大型帶式輸送機(jī)由于具有線路長(zhǎng)，運(yùn)輸量大的特點(diǎn)，要求對(duì)輸送機(jī)的阻力系數(shù)、拉緊行程的長(zhǎng)度、輸送帶的安全系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行細(xì)致的研究，以較精確地進(jìn)行設(shè)計(jì)；輸送機(jī)上采用的普通帶式輸送機(jī)上所沒(méi)有的多機(jī)驅(qū)動(dòng)，鋼繩芯輸送帶也帶來(lái)多機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步、功率分配和鋼繩芯輸送帶在輸送機(jī)中的動(dòng)力作用等問(wèn)題。同時(shí)還涉及驅(qū)動(dòng)技術(shù)、動(dòng)態(tài)分析方法、接頭設(shè)計(jì)、制動(dòng)與停機(jī)、轉(zhuǎn)載與受料、監(jiān)控與保護(hù)、關(guān)鍵零部件等問(wèn)題。
    （一）驅(qū)動(dòng)技術(shù)
    在最初的大型帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了提供必要的啟動(dòng)力矩采用的方法是用過(guò)大的電動(dòng)機(jī)，不幸的是這種強(qiáng)力的輸出高力矩非常快，使輸送帶受到很大的動(dòng)載荷，目前采用較多的是使用液力耦合器，在電機(jī)和驅(qū)動(dòng)滾筒之間允許有打滑從而得到一個(gè)軟啟動(dòng)。
    輸送機(jī)的啟、制動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的動(dòng)載荷將直接影響到輸送帶的選擇、拉緊裝置的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)能力等問(wèn)題。它是帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)上可行和經(jīng)濟(jì)上合理的核心問(wèn)題。輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究是保證輸送機(jī)在啟、制動(dòng)過(guò)程中尋求降低輸送帶和其他零部件的動(dòng)載荷的重要途徑，通過(guò)動(dòng)態(tài)分析還可提供滿足正常工作所需的參數(shù)。我國(guó)1992年安裝在某煤礦的長(zhǎng)距離輸送機(jī)系統(tǒng)，由于采用的是傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致使用初期拉緊重錘行程不夠。
    （二）非穩(wěn)態(tài)過(guò)程的瞬態(tài)分析
    現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品的研究和開發(fā)過(guò)程中，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，以及與此相關(guān)的動(dòng)態(tài)可靠性問(wèn)題、安全性問(wèn)題、疲勞強(qiáng)度和工作壽命等問(wèn)題，進(jìn)行分析和計(jì)算，以保證所研究和開發(fā)的設(shè)備具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和工作性能。
    大型帶式輸送機(jī)涉及啟動(dòng)、停機(jī)、橫向振動(dòng)、輸送帶跑偏等一系列動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法是以靜力學(xué)為基礎(chǔ)的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，而將以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法稱為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法。
    帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是通過(guò)采用，將輸送帶按彈性或黏彈性性質(zhì)來(lái)研究輸送機(jī)的啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中輸送帶和輸送機(jī)主要部件的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)行為，并對(duì)初步設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)方法。有多種方法可以解決在輸送帶中彈性應(yīng)力傳播的問(wèn)題，有許多可以利用的處理方法，包括波動(dòng)模型、質(zhì)量一彈簧模型、邊界元素模型和有限元／微分方法。每一種方法都有其數(shù)學(xué)根據(jù)。例如，波動(dòng)模型就有必要考慮全部的應(yīng)力波的傅立葉成分，而質(zhì)量一彈簧模型的解決方案取決于產(chǎn)生應(yīng)力各個(gè)模態(tài)的幅值，對(duì)于有限元模型，當(dāng)運(yùn)用大量的運(yùn)算來(lái)模擬應(yīng)力的時(shí)候若元素邊界錯(cuò)誤就可能出現(xiàn)問(wèn)題，并且元素的模數(shù)會(huì)變成臨界的模數(shù)因而，任何人都可以期望不同的方法將由不同的研究人員來(lái)完成。應(yīng)用波動(dòng)模型需要較多的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而質(zhì)量一彈簧模型更易于用速度快、內(nèi)存大的計(jì)算機(jī)來(lái)處理。
