摘要：皮带机系统是多种散状物料装卸作业（包括采矿、煤炭和矿石加工、骨料和水泥制造）的生命线！人们将现代皮带机系统用于比以前速度更快、体量更大货物的装卸任务，然而与用户对于在尽量减少掉落物料的前提下更安全可靠地输送散料的需求相比，皮带机的设计中的规范惯例已经过时。那么在皮带机设计中会遇到哪些常见的问题，我们又如何前瞻性的规避呢 -- 马丁工程为您讲述皮带机规范和设计中的常见错误以及问题解决的建议。
关键词：皮带机系统，皮带机设计，转运点解决方案，清扫器
图1：皮带机是几乎与所有主要工艺之间存在相互作用的复杂系统
皮带输送机无论是由于超载、过度使用或疏忽（或者三者结合）而导致的滥用，似乎就好像设计师和制造商们提供的皮带机系统非常强大，足以在任何恶劣条件下持续运行。因此，人们认为皮带机是一种可以按公斤购买的商品，而不是一种由数百种不同部件协同工作的精心设计系统。许多企业主只把皮带机视为一种按照规定速度将散状固体从A点输送至B点的简单设备，而实际上，皮带机是几乎与所有主要工艺之间都存在相互作用的复杂系统。在制订设计规范阶段走捷径，可能会对安全性、生产力和环境产生惊人且深远的影响。许多决定都会对皮带机系统的初始性能和未来性能产生影响。主流趋势是皮带机设计包括具有更低的风险、更强的可持续性、更低的生命周期成本的系统。不幸的是，以最低价格而不是生命周期成本采购已经成为常态。人们往往会将必要设计元素所需资金从资本消耗中转移到运行预算中（这是因为无法保持低标设计的性价比，因而需要对其进行修改以适应变化的需求和条件，或者因为解决原始设备缺陷所需的资金从未到位），但这种做法具有严重缺陷。
上述现象导致了大量高成本的问题如：低效率运行、事故、污染，以及可能萦绕皮带机生命周期的诉讼。为了避免设施所有者和工厂管理者掉入“根据采购价决定购买与否”的陷阱中，专家们编制了一张汇总了十个最有可能导致皮带机安全性、洁净度和生产力随着时间下降的常见设计的选择清单。
一、不清楚要输送的散状物料是什么
数十年来，只用体积密度和静止角来描述散状固体已经成为惯例。皮带机设备制造商协会（CEMA）收到过无数关于只能在一张表格里查阅的散状物料性质的请求，就好像教科书中包含每种物料变化一样。但这种方法可能导致明显问题。
一个简单的危险例子可以通过考虑一个非常基本的要求来发现：吨位。皮带机的主要用途是按照x t/h的速度将物料从一个地点输送到另一个地点。若这一目标无法得到有效实现，则所有其他要求都是次要的。但“CEMA标准550：散状固体性质”中含有八种不同的煤炭体积密度列表，密度范围为600~980 kg/m3。这代表着一个很大的潜在平均体积密度变化量：-790± 190 kg/m3。因此，设计一个可以满足平均值要求的系统意味着吞吐量应高于/低于设计量± 25%。此外，这八种煤炭列表的静止角范围为27-45°，相较于平均值的可能变化值为± 9°。根据平均值设计料斗或溜槽坡度可能意味着散状物料根本不会流动，或散状物料自由流动，无法通过溜槽几何结构加以充分控制。
用于确定特定散状固体性质的一组典型试验成本约为30000美元，然而系统停机的估计成本约为1000美元/分钟。在一个皮带机系统的整个生命周期内，若通过测试能够避免一次溜槽堵塞事故，则这个测试就是有价值的。
图2：测试员在检查三体磨损，如皮带机皮带、溜槽衬板和散状物料之间的磨损
对于降低未来运行成本至关重要的许多其他情况，也可以开展讨论。例如，在投标申请书中往往不会如实叙述粒度和细粒物料百分比，这可能导致在合同履行过程中出现持续争议。
建议：在完整预期水分和固结压力条件下输送实际散状固体样本，并利用相关信息来设计皮带机系统。
二、在过渡段装料
一种符合价格目标的常用“技巧”是通过在皮带机从水平段到凹槽段之间的过渡段上装载物料的方式来缩短皮带机总长度。另一种通过缩短皮带机总长度来满足价格目标的方法是一种称为半槽过渡的设计技术。综合采用在过渡段和半槽过渡段装料的做法，可能导致皮带磨损、溜槽磨损和溢出量增加。
图3：过渡区指的是水平皮带变成槽型的区域
