地面帶式輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于大量塊狀材料的運(yùn)輸。相對于使用更普遍的卡車而言，輸送機(jī)對環(huán)境的影響較小。因此，對輸送機(jī)能耗進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計不僅能夠節(jié)約開支，還有利于環(huán)境保護(hù)。實(shí)踐證明，在輸送機(jī)諸多保護(hù)環(huán)境的優(yōu)勢中，較低的碳足跡是其最重要的方面。當(dāng)然，碳排放量會隨著輸送機(jī)所用動力系統(tǒng)的不同而變化。但有一點(diǎn)毋庸置疑，那就是對輸送機(jī)能耗最優(yōu)化設(shè)計，必定能夠降低碳排放量。
一、輸送能力及尺寸設(shè)計
確定輸送機(jī)所需的輸送能力至關(guān)重要。絕大多數(shù)地面帶式輸送機(jī)從初選設(shè)備（比如初碎機(jī)）運(yùn)送材料到加工廠，或從加工廠運(yùn)送到裝卸設(shè)施（如碼頭、裝卸站）。這就要求輸送機(jī)能夠連續(xù)作業(yè)以輸送物料。高峰期輸送能力，一般要求超過平均輸送能力的50%以上。
利用庫存、料堆、或是料斗，物料可以連續(xù)不斷地裝載到輸送機(jī)上。所以，輸送機(jī)應(yīng)按接近平均輸送能力、而不是峰值輸送能力進(jìn)行設(shè)計。這樣不僅可以節(jié)省設(shè)備成本，也能降低能耗。我們知道，大尺寸系統(tǒng)的各種部件也較大，而且電動機(jī)在低于額定功率下工作時，運(yùn)轉(zhuǎn)的效率也要低一些。不過，具體到某個輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計，有必要借助于動態(tài)模擬的手段進(jìn)行優(yōu)化。對于小型向下輸送機(jī)系統(tǒng)，按峰值輸送能力進(jìn)行設(shè)計則有一定道理。但對于長距離大輸送能力的輸送機(jī)系統(tǒng)而言，按峰值輸送能力進(jìn)行設(shè)計的費(fèi)用會比較高。總之，設(shè)計的最終目標(biāo)是要求輸送機(jī)具有瞬間峰值輸送能力，且不發(fā)生溢出現(xiàn)象。然后，依據(jù)輸送機(jī)的實(shí)際載荷分布情況，計算出要求的功率。
絕大多數(shù)設(shè)計方法(比如CEMA、DIN或ISO)都指定了輸送機(jī)在常規(guī)操作下的最大容積負(fù)荷。在設(shè)計輸送機(jī)時，這種容積負(fù)荷考慮了所允許的最小邊距。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)地面帶式輸送機(jī)按較低的容積利用率進(jìn)行設(shè)計。對于裝載大塊物體，或需承受瞬時負(fù)荷沖擊的，容積利用率通常在75%和85%之間。對于像在工廠內(nèi)部使用的短程輸送機(jī)，考慮到系統(tǒng)停運(yùn)時的物料溢出、卸空滿載料斗的能力，以及裝載過程變化等因素，習(xí)慣上按100%的容積利用率進(jìn)行設(shè)計。短程輸送機(jī)的合理設(shè)計再一次在費(fèi)用問題上對大型地面帶式輸送機(jī)的設(shè)計給出了提示，即：為短程輸送機(jī)增加一點(diǎn)設(shè)備功率與為大型輸送機(jī)系統(tǒng)增加幾兆瓦的功率是完全不同的兩回事。此外，在大型輸送機(jī)系統(tǒng)中，短期的裝載峰值與料斗滿載時產(chǎn)生的附加力無任何關(guān)聯(lián)，而且，其上游設(shè)備（比如初碎機(jī)）通常也不能夠在幾分鐘內(nèi)一直都對其全程范圍維持一個比峰值能力高20%-30%的生產(chǎn)能力。
總的來說，按照需求精確地設(shè)計，并避免使用對小型系統(tǒng)慣用的簡化，是減少地面帶式輸送機(jī)能耗的主要手段。必須記住，一個過設(shè)計系統(tǒng)具有更高的固定功率損耗，而且通常效率更低，從而導(dǎo)致運(yùn)輸單位重量材料的能耗增高。
二、托輥與軸承設(shè)計要考慮的環(huán)節(jié)
2.1托輥的選擇