    在1980-2000年，出現(xiàn)了有關(guān)這個(gè)主題的值得考慮的新研究。1973年，漢諾威大學(xué)的Funke所發(fā)表的博士論文研究了礦山輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性。1984年在紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)又有一篇有關(guān)該課題的博士論文( Harrrison)，該論文對(duì)輸送帶的振動(dòng)理論和彈性波理論都進(jìn)行了研究，并應(yīng)用于運(yùn)行、啟動(dòng)和停車問(wèn)題。近期，1985年，德國(guó)的Schulz，1996年，荷蘭代夫特大學(xué)的Lodewijks分別完成了關(guān)于輸送帶動(dòng)力學(xué)的博士論文。
    在國(guó)內(nèi)，有關(guān)帶式輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)分析的問(wèn)題也得到廣泛的重視，作者完成了博士論文“大型帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究”( 1996)，之后完成了動(dòng)力學(xué)分析軟件的開發(fā)，并于2001年對(duì)該軟件進(jìn)行了進(jìn)一步的開發(fā)，建立了完整的動(dòng)力學(xué)模型和穩(wěn)定的數(shù)值分析方法。該軟件已經(jīng)在十余項(xiàng)大型帶式輸送機(jī)實(shí)際工程項(xiàng)目中應(yīng)用。
    動(dòng)力學(xué)分析能估算包括在啟動(dòng)或停車過(guò)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)、滾筒和輸送帶載荷的力的值。對(duì)于長(zhǎng)距離大張力的輸送機(jī)，該方法是可靠性設(shè)計(jì)的重要部分，這已被工業(yè)界廣泛地采用。通過(guò)動(dòng)力學(xué)研究已經(jīng)開發(fā)出許多的計(jì)算機(jī)程序。
    (1)波動(dòng)方程求解：在1982年期間，Hamson第一次闡述了輸送機(jī)帶的波動(dòng)方程求解。這要求找到輸送帶的承載分支和回程分支承受不同載荷時(shí)波動(dòng)方程的特征函數(shù)，并將靜態(tài)解（穩(wěn)定運(yùn)行張力）和動(dòng)態(tài)解疊加。模型依賴于最初的研究，允許輸送帶應(yīng)力波速的精確預(yù)測(cè)。波動(dòng)模型不能很好地處理運(yùn)動(dòng)的邊界（拉緊），運(yùn)用波動(dòng)模型需要特殊的條件。不過(guò)，波動(dòng)模型作為支持設(shè)計(jì)的工具已經(jīng)被應(yīng)用了許多年。
    (2)質(zhì)量一彈簧解：輸送帶質(zhì)量間通過(guò)粘彈性聯(lián)系的模型由Nordell等在1984年首先提出。如同其他的模型，在其邊界單元需要相應(yīng)的應(yīng)力和張緊力，這種模型可能出現(xiàn)計(jì)算不穩(wěn)定、產(chǎn)生錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)。Momson的WBM討論了這種不穩(wěn)定情況。彈簧一質(zhì)量模型在處理拉緊裝置方面優(yōu)于波動(dòng)模型。世界上很多大公司都在應(yīng)用這種方法或者開發(fā)出計(jì)算機(jī)程序。
    Harrsion結(jié)合動(dòng)態(tài)分析方法給出了高速帶式輸送機(jī)的技術(shù)需求條件。NordeLl采用動(dòng)態(tài)分析方法對(duì)恰那鐵礦長(zhǎng)距離運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了分析，其輸送帶的設(shè)計(jì)安全系數(shù)由9降到5，降低了輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備投資，提高了輸送機(jī)系統(tǒng)的PID控制回路的控制精度，使輸送帶的峰值張力比設(shè)計(jì)又降低約15 010。
    （三）輸送帶接頭設(shè)計(jì)和制作技術(shù)
    這方面的研究是從3個(gè)方面對(duì)接頭進(jìn)行研究，特別是對(duì)高強(qiáng)度（鋼絲繩芯）輸送帶。當(dāng)代的研究重要的是對(duì)大型接頭設(shè)計(jì)的理解、破環(huán)試驗(yàn)裝置和優(yōu)化接頭強(qiáng)度。包括：