皮带机装料区和卸料区距离缩短一米或一米以上（皮带长度缩短两米）可使每台皮带机的成本降低15000-20000美元。此外，缩小容纳皮带机建筑尺寸也可节约成本。但这些成本节约措施都是有代价的。许多在过渡段和/或半槽过渡段装料的设计均会立即导致运行问题。主要问题是掉落物料，即：溢出和粉尘问题。在从平尾滚筒到第一个满槽托辊之间的过渡段上，皮带是一个根据皮带张力变化（由于装载量变化造成）的难以建模的复杂3D表面。基本上无法对该表面进行准确建模。因此，需要现场按照皮带线对溜槽进行调节，这会导致成本增加。现场制造成本是工厂制造成本的10倍。
在设计中利用过渡段和/或半槽过渡段装料会导致溜槽一开始在过渡段内与皮带平行，但完全进入凹槽段后，必须形成一条凸曲线才能保证溜槽紧跟皮带。该屈曲会形成细粒物料的夹带点，导致衬板和裙边密封快速磨损，最终在皮带上形成凹槽。在装载最剧烈区域内托辊上方的板和裙边上形成的“半月形”磨损区域会导致大量掉落物料逸散，而这些逸散物料往往必须用手清理干净。清理费用、更加频繁的密封和衬板维护，以及皮带使用寿命缩短会导致设计中节约下来的15000~20000美元很快花光。在规格和设计阶段中的该决定还会导致许多其他设计和维护问题。
建议：采用为皮带和带宽推荐的全槽过渡距离。在经过第一个全槽托辊之后再开始装料。
三、采用最小滚筒直径
皮带机主滚筒的直径通常是按照皮带制造商根据皮带张力为皮带和接头寿命推荐最小直径而选定的。通常而言，人们不承认这些滚筒直径可能太小，以至于其他部件无法正常发挥作用。使用较小的驱动滚筒时，往往需要通过使用张紧轮来增大包角，从而确保产生用于驱动皮带机的足够摩擦力。为了增大包角，张紧轮必须靠近驱动滚筒，这会限制头轮处的可用皮带清洁空间，往往会导致张紧轮处出现严重堆积现象，致使张紧轮成为第一个与皮带脏污侧接触的滚动部件。当使用尺寸较小的主滚筒时，在皮带上下层之间用于安装附件的空间不足，对皮带的保护性能和防打滑性能产生影响。
建议：最佳做法是选择直径不小于600 mm（24英寸）的滚筒，或选择比皮带制造商推荐最小滚筒直径大一号的滚筒直径。
四、缺少靠近通道
皮带机设计中缺少合适靠近通道的例子很多。皮带机通常置于一侧非常靠近墙体的外壳或隧道中，因而没有留出供维护人员沿着皮带机改变行动方向的空间。观察门的位置可能比较奇怪，工作人员获得的视野很小，以至于无法通过观察门开展检查或维护工作。皮带机与地板之间的距离也可能非常近，没有留出用于清洁皮带机底部的空间。此外，头部滚筒周围平台和驱动部件的位置往往不合理，导致工作人员无法靠近部件开展合适的检查或维护工作。
建议：遵循《散状物料皮带输送机》中输送机设备制造商协会关于通道的建议，安装便于检查和维修，位于战略位置的观察门。
图4：位于战略位置的观察门便于检查和维修
五、用管道和导管覆盖关键部件
皮带机支撑结构为工厂的气源和水源的排布提供了便利性。但工厂往往会疏忽这些排布在皮带机结构中的位置。公认事实是，这些排布中的管道和导管往往会对皮带限位开关、皮带清扫器、皮带机卸料刮刀和回程托辊等关键部件的安装和检查造成阻碍。
导管和管道几乎不需要维护或移位，而导管和管道周围的部件往往需要经常检查和维护。雪上加霜的是，这些管道通常位于皮带机带有走道的一侧，而安装该走道是为了为工作人员提供靠近皮带机的通道。
建议：规定导管和管道不得堵塞或阻碍沿皮带机分布关键部件的通道。头部滚筒和尾部滚筒处的所有导管和管道都应配备柔性导管下降装置，以便与部件相连。
图5：将电缆槽布置在通道中，可以高效更换托辊
六、边缘密封距离不足
皮带机落料区内衬板外侧的自由皮带边缘被称为边缘密封距离。皮带机设备制造商协会标准的基础是，衬板内部尺寸之间的距离等于水平带宽的2/3（不考虑加固角）。欧洲标准的基础是自由皮带边缘公式。标准皮带边缘用于计算皮带输送量，从而防止物料从承载托辊之间的皮带边缘掉落。上述现有标准中，没有任何一个的边缘距离足以容纳为满足当今粉尘和溢出控制要求所需的皮带防跑偏和密封系统。应根据正确密封皮带所需的距离来确定自由边缘距离。皮带防跑偏系统所需余量更多地是根据结构和滚筒面宽度确定的，不会随着带宽变化产生明显变化。
建议：无论带宽是多少，用于密封皮带和允许皮带跑偏的自由皮带边缘都不得小于115 mm。
图6：应根据正确密封皮带所需的距离来确定自由边距离
