CN103072783B - 超弹性低滚动阻力的传送带 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超弹性低滚动阻力的传送带。本发明公开的传送带包括：负载承载芯，在所述芯之上的上部覆盖层，在所述芯之下的托辊覆盖层，其中托辊覆盖层包括至少一个高弹性模量层，其在托辊覆盖层的至少一部分之下延伸，其中高弹性模量层包括高弹性模量材料，其中高弹性模量材料具有在0.3GPa至220GPa范围内的弹性模量，其中高弹性模量层具有在0.005mm至4mm范围内的厚度。

Description

超弹性低滚动阻力的传送带
技术领域
本发明属于传送带领域。更特别的是，本发明涉及用于输送块状材料的传送带，通常在采矿工业、电厂、海港的装卸码头、水泥厂和其他适用的地方使用。
背景技术
长的传送带系统需要大量的能量来运行，对采矿作业的操作成本有直接的影响。大部分的能量从传送带系统损失，这归因于制造传送带中使用的橡胶类材料的粘弹性滞后作用。由于传送带的一段沿着传送带的行进路径在支撑传送带的辊上经过，传送带的该段局部地变形以匹配辊的形状。一旦传送带的该段经过了辊，变形恢复。大量的机械能量被粘弹性滞后作用消耗，通过在每个辊处重复这个循环转变成热积聚。
现有技术中的传统传送带的设计，已经通过使用橡胶化合物制造的传送带而解决了能量损失的这个问题，橡胶化合物有较小的滞后作用，从而导致较少的热产生和较低水平的低滚动阻力。这种低滚动阻力橡胶化合物允许在变形期间较小的热损失，因此在传送带经过辊时减少能量的使用量。但是，相比于传统的传送带，低滚动阻力橡胶传送带的使用使得能量的消耗仅减少很小一部分。由于操作大型的传送带系统消耗巨大的能量，仍然有空间通过使用降低水平的滞后作用带来的这种传动带系统的总体效率的提高以节约大量的能量。自然地，能够潜在地取得的节约与传送带系统的大小成比例，传送带系统利用宽和长的传送带提供巨大的节约潜能。在效率上的甚至很小的改进也能带来巨大的成本节约，这是因为用于操作在采矿工业中使用的一些大型传送带的能量需求是惊人的。因此，长期以来一直需要更节能、更有效的传送带。
发明内容
本发明公开了一种传送带，其包括：负载承载芯，在所述芯之上的上部覆盖层，在所述芯之下的托辊覆盖层，其中托辊覆盖层包括至少一个高弹性模量层，其在托辊覆盖层的至少一部分之下延伸，其中高弹性模量层包括高弹性模量材料，其中高弹性模量材料具有在0.3GPa至220GPa范围内的弹性模量，其中高弹性模量层具有在0.005mm至4mm范围内的厚度。
在本发明的一个实施例中，高弹性模量层在托辊覆盖层的宽度的中心10％至85％下方延伸。
在本发明的另一个实施例中，高弹性模量层仅在托辊覆盖层的宽度的中心10％至85％下方延伸。
在本发明的另一个实施例中，传送带包括多个高弹性模量层，其中高弹性模量层的累积宽度在托辊覆盖层的宽度的不超过85％下方延伸。
在本发明的又一个实施例中，高弹性模量层由延伸到传送带的底面的托辊覆盖层的部分分开。
在本发明的另一个实施例中，由托辊覆盖层的部分覆盖的传送带的底面的累积宽度为至少20％。
在本发明的又一个实施例中，由托辊覆盖层的部分覆盖的传送带的底面的累积宽度为至少25％。
在本发明的另一个实施例中，由托辊覆盖层的部分覆盖的传送带的底面的累积宽度为至少30％。
在本发明的又一个实施例中，由托辊覆盖层的部分覆盖的传送带的底面的累积宽度在30％至60％的范围内。
在本发明的另一个实施例中，高弹性模量材料具有在0.35GPa至200GPa范围内的弹性模量。
在本发明的又一个实施例中，高弹性模量材料具有在0.35GPa至6GPa范围内的弹性模量。
在本发明的另一个实施例中，高弹性模量材料具有在0.4GPa至3GPa范围内的弹性模量。
在本发明的又一个实施例中，高弹性模量层具有在0.01mm至3.5mm范围内的厚度。
在本发明的另一个实施例中，高弹性模量层具有在0.05mm至3mm范围内的厚度。
在本发明的又一个实施例中，高弹性模量层具有在0.1mm至2mm范围内的厚度。
在本发明的另一个实施例中，高弹性模量层弯曲固定至托辊覆盖层，而不需要使用粘结剂。
本发明进一步公开的传送带包括：负载承载芯，在所述芯之上的上部覆盖层，在所述芯之下的托辊覆盖层，其中托辊覆盖层包括嵌入其中的高弹性模量材料纤维，其中高弹性模量材料纤维具有在0.3GPa至600GPa范围内的弹性模量。