    (1)接頭破壞試驗(yàn)裝置：Hamson 1981-1989
    (2)幾何和機(jī)械設(shè)計(jì)：Von Der Wroge (Dr. Ing.  1991)
    (3)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)測(cè)試和研究：Flebbe，Hager，Nordell
    最早開始接頭動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度的研究的是漢諾威大學(xué)，它的一部分內(nèi)容是確定接頭壽命和尋求降低輸送帶強(qiáng)度的方法。他們建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于研究和測(cè)試接頭疲勞強(qiáng)度和尋求提高接頭強(qiáng)度的方法。
    目前只有有限的實(shí)例用理論進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)，但工業(yè)界有提高接頭強(qiáng)度的要求。還有，黏結(jié)和等強(qiáng)度問(wèn)題也進(jìn)行了廣泛的研究。Nordell用有限元分析(FEA)研究在各種不同的鋼絲繩接頭設(shè)計(jì)的應(yīng)力分布情況。
    （四）輸送帶的粘彈性與運(yùn)行阻力
    輸送帶的張力受許多因素控制，如提升高度，長(zhǎng)度，帶的剛度，壓陷，輸送帶經(jīng)過(guò)托輥的撓度，以及附加阻力。關(guān)于這方面，在20世紀(jì)80年代以前已有許多文獻(xiàn)，如DIN22101和CEMA，還有輸送帶廠商的內(nèi)部計(jì)算手冊(cè)。這些文獻(xiàn)很大程度上利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定輸送帶的工作點(diǎn)，如托輥級(jí)別，彎曲效果，傾斜效果以及局部的或整體的摩擦力。
    Konneker對(duì)34臺(tái)輸送機(jī)的主要阻力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出了不同工作場(chǎng)合下的阻力系數(shù)的取值范圍。Oszter等對(duì)輸送機(jī)主要阻力中的三部分因素進(jìn)行了研究，給出了壓陷阻力系數(shù)、輸送帶反復(fù)彎曲阻力系數(shù)和物料經(jīng)過(guò)托輥的碰撞阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式。Spaans和Nordell分別用粘彈性理論對(duì)膠帶的壓陷阻力進(jìn)行了研究。
    在1980-2000年，進(jìn)行了預(yù)測(cè)長(zhǎng)距離和轉(zhuǎn)彎輸送機(jī)摩擦力的新研究。紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)（Hamson等）研究了物料和輸送帶彎曲的影響，并且發(fā)表了許多這些研究成果。在這個(gè)時(shí)期，Zur，Alles，Hager，Betz，Spaans，Jonkers，Nordell，Lodewijks以及許多其他人寫的文章主要體現(xiàn)了對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)，即對(duì)橡膠在托輥上的壓陷阻力受黏彈性影響的科學(xué)貢獻(xiàn)。
    Spaans，HaITison，Zur，Nordell，Hager每一個(gè)人都說(shuō)明研究主要是對(duì)彎曲和有關(guān)滾動(dòng)壓陷損耗的橡膠特點(diǎn)影響的理解。在漢諾威大學(xué)，Hintz作的博士論文(1993)考慮到了與壓陷損耗有關(guān)的復(fù)雜情況。大多數(shù)的該項(xiàng)研究能夠使得模型系統(tǒng)在設(shè)計(jì)早期仔細(xì)檢驗(yàn)，因而使企業(yè)更有信心。因此，已經(jīng)看到了長(zhǎng)距離輸送機(jī)，有些帶有水平或垂直轉(zhuǎn)彎的長(zhǎng)距離輸送機(jī)以及長(zhǎng)距離、大運(yùn)量下輸送機(jī)的出現(xiàn)。
    作為研究成果應(yīng)用的例子，有許多著名的系統(tǒng)就是應(yīng)用了上面論述的研究成果。如一條由Man Takraf公司所設(shè)計(jì)的16km長(zhǎng)、高強(qiáng)度鋼繩芯帶輸送機(jī)，在美國(guó)科羅拉多州的Henderson礦使用。該輸送機(jī)比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的輸送機(jī)具有比較低的滾動(dòng)阻力損耗。產(chǎn)生此結(jié)果的兩個(gè)因素：一個(gè)是很低的托輥?zhàn)枇�損耗和復(fù)合橡膠帶（由Clouth制造）具有低的壓陷阻力損耗。另一個(gè)是（Channer，澳大利亞），Nordell和Beckley對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了咨詢，其全部的DIN阻力系數(shù)在0.0098~0.011。