七、溜槽设计不良
近年来由于离散单元法（DEM）建模程序的使用，溜槽设计已经得到改进，但仍有很多溜槽是用草图画出来的，而不是设计出来的。然而，在未正确确定散状固体性质的情况下，使用离散单元法的结果可能会比使用老“经验法则”设计方法获得的结果更糟。即便是提供了关于散状物料的明确规定，设计溜槽和滚筒结构支架的方法主要是为了便于制造和安装，而不是按照预期用途进行设计（这需要合适的通道）。通常而言，带有一条垂直支腿的A框架型头部滚筒支架可保证比桌面框架设计更好的通道。
建议：测试散状固体，并利用离散单元法，采用能够代表最坏情况流量的散状物料性质来设计溜槽。设计结构时应确保不堵塞关键部件的通道，同时为维护和未来升级留出足够通道。
图7：现代落料区设计中包含既关注安全性又关注生产力的元素
八、皮带清洁不充分
人们只能得出这样的结论：随着时间的推移对粉尘和溢料的要求会变得越来越严格，将需要更多更先进的皮带清扫器。通常皮带清扫器的数量都不足，或皮带清扫器的荷载率过低。此外，设计中提供的空间可能不足以开展皮带清扫器的适当安装和维护工作。在面临价格目标压力的情况下，供应商会选择提供他们自己清楚无法满足客户预期的设备。但游戏规则是使规格变得足够模糊（使用“或同等”之类的术语），以至于供应商在压力下做出以下选择：“满足价格目标或提供简单设计，并让消费者解决问题。”
建议：将皮带清洁性能规格纳入皮带机要求中。若头部溜槽设计的空间无法安装3台清扫器，那么要把头部溜槽设计为接近垂直的壁板，来捕获回程带料。
图8：为多级清扫系统留出充足空间和通道对于防止回程带料和控制掉落物料而言至关重要
九、带宽而非速度
通常，皮带机的设计运输速度可高达7.5~11.5 m/s。有些行业确定了最高输送速度，以便限制散状固体物料的破碎率和/或控制粉尘。虽然这些做法有其实际经验的根源，但它们往往难以达到价格目标。粉尘和溢料与皮带速度和吨位直接相关，而磨损是一个关于散状物料流平方的函数。因此，应仔细权衡带宽和速度。
建议：遵循输送机设备制造商协会《散状物料皮带输送机》（第7版）中推荐的最大输送速度。
图9：粉尘和溢料与皮带速度和吨位直接相关
十、无法升级
提出系统升级主体时，正常假设是提高皮带转速。除了驱动部件和少数其他部件以外，唯一需要升级的就是每小时产量（吨）。通过改变转速的方式来进行升级往往会导致吞吐量下降而非上升，这是因为物料轨迹或现有溜槽横截面积变化会造成堵塞问题，导致流量受限。很多设计中甚至没有留出适度升级或添加部件所需的空间。只需在设计阶段付出最小的努力，就可在增加很少或不增加制造或安装成本的情况下，确保系统性能改善升级的灵活性。
建议：使用标准部件来满足价格目标，但在设计中留出解决问题升级所需空间，从而满足生产成本目标。
图10：该皮带机距离隧道壁太近，以至于维护和升级非常困难
结论：
忽视上述问题，并根据价格决定采购与否，往往会导致运行和维护费用高于预算、安全性下降。在规格和设计阶段解决上述问题中的任何一个，都可以很容易地根据生命周期成本避免来证明其合理性。一旦这些问题拖到制造、安装和运行阶段，它们既有可能被纠正，也有可能无法纠正，但大部分情况下，此时解决这些问题所需成本会高于在项目更早时段发现并解决它们时所需成本。关于如何计划节约和更多安装建议请联系马丁工程专家。
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自1944年，以革命性的球型振动器的发明制造起家，一直到今天，马丁工程对培养创新精神和企业文化的承诺是整个组织的定义价值和优先事项。2008年，美国总部投资兴建了全球散料输送行业内大规模的创新中心（CFI），涵盖了散料实验室、金属实验室、聚合物实验室、环境实验室以及模拟实验室。在创新中心，我们不断努力寻求新的解决方案来攻克散料输送行业的挑战。基于尊重知识、持续研发的价值传统，马丁工程技术在全球范围内拥有诸多品牌及知识产权资产，并努力践行商标和专利权使用的合规性，积极为知识产权保护贡献自己的力量。
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