摘 要

目前，在港口进行散货作业效率较高设备为斗轮堆取料机，但是空间布置、投资成本只适用于大型港口。针对中小港口散货作业方式：自卸车和推耙机或挖掘机组合，间歇性作业方式不仅限制了作业的效率，而且很大的增加耗能和人力资源。针对这一情况，本课题提出了一种适合中小型港口新型的堆高设备——流动式散货堆高机，并对所提出的新型设备中带式输送机系统进行了科学设计。论文主要的内容包括：

1）流动式散货堆高机设备的工作原理分析与整体尺寸设计。在详细分析设备工作原理的基础上，对设备的整体尺寸进行了详细的设计计算，并分析了设备在中小型港口的适用性。

2）带式输送机系统设计计算。在确定带式输送机系统为伸缩结构形式的基础上，对皮带的布置，皮带的张力和驱动功率进行详细的计算，并对系统中关键零部件进行了选型计算。

3）带式输送机系统三维建模与EDEM仿真。运用SolidWorks对皮带机系统各部件选型并进行了建模，模拟了皮带在运输过程中的形状变化，并运用EDEM对皮带系统模型进行三维仿真，验证了设备的工作效率。

本课题提出的流动式散货堆高机设备，是针对现有中小型港口堆高作业现状的一次革新，设备的实用性和经济性更加符合现在港口发展的方向。

关键词：堆高设备；伸缩皮带机；SolidWorks；EDEM

Abstract

At present, the more efficient equipment for bulk cargo operations at the port is the bucket wheel stacker, but the space layout and investment costs are only applicable to large ports, and the combination of dump trucks and pushers or excavators for bulk cargo operations at medium and small ports. Intermittent work methods not only limit the efficiency of operations, but also greatly increase energy consumption and human resources. In view of this situation, this project proposes a new type of high-rise equipment for mobile small-sized and medium-sized ports, the mobile bulk cargo stacker, and scientifically designs the belt conveyor system in the proposed new equipment. The main contents of the thesis include:

1) Working principle analysis and overall dimension design of mobile bulk cargo stacker equipment. Based on the detailed analysis of the working principle of the equipment, the detailed design and calculation of the overall size of the equipment was carried out, and the applicability of the equipment in small and medium-sized ports was analyzed.

2) Design calculation of the leather design system. Based on the determination of the belt conveyor system as a telescopic structure, the belt layout, belt tension and driving power were calculated in detail, and the key components in the system were selected and calculated.

3) Modeling and Simulation of Belt Conveyor Systems. SolidWorks was used to model the various components of the belt conveyor system and modeled it. The shape change of the belt in the transport process was simulated. The three-dimensional simulation of the belt system model was performed using EDEM to verify the working efficiency of the equipment.

The mobile bulk cargo handler equipment proposed in this topic is an innovation aiming at the current status of the current high and medium-sized port operations. The usability and economy of the equipment are more in line with the current requirements for port development.