這些低阻力的輸送機(jī)要求較低的電機(jī)功率，因而需要較低的輸送帶強(qiáng)度，反之，對(duì)于一條給定的輸送帶，它能使用更長(zhǎng)的時(shí)間。美國(guó)輸送機(jī)制造商協(xié)會(huì)( CEMA)所編輯的“散狀物料帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)”（第6版）首次發(fā)表了CEMA帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的通用方法，在對(duì)CEMA的傳統(tǒng)計(jì)算方法改進(jìn)的同時(shí)，引入了輸送帶的黏彈性性質(zhì)計(jì)算輸送機(jī)運(yùn)行阻力。該方法的輸送機(jī)功率計(jì)算精度可達(dá)1100% +100/o。
    （五）輸送帶監(jiān)控研究
    1980年由Hamson在CRIRO的應(yīng)用物理部最先發(fā)明了一種新的測(cè)試方法并獲得專利，該方法可以在非接觸狀態(tài)下對(duì)鋼絲繩芯輸送帶進(jìn)行檢測(cè)，監(jiān)測(cè)斷繩和鋼絲繩接頭，預(yù)報(bào)可能發(fā)生的損壞。
    第一次對(duì)鋼絲繩芯輸送帶實(shí)現(xiàn)非破壞測(cè)試( Non - Destructive Test，NDT)是在澳大利亞(1979)。從1982-1987年這種方法被用于德國(guó)、南非、加拿大、美國(guó)和一些其他地區(qū)的采礦工業(yè)。這種技術(shù)也廣泛用于其他的工業(yè)領(lǐng)域以提高可靠性。根據(jù)這一研究，應(yīng)用信號(hào)分析理論進(jìn)一步發(fā)展了標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試和檢驗(yàn)方法，實(shí)際上已經(jīng)用于鋼絲繩制造的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。其美國(guó)專利為4439731和4864233。
    應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，對(duì)有危險(xiǎn)的和高張力鋼絲繩芯輸送帶的監(jiān)測(cè)成為可能。鋼絲繩處于輸送帶內(nèi)就可以對(duì)輸送帶的安全性能進(jìn)行檢驗(yàn)。通過(guò)磁場(chǎng)狀況和接頭條件覆蓋層磨損情況可以檢測(cè)出各種制造缺陷，例如：鋼絲繩的布置間距。最近，正在進(jìn)行采用FRID進(jìn)行帶式輸送機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控的研究。
    進(jìn)一步開發(fā)完善對(duì)輸送帶的在線檢測(cè)裝置，檢測(cè)鋼繩芯帶斷繩和接頭，預(yù)報(bào)可能發(fā)生的損壞，并深入研究輸送帶防縱向撕裂的措施。立足于投資少而又能解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題。提高帶式輸送機(jī)輸送帶接頭強(qiáng)度，也是帶式輸送機(jī)的重要研究課題。
    （六）給料和轉(zhuǎn)載技術(shù)
    帶式輸送機(jī)輔助裝置的研究應(yīng)該引起重視，實(shí)踐中由于存?zhèn)}、料斗的形狀尺寸等設(shè)計(jì)的不盡合理，材質(zhì)的選用不當(dāng)（特別是襯板）會(huì)產(chǎn)生堵塞，起拱，加料不均和偏載等現(xiàn)象，從而影響了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。有關(guān)這方面的研究，法國(guó)，英國(guó)和澳大利亞等國(guó)家，無(wú)論在理論研究，還是實(shí)驗(yàn)研究都處于領(lǐng)先水平。目前已經(jīng)開展應(yīng)用離散單元的多體動(dòng)力學(xué)方法研究散料的轉(zhuǎn)載過(guò)程，設(shè)計(jì)出專用的轉(zhuǎn)載單元，減小物料對(duì)輸送帶的磨損與沖擊，如圖1所示。
    （七）關(guān)鍵零部件
    滾筒強(qiáng)度的分析與設(shè)計(jì)和壽命分析是輸送機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。很多研究者都是在滾筒供應(yīng)商中。盡管有限元這一工具得到廣泛采用，但是仍然可以認(rèn)為現(xiàn)代大型高強(qiáng)度滾筒需要采用這一手段。King的一篇論文討論了滾筒設(shè)計(jì)問(wèn)題，它對(duì)研究者具有很好的參考價(jià)值，并且回顧了滾筒強(qiáng)度理論。CEMA已經(jīng)改進(jìn)了滾筒強(qiáng)度的計(jì)算式。
    托輥是輸送機(jī)的主要部件之～，其重量約占整機(jī)的1/3，價(jià)格占1/5 N1/3。托輥的使用壽命主要取決于軸承和密封的性能，如果托輥具有良好的密封性能（如采用組合密封），托輥使用壽命實(shí)際上就是軸承的使用壽命。軸承不僅對(duì)托輥使用壽命有重大影響，而且對(duì)托輥旋轉(zhuǎn)阻力也有一定的影響。減摩軸承的采用和密封形式的改進(jìn)降低了托輥的運(yùn)行阻力。