在本发明的另一实施例中，高弹性模量材料纤维具有在100GPa至500GPa范围内的弹性模量。
附图说明
图1是本发明的示例性的传送带结合高弹性模量层的示意性截面图。
图2是本发明的传送带在其中结合多个高弹性模量层15的示意性截面图。
图3是示例性的3个辊槽的传送带系统的示意性截面图。
图4是传送带经过3个辊槽传送带系统的辊的时候传送带中的接触压力的示意图。
图5是具有高模量层和不具有高模量层的传送带中的压缩应变的比较示意图。
图6是绘制接触压力作为半带宽度的函数的曲线图。
图7显示了本发明的一个实施例，其中传送带包括穿孔的高模量层。
具体实施方式
图1显示了本发明的示例性的传送带1结合高弹性模量层5。传送带1具有上部覆盖层2，托辊覆盖层4，高弹性模量层5，以及负载承载芯3。高弹性模量层5定位在托辊覆盖层4的底面7上。高弹性模量层5可固定于托辊覆盖层4的底面7。更优选的，高弹性模量层5将至少部分地嵌入托辊层4。最优选的，高弹性模量层5将嵌入托辊层4，使得高弹性模量层5的底面与托辊覆盖层4的底面7同水平面。
高弹性模量层5包括高弹性模量材料。高弹性模量材料可以是任何具有弹性模量在0.3GPa到220GPa范围内的材料。优选的，高弹性模量材料将具有在0.35GPa到200GPa范围内的弹性模量。更优选的，高弹性模量材料将具有在0.35GPa到6GPa范围内的弹性模量。最优选的，高弹性模量材料将具有在0.4GPa到3GPa范围内的弹性模量。高弹性模量材料将优选是超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)。UHMW-PE可与托辊层4的橡胶共固化，从而不需要使用粘结剂固定高弹性模量层5至托辊层4。适于在本发明实践中使用的超高分子量聚乙烯在商业上可从Ticona得到，如GUR4113、GUR4120、GUR4130、GUR4152和GUR4170。高弹性模量材料还可以包括碳纤维、聚芳族酰胺织品、或碳/聚芳族酰胺混合的织品。高弹性模量纤维将典型地具有在100GPa到500GPa范围内的弹性模量。
上部覆盖层2和托辊覆盖层4可使用本领域已知的材料和方法制造。上部覆盖层2可包括涂层，例如用于防止磨损的织物，也可包括层内的附加增强构件。同样，托辊覆盖层4可包括层内的附加增强构件。负载承载芯3可使用本领域已知的材料和方法制造。负载承载芯3通常将使用多根钢缆6作为增强构件。负载承载芯可替换钢缆使用织物或聚合物部件，或与钢缆结合使用织物或聚合物部件。
图3显示了本发明传送带21典型的使用。本发明可在平坦传送带系统或6个辊管传送系统中使用，但在图3所示的3个辊槽传送带系统中最有用。在3个辊槽传送带系统中，被移动的块状物料22的大部分重量位于中心辊23之上，更小百分比的重量沿着两个成角度的侧辊24被承载。块状物料22通常将是煤、石头或沙子，但也可以是任何类型的块状物料，其从一个地方被移动到另一个地方。
在高弹性模量层5中使用高弹性模量材料能减少传送带使用期间的功率消耗，这是因为其减少了托辊覆盖层4行进经过传送带系统26的辊23时的压缩水平。减少的压缩导致来自制造托辊覆盖层4的材料的滞后作用的能量损失减少。
图4显示了示例性的传送带的托辊覆盖层中的不同水平压缩应变的区域。最高的压缩应变直接在传送带和辊之间的接触区域之上。压缩应变水平沿着传送带的长度在辊之前和之后都减少。高模量材料也减少托辊覆盖层在其移动经过辊时呈现的变形量。在托辊覆盖层中的变形减小导致托辊覆盖层与托辊之间的接触长度减少。
图5显示了具有高模量层的传送带和不具有高模量层的传送带的不同水平的压缩应变的面积量的比较图。总压缩应变以及每个压缩应变水平的应变面积通过使用高模量层减少。因为存在较少的应变，从而当使用高模量层时，在托辊覆盖层中存在较小的压缩，具有高模量层的传送带将比不具有高模量层的传送带更有效。
图6示出了沿着3个辊槽传送带系统中的负载的传送带一半宽度的接触压力的示例性图表。沿着中心辊的宽度和中心辊边缘的顶点(从0至约200mm)接触压力最大，具有没有接触压力的部分，其与中心辊23和成角度的侧辊24(从约200mm至约250mm)之间的间隙相关联，从那里接触压力随着块状材料22重量的减少而减少，直到那里没有更多负载由传送带的一部分或传送带的边缘(从约250mm至约600mm)承载。在这个示例性图表中的值仅供参考，并不限于本发明。