Key Words：eight equipment； telescopic belt conveyor； SolidWorks； EDEM

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.2.1 散料流动式堆高机研究 1

1.2.2 带式输送机皮带系统研究 1

1.2.3 散料物料运输研究 2

1.3 设计的基本内容 3

第2章 整机总体设计 4

2.1 设备的工作原理 4

2.2 主要参数 4

2.3 整体尺寸设计 5

2.3.1 链斗箱外型尺寸 5

2.3.2 皮带机系统 6

2.3.3 移动车体 8

2.4 整体稳定性验算 9

2.4.1 正常行驶状态的稳定性 9

2.4.2 工作时候稳定性 10

2.5 本章小结 10

第3章 带式输送机系统设计 12

3.1 原始数据及工作条件 12

3.2 带式输送机整体设计 12

3.3 输送带输送能力和宽度 13

3.3.1 输送带最大的物料横截面积 13

3.3.2 输送能力 13

3.4 圆周驱动力计算 14

3.4.1 主要阻力 14

3.4.2 主要特种阻力 15

3.4.3 附加特种阻力 15

3.4.4 倾斜阻力 16

3.4.5 圆周驱动计算公式 16

3.5 输送带张力计算 16

3.5.1 输送带不打滑条件 16

3.5.2 输送带下垂度校核 17

3.5.3 特性张力计算 17

3.5.4 滚筒合力 19

3.5.5 传动滚筒轴功率 19

3.6 逆止力计算 20

3.7 电动机功率 20

3.8 输送带选择计算 21

3.8.1 织物芯输送带层数 21

3.8.2 输送带的厚度和单位质量 21

3.9 托辊载荷计算 22

3.10 部件选型 22

3.12 托辊布置 24

3.13 本章小结 25

第4章 带式输送机三维建模及EDEM仿真 26

4.1 主要零部件建模 26

4.1.1 拖辊建模 26

4.1.2 滚筒建模 27

4.1.3 臂架建模 28

4.1.4 前部皮带装配体模型 28

4.1.5 整体装配模型 28

4.1.6 皮带建模 29

4.1.7带式输送机系统装配模型 30

4.2 带式输送机物料输送EDEM仿真 31

4.2.1 EDEM软件介绍 31

4.2.2 带式输送机物料输送EDEM仿真建立 31

4.2 仿真结果及分析 34

4.4 本章小结 36

第5章 全文总结与展望 37

5.1 全文的总结 37

5.2 全文的展望 37

5.3 课题的经济学与环保性分析 38

5.3.1 经济性分析 38

5.3.2 环保性分析 38

参考文献 39

第1章 绪论

1.1 课题研究目的及意义

港口对于散货堆高处理，有各种不同的方式与设备。常见的有斗轮堆取料机，其体积庞大，而且要专门的运输轨道，占地面积大，造价昂贵，仅适用于大型港口散货堆场。在中小型散货港口，现有的堆装技术有：自卸车卸料和推耙机堆料配合作业，这种间歇式的堆料方式不仅效率低，还会提高自卸车的额外耗能，燃油排放造成环境污染。自卸车和推耙机需要在物料堆斜坡作业，可能倾翻和滑落；采用传统带式输送机进行堆高作业，可以实现连续化作业，但需要配备卸料平台和接料漏斗，设备体积大、转场困难，自卸车卸料需要辅助。同时皮带机的工作倾角较小，若堆高十几米，皮带机输送段将达三十多米，占用场地面积大，灵活性差；在仓内堆高作业时，自卸车卸料，然后用挖掘机进行堆高，这种方式工作效率低，能耗高，堆高高度低，场地利用率较低，同时也存在安全隐患——挖掘机会从物料堆上滑落。

综上所述，对于港口散料堆高作业的现状为: 效率低、能耗高、机动性差、堆场空间利用率低、存在安全隐患，燃油污染。中小型港口散料堆高作业的现状存在很大的改善空间，本课题提出了一种适用于中小型港口流动式散货堆高机设备，在传统的作业方式基础上进行改进，最终将达到作业效率高、耗能比低，污染小的目的。

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 散料流动式堆高机研究

目前对于散料流动式堆高机皮带机的研究已经有一定成果。同济大学孙远韬等^[1]研究了轮胎式流动散货堆高机系统包括臂架系统、带式输送机系统、行走驱动系统，卡车上坡平台。该设备可以在堆场上自由移动，增强了作业时的灵活性，其臂架系统的俯仰、回转增加了作业的面积，具有较高的实用性。武汉理工大学袁建明等^[2]在针对上述研究的基础上进行了更优化的改进，其作业面积有大幅度提高，同时增加链斗提升系统，避免了布置卡车上坡平台。这样增加了整体移动的灵活性能，同时自卸车减少了由于上坡时的能耗。

