(jì)了一種可以改變磁場大小的磁式帶式輸送機(jī)，其截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。在盤槽處安裝矩形通電線圈，輸送帶為磁性輸送帶，這樣可以通過調(diào)節(jié)通電線圈的電流進(jìn)而改變磁場大小，適用于不同重量的物料輸送。與帶式輸送機(jī)相比，去除了上托輥，利用磁懸浮支撐代替托輥接觸支撐；下托輥設(shè)計(jì)數(shù)量比較少，因?yàn)榇颂庉斔蛶Р皇芪锪陷d荷，因此仍保持下托輥的接觸支撐結(jié)構(gòu)不變，與通用帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)一致。還需要注意：滾筒、托輥等部分零部件的材料應(yīng)調(diào)整為防磁性材料，以免引起不必要的磁污染。

圖4 可調(diào)磁式帶式輸送機(jī)的截面結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計(jì)我們只考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)問題，忽略矩形線圈的間隙、漏磁、輸送帶厚度不均勻、灰塵對于托輥的影響等情況，將空氣域視為理想氣體，視永磁體線為線性關(guān)系，且只考慮永磁體與矩形通電線圈之間的磁場作用力一一對應(yīng)且均勻。磁式輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)與圖3所示一樣，具體大小以及尺寸還要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行布置。

3 磁式輸送機(jī)力學(xué)分析

在對磁式帶式輸送機(jī)進(jìn)行磁學(xué)分析前，首先分析輸送帶所受的力。力學(xué)的簡化可以說是進(jìn)行磁式輸送機(jī)力學(xué)分析最基礎(chǔ)的任務(wù)。由于實(shí)際力學(xué)分析較為復(fù)雜，且邊界條件、永磁鐵的布置以及受力、風(fēng)速等其他需要考慮的因素很多，所以本文只考慮邊界條件，不再考慮其他因素。磁體支撐系統(tǒng)截面圖以及受力分析如圖5所示。圖5中，G為磁性輸送帶與物料的總重力，F(xiàn)1為n1匝通電線圈提供的磁場力，F(xiàn)2為n2匝通電線圈提供的磁場力，F(xiàn)3為n3匝通電線圈提供的磁場力。磁式輸送機(jī)的縱向力學(xué)分析模型如圖6所示。

通過分析可以獲取相應(yīng)的邊界條件。假設(shè)在輸送線路上均處于理想狀態(tài)下，則得到下列公式：

G=F2+F1sinα+F3sinα.

(1)

F1≈F3.

(2)

設(shè)n1匝、n2匝、n3匝為一套產(chǎn)生磁場設(shè)備，共布置n套該設(shè)備，且忽略每套設(shè)備間隙的誤差，則每套磁設(shè)備所需產(chǎn)生的勵(lì)磁力為:

(3)

F′=G.

(4)

輸送機(jī)勵(lì)磁力邊界條件為：

(5)

其中：m1為單位長度磁性輸送帶的質(zhì)量，kg/m；m2為單位長度物料的質(zhì)量，kg/m；a0為輸送帶承載分支托輥的長度，m；g為重力加速度。

通過查閱大量的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)托輥輸送機(jī)的各個(gè)輥?zhàn)由系妮d荷分布滿足圖7所示情況。

圖5 磁體支撐系統(tǒng)截面圖以及受力分析

圖6 磁式輸送機(jī)的縱向力學(xué)分析模型

圖7 槽型各托輥受力情況

所以線圈的圈數(shù)可以近似根據(jù)圖7托輥受力的大小進(jìn)行合理設(shè)置。

4 磁場變化的原理

設(shè)n匝矩形線圈通過的電流為I，矩形線圈長寬分別為a、b，由畢奧薩伐爾定律得軸線上離矩形中心x處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(6)

其中：μ0為真空中的磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7Wb/(A·m)。

在x處的電磁鐵磁力大小為：

(7)

其中：Φ為工作氣隙磁通,Wb；S為線圈截面積，m2。

由式(6)和式(7)可知，當(dāng)n匝線圈確定后，線圈截面積S、矩形線圈長寬a和b也恒定不變，所以永磁體輸送帶在線圈x處的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨通電線圈電流I大小的改變而改變。進(jìn)而此處的磁力大小也與通電線圈的電流有關(guān)，通過增大或減小電流可以改變磁場強(qiáng)度，進(jìn)而改變磁力的大小。

5 結(jié)論

本文提出了一種磁式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)，可以通過調(diào)節(jié)電流的大小進(jìn)而改變磁力的大小，從而承載不同的物料，適應(yīng)于輸送單位物料質(zhì)量不均的場合。在有一定坡度的場合輸送物料時(shí)，需要增大摩擦力以防止物料的滑落，而在近似水平(坡度很小)的場合輸送物料時(shí)，可調(diào)整磁式輸送機(jī)在高速度、低摩擦下運(yùn)行，以提高輸送效率。

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