为了形成完整的环，在传送带系统的端部，传送带必须绕托辊弯曲。传送带必须能弯曲成相对小的半径，以此来保持端部托辊尺寸的合理性。传送带必须能紧密地绕端部托辊包裹，以此来在传送带上维持足够的张力。传送带还必须能重新变直，就在离开端部托辊之后，以此来沿着传动带路径行进。如果高模量层太厚，其将导致传送带不能弯曲成适当直径以绕端部托辊包裹。厚的高弹性模量层的另一个可能的损害是，其会导致使用较大的能量以在操作期间完成传送带的弯曲和变直。为了获得高模量层的好处，在最小化端部托辊处的不利功率损耗的同时，该高模量层应该具有在从0.005mm至4mm范围内的厚度。优选地，该高模量层将具有的厚度在0.01mm至3.5mm的范围内。更优选地，该高模量层将具有的厚度在0.05mm至3mm的范围内。最优选地，该高模量层将具有的厚度在0.1mm至2mm的范围内。
用于3个辊槽传送带系统26的传送带像图3所示的一样经历额外的弯曲，因为它们在传送带路线的返回部分上并且在绕端部托辊行进时为平坦形状，但就如图3中传送带21所示，当它们行进通过传送带路线的负载承载部分时它们具有槽形状。如果高模量层25在弯曲区域27，那么弯曲区域27中的额外弯曲将需要更多的能量。因此，优选的是，对于将被用于3个辊槽传送带系统的传送带，高模量层25仅在托辊覆盖层4的宽度的中心10％至85％之下延伸。
具有的高模量层不在托辊覆盖层4的整个宽度之下延伸也是有益的，因为下面没有延伸高模量层的托辊覆盖层4的区域可用于接触端部托辊。通常地，一个端部托辊为传送带系统的驱动辊并且通常依靠端部托辊和传送带之间的摩擦力来施加驱动力。
高模量层通常由用于托辊覆盖层的材料更贵的材料制成。由于这个原因，会期望的是具有不在整个托辊覆盖层之下延伸的高模量层。
图7示出了本发明的一个实施例，其中传送带31以与图1所示相同的方式结合高模量层35。传送带31具有上部覆盖层32，托辊覆盖层34，高模量层35，以及负载承载芯33。高模量层35位于托辊覆盖层34的底面37上。高模量层可35固定至托辊覆盖层34的底面37。更优选的，高模量层35将至少部分地嵌入托辊覆盖层34内，最优选的，高模量层35将嵌入托辊覆盖层34内，使得高模量层35的底面与托辊覆盖层34的底面37处于同水平面。
高模量层35可被穿孔，这样多个穿孔38建立了用于蒸气和/或热气的通道，以使蒸气和/或热气通过高模量层35从托辊覆盖层34的沿着传送带31宽度与高模量材料35接触的部分逸出。这些穿孔38可以是任何形状。优选地，穿孔38将是圆形或矩形。矩形的穿孔可以是非常狭窄的，准确地说它们可被称为狭缝。
对于减小高模量层的宽度的替代，可使用多个高模量层。图2示出了本发明结合多个高模量层15的示例性传送带11。传送带11具有上部覆盖层12，托辊覆盖层14，多个高模量层15，以及负载承载芯13。多个高模量层15位于托辊覆盖层14的底面17上。多个高模量层15可固定至托辊覆盖层14的底面17。更优选的，多个高模量层15将至少部分地嵌入托辊覆盖层14内。最优选的，多个高模量层15将嵌入托辊覆盖层14内，这样多个高模量层15的底面与托辊覆盖层14的底面17位于同水平面。多个高模量层15可具有跨托辊覆盖层14底面的宽度上的任意间隔或定位。通常，高模量层15的累积宽度(W1+W2+W3+W4+W5+W6+W7)将覆盖传送带11的总宽度y的至少20％，并且将不超过托辊覆盖层14宽度y的85％下方延伸。典型地，由托辊覆盖层17的部分覆盖的传送带底面的累积宽度将是传送带宽度的至少20％，并且更典型地，将是传送带11宽度的至少25％。优选的，高模量层的累积宽度将不超过托辊覆盖层宽度的70％下方延伸。更优选的，高模量层的累积宽度将不超过托辊覆盖层宽度的60％下方延伸。最优选的，高模量层的累积宽度将不超过托辊覆盖层宽度的50％下方延伸。在某些情况下，由托辊覆盖层14的部分覆盖的传送带17底面的累积宽度在传送带11的总宽度的30％至60％之间。
对于在3个辊槽系统中使用的传送带，多个高模量层15不应放置在传送带的弯曲区域27内。高模量层的位于弯曲区域27内的任何部分将不提供有效的改进，这是因为在传送带27的弯曲区域和系统的辊之间没有接触，从而在弯曲区域27中，托辊覆盖层的橡胶变形。同样，在沿着3个辊槽系统中的传送带所遵循的路线的不同位置处，在传送带的平坦形状和槽形形状之间发生转换时，高模量层的任何部分在弯曲区域中的定位都将增加传送带的功率消耗。