1.2.2 带式输送机皮带系统研究

对于带式输送机系统的研究，目前已经有着非常完善的体系和成熟的技术，在此基础上有很多创新和优化。在国内，中国港湾工程有限责任公司机电装备分公司孟祥辉等^[3]，河南中烟工业有限责任公司牛宏伟^[4]研究皮带机的驱动布置情况和皮带位置布置，这样有效的避免出现打滑现象，使得整机的效率得到提高，减少了能源的消耗，达到一个更高的性价比。上海振华重工集团股份有限公司夏建人^[5]研究了皮带机跑偏对于整机的不良影响，同时给出了相应的解决措施，包括对于皮带布置的优化，各滚筒之间位置的调整、着料点的位置的调整，这样预防了皮带机皮带的跑偏，提高了整机的安全。东华工程科技股份有限公司张维^[6]，河钢集团邯钢公司柴丹等^[7]针对皮带机的特点主要介绍皮带机的电气控制原理和系统优化，利用PCL来控制皮带的运行，包括一级跑偏报警、二级跑偏停车，做到了对于故障随时进行监控。同煤集团电业公司李录涛^[8]通过分析带式输送机保护装置系统，探讨了皮带机保护控制系统中核心元件的选型和设计，利用CPLD和单片机结合，实现对皮带机监控功能、手动控制功能、温度控制功能，为未来皮带机保护和控制提供了一个设想。国外，纽卡斯尔大学工克雷格A.惠勒等^[9]研究带式输送机系统中惰辊的主要功能，预测惰辊的累积阻力在计算皮带张力以及系统的功率需求方面非常重要，并提供了计算旋转阻力每个分量的理论方法，并描述了一种设计用于在模拟操作条件下测量此阻力的设备。普渡大学Tamer M. Wasfy^[10]研究得出皮带传动高精度动态仿真的一个必要条件是准确预测皮带应力、皮带轮角速度、皮带打滑和皮带传动能量效率，并介绍的皮带传动建模方法准确预测皮带应力和滑动，从而更准确地预测皮带的疲劳寿命和磨损寿命。大阪产业大学Masanori等^[11]实验研究了在没有传递载荷的情况下，同步带传动装置中传递误差对安装张力的影响，发现传动误差可以通过将惰轮轻轻地推到正在经历最大位移的皮带跨度的中心而减小。

1.2.3 散料物料运输研究

对于散料运输的研究，也是一个很重要的课题。武汉理工大学资源与环境工程学院叶海旺等^[12]分析了带式输送机运输能力决定性的因素，并使用离散单元数值模拟方法，建立了散体物料加载在皮带上，并使其达到力学平衡的模型。通过对不同粒径的散体物料的数值模拟，从而分析了散料平均粒径和粒径范围对带式输送机运输能力的影响。得出在一定范围内，散体颗粒平均粒径越大、最大粒径和最小粒径的比值越大，其在带式输送机上的堆积断面的面积越大，带式输送机也因此具有较大的运输能力。延边大学朴香兰等^[13]研究和分析了当前比较流行的DEM仿真软件，介绍了软件的主要功能及 DEM在带式输送机转运站中的研究现状，最后将DEM软件与CFD、ROCKYR软件进行对比分析，得出了DEM软件在散料仿真中应用的必要性的结论。东北大学机械工程与自动化学宋伟刚等^[14]对于散状物料转载计算方法，给出了采用DEM方法建模的基本步骤与模型的检验方法，利用EDEM软件实现了散料在运输过程的可视化，比较分析了直线型溜槽折线型溜槽和曲线型溜槽中物料转载效果，并给出了相应的仿真数据。福建龙净环保股份有限公司夏博实等^[15]介绍了目前常用的离散元法的几种力学模型和利用EDEM仿真技术对散料流运动机理研究的进展，包括物料的流动形式．表面速度和接触力的分布情况。目前，EMEM技术已经成为研究散料输送的主要软件，使得对物料散料运输研究更加方便。

1.3 设计的基本内容

本文设计基本内容主要包括：

1）自卸车、承载车、臂架，链斗箱的尺寸设计及各部分布置关系设计。要求既能满足作业要求，也能满足稳定性要求，同时尽可能有较好的通过性和灵活性。

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