托輥的選擇將直接決定托輥的滾動阻力。而皮帶的壓陷阻力則由托輥的直徑、垂直載荷、以及皮帶回轉(zhuǎn)面的橡膠特性綜合決定。對于具有相對低輸送能力的長皮帶，托輥的滾動阻力是一個重要的因素；而對于高輸送能力的輸送機(jī)，壓陷阻力是主要因素。
2.2軸承的選擇
如果不考慮關(guān)于額定負(fù)荷、耐污性能等方面的因素，滾球軸承具有低滾動阻力已是不爭的事實(shí)。這也是長距離地面運(yùn)輸中大都采用滾球軸承的原因。
表1顯示了在5千米長、1000噸／小時輸送能力的地面帶式運(yùn)煤機(jī)上，
分別采用滾柱軸承和滾球軸承的結(jié)果的比較。表l中的滾球軸承的數(shù)據(jù)是來自許多不同的制造商的平均數(shù)據(jù)，而滾柱軸承的數(shù)據(jù)來自一個制造商。
從制造商給出的數(shù)據(jù)看，很顯然，吸收功率有5%的差別。但是，在初始空載起步功率消耗上，存在四倍的差異。滾球軸承初始阻力比運(yùn)行時大約高25%，而滾柱軸承初始阻力幾乎比運(yùn)行時高出五倍。表中的例子與現(xiàn)實(shí)中的一個20年前投產(chǎn)、采用滾柱軸承的輸送機(jī)類似。當(dāng)時，如果不短路其過載保護(hù)，它的900-kW (6x150kW)驅(qū)動功率就不能運(yùn)轉(zhuǎn)空載的輸送機(jī)。但是，在運(yùn)行幾個小時后，吸收功率降到“正常”值，該輸送機(jī)就投入使用了。
另一個需要考慮的因素是，軸承阻力是軸承尺寸的函數(shù)。雖然大尺寸軸承將可能減小軸承失效的幾率，但同時也會導(dǎo)致更高的能耗。
2.3密封方法
不同制造商提供了許多不同的密封方法。其中，接觸式密封和緊密間隙的迷宮式密封會產(chǎn)生更高的滾動阻力，尤其在低溫情況下更是如此。一般情況下，都采用脫脂或大間隙的迷宮式密封。
2.4制造質(zhì)量
托輥的制造質(zhì)量，比如軸承定位或支架偏差，盡管用理論方法難以估計，但其對輸送機(jī)最終的滾動阻力有重要的影響。
表2匯總了托輥質(zhì)量測試的結(jié)果。注意具有類似等級和尺寸的托輥的滾動阻力值的變化范圍。結(jié)果顯示，現(xiàn)場使用是最好的測試手段。制造商以往的產(chǎn)品性能記錄可以對它的產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)做出最好的預(yù)測。
2.5托輥直徑及間距
皮帶壓陷阻力是托輥直徑的反函數(shù)。也就是說，托輥直徑越大，壓陷阻力越低。輸送機(jī)輸送能力越高，壓陷力與需求的功率關(guān)系越大。縮小托輥間距可降低壓陷力，但同時會產(chǎn)生較高的托輥?zhàn)枇ΑＷ詈侠淼耐休侀g距將根據(jù)具體的應(yīng)用情況來確定。
三、皮帶的選擇與設(shè)計因素
皮帶對于地面帶式輸送機(jī)的功率需求具有最重要的影響。同時，皮帶也是整個輸送機(jī)系統(tǒng)中價格最貴的部分。輸送機(jī)能耗是皮帶重量和皮帶表面特性的函數(shù)，而皮帶重量又是皮帶額定張力和表面厚度的函數(shù)。大多數(shù)地面帶式輸送機(jī)使用的是鋼繩芯皮帶。
3.1皮帶額定張力的運(yùn)用
幾年前，皮帶額定張力還一直作為皮帶極限強(qiáng)度（由靜張力測試確定）的一部分。比如，在選擇帆布皮帶時，按計算的最大操作張力，取10倍的安全系數(shù)，而選鋼繩芯皮帶時，安全系數(shù)取6.7．而在實(shí)際應(yīng)用中，盡管鋼繩芯接合處的靜力強(qiáng)度比皮帶本身的強(qiáng)度要大許多，皮帶通常在拼接處失效。隨著對橡膠性能了解的深入以及廣泛的研究和測試，人們對輸送機(jī)皮帶的破壞機(jī)理有了更清楚的認(rèn)識。事實(shí)上，由于粘結(jié)鋼繩芯的橡膠產(chǎn)生疲勞，從而導(dǎo)致皮帶在接合處失效。因此，在選擇皮帶時，接合處的疲勞強(qiáng)度或動力強(qiáng)度是一個重要的考慮因素。