当其在辊上行进时，由于托辊覆盖层的凹口导致的功率消耗与应变(ε0)的平方成比例，假设真实的弹性模量(E’)和相位角(δ)是恒定的。功率消耗可以使用以下公式计算：功率消耗(Wh)＝π·E’·ε0·tan(δ)。与传统的计算相比，有限元分析能提供更准确的ε0绘图。然后，ε0的绘图可被用于获得更准确的功率消耗的计算。
实例1
具有如图1所示的构造的传送带能够被制造成带有1mm厚的高模量层。高模量层具有5GPa的弹性模量。当与类似构造的传统传送带相比时，带有高模量层的传送带在辊与传送带之间将具有的接触长度减少约20％。带有高模量层的传送带的功率消耗将减少约12.6％。
实例2
具有如图1所示的构造的传送带能够被制造成带有1mm厚的高模量层。高模量层具有200GPa的弹性模量。当与类似构造的传统传送带相比时，带有高模量层的传送带在辊与传送带之间将具有的接触长度减少约75％。带有高模量层的传送带的功率消耗将减少约22.6％。
尽管为了显示本发明的目的详细地示出了某些代表性实施例和细节，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明范围的情况下可以作出各种改变和修改。

Claims (19)

1.一种传送带，包括：负载承载芯，在所述负载承载芯之上的上部覆盖层，在所述负载承载芯之下的托辊覆盖层，其中托辊覆盖层包括至少一个高弹性模量层，其在托辊覆盖层的至少一部分之下延伸，并且其中高弹性模量层包括高弹性模量材料，并且其中高弹性模量材料具有在0.3GPa至220GPa范围内的弹性模量，并且其中高弹性模量层具有在0.005mm至4mm范围内的厚度。
2.根据权利要求1所述的传送带，其中高弹性模量层在托辊覆盖层的宽度的中心10%至85%下方延伸。
3.根据权利要求1所述的传送带，其中高弹性模量层仅在托辊覆盖层的宽度的中心10%至85%下方延伸。
4.根据权利要求1所述的传送带，其中所述传送带包括多个高弹性模量层，其中所述高弹性模量层的累积宽度在托辊覆盖层的宽度的不超过85%下方延伸。
5.根据权利要求4所述的传送带，其中高弹性模量层由延伸到传送带的底面的托辊覆盖层的部分分开。
6.根据权利要求5所述的传送带，其中由托辊覆盖层的部分覆盖的传送带的底面的累积宽度为传送带的宽度的至少20%。
7.根据权利要求5所述的传送带，其中由托辊覆盖层的部分覆盖的传送带的底面的累积宽度为传送带的宽度的至少25%。
8.根据权利要求5所述的传送带，其中由托辊覆盖层的部分覆盖的传送带的底面的累积宽度为传送带的宽度的至少30%。
9.根据权利要求5所述的传送带，其中由托辊覆盖层的部分覆盖的传送带的底面的累积宽度在传送带的宽度的30%至60%的范围内。
10.根据权利要求1所述的传送带，其中高弹性模量材料具有在0.35GPa至200GPa范围内的弹性模量。
11.根据权利要求1所述的传送带，其中高弹性模量材料具有在0.35GPa至6GPa范围内的弹性模量。
12.根据权利要求1所述的传送带，其中高弹性模量材料具有在0.4GPa至3GPa范围内的弹性模量。
13.根据权利要求1所述的传送带，其中高弹性模量层具有在0.01mm至3.5mm范围内的厚度。
14.根据权利要求1所述的传送带，其中高弹性模量层具有在0.05mm至3mm范围内的厚度。
15.根据权利要求1所述的传送带，其中高弹性模量层具有在0.1mm至2mm范围内的厚度。
16.根据权利要求1所述的传送带，其中高弹性模量层弯曲固定至托辊覆盖层，而不需要使用粘结剂。
17.一种传送带，包括：负载承载芯，在所述负载承载芯之上的上部覆盖层，在所述负载承载芯之下的托辊覆盖层，其中托辊覆盖层包括嵌入其中的高弹性模量材料纤维，并且其中高弹性模量材料纤维具有在0.3GPa至600GPa范围内的弹性模量。
18.根据权利要求17所述的传送带，其中高弹性模量材料纤维具有在100GPa至500GPa范围内的弹性模量。
19.根据权利要求17所述的传送带，其中高弹性模量材料是超高分子量聚乙烯。
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