DIN2的最新版本基于對邊緣張力、瞬間沖擊力以及環(huán)境等操作條件的考慮，給出了一種皮帶選擇的方法．對于平坦運(yùn)行的地面帶式輸送機(jī)，瞬間沖擊力可控而且不大，靜力安全系數(shù)可以取得比較低。同樣，如果采用較長時間、較小加速度來啟動系統(tǒng)，比如采用變頻傳動裝置(VFD)、寬范圍監(jiān)視控制系統(tǒng)(WRM)或可控液力聯(lián)軸節(jié)，靜力安全系數(shù)也同樣可以取較低。但是，對于像對高傾斜或循環(huán)性輸送機(jī)等特殊系統(tǒng)，由于很難避免出現(xiàn)大的瞬間沖擊力，靜力安全系數(shù)就要取與慣常的6.7差不多或再高一些。
對于高張力的輸送機(jī)，要求使用帶有大量大直徑鋼纜的重皮帶。另外，接合位置處理的越復(fù)雜，額定張力就越高。所以說，接合效率隨著皮帶額定張力的提高而降低。如果接合處的設(shè)計很好，較低靜力額定張力的皮帶也可能有較高動力接合強(qiáng)度，從而達(dá)到很高的安全性。
需要指出的是，使用靜力強(qiáng)度越高、重量越重的皮帶，價格越昂貴，而且導(dǎo)致更高的能耗，要根據(jù)實(shí)際情況作出適當(dāng)?shù)倪x擇，并非越大越好。
3.2載物面的保護(hù)作用
皮帶載物面用來運(yùn)送材料，并保護(hù)皮帶芯免遭破壞。在每次皮帶經(jīng)過裝載區(qū)域時，載物面都可能因?yàn)楸磺懈罨蚰p而損壞。因此，短皮帶的耐磨損壽命比較短，也更易受到大的、尖的塊狀材料的切刮。而對于地面帶式輸送機(jī)，因?yàn)檠h(huán)時間比較長，磨損率相對較低。但是也有相反的情況，即輸送機(jī)載物面比較長，但壽命卻很短。這是因?yàn)椋M(jìn)料槽設(shè)計的不合理，導(dǎo)致這種結(jié)果的出現(xiàn)。如今，可以使用DEM模型設(shè)計轉(zhuǎn)載溜槽，從而把進(jìn)料槽對輸送機(jī)的影響和磨損降到最低。
例如，南非投產(chǎn)使用了一個6千米長、每小時2200噸輸送能力的地面帶式輸送機(jī)。六年后，對載物面的厚度進(jìn)行了測量，結(jié)果在皮帶上沒有測到明顯的磨損。這是因?yàn)樵谠O(shè)計階段，進(jìn)料槽被加以特殊考慮，而且運(yùn)用了加速輸送機(jī)和加料的秩序化。很顯然，設(shè)計的結(jié)果在最小化皮帶磨損方面是成功的。
總之，增加載物面的厚度，會相應(yīng)增加皮帶的重量。因此，認(rèn)真仔細(xì)地對進(jìn)料槽進(jìn)行設(shè)計，并用最小的載物面厚度，可以使成本和能耗降到最低。
3.3傳動面的設(shè)計思路
傳動面用來保護(hù)皮帶芯，并把壓力從鋼繩芯傳到皮帶輪和托輥上。壓陷阻力是傳動面厚度的函數(shù)。傳動面越厚，壓陷阻力和能耗越大。
正常來說，傳動面底部的損耗與驅(qū)動皮帶輪的打滑有關(guān)。這種現(xiàn)象可以通過合適的設(shè)計而消除。許多專家爭論說，托輥在水平曲線上的傾斜和扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了傳動面過早受到磨損。這種意見的產(chǎn)生，源于對皮帶經(jīng)過與其不完全垂直的托輥時行動的誤解。
如果傾斜較小，皮帶不會滑向一側(cè)，而是通過傳動面變形（蠕變）來補(bǔ)償偏離。上述南非的例子中，托輥在很長的45度的曲線板上有一定的傾斜和扭轉(zhuǎn)，但在使用六年之后，傳動面厚度測量結(jié)果顯示，在傳動面上沒有顯著的磨損。另外，采用一些知名廠家生產(chǎn)的特殊橡膠化合物，可以極大地減少壓陷阻力。由此產(chǎn)生的額外費(fèi)用，可以通過因其降低皮帶額定張力和能耗而節(jié)省出來。
四、結(jié)論
地面帶式輸送機(jī)并非越大越好：錯誤的設(shè)定或過時的經(jīng)驗(yàn)也不可取。科學(xué)的設(shè)計與應(yīng)用理念證明，地面帶式輸送機(jī)的能耗可以通過采用現(xiàn)有的設(shè)計工具，并結(jié)合設(shè)計輸送能力、托輥及輸送帶等裝置的優(yōu)化選擇，進(jìn)行最佳設(shè)計，從而降低成本和運(yùn)行費(fèi)用，同時也大大減輕了對環(huán)境的污染，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和環(huán)境保護(hù)，從源頭上踐行低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念。
