带式输送机的发展与应用

带式输送机广泛应用于国民经济建设的各个领域，产品已实现标准化、系列化、通
用化，其传统设计的主要工作是选型设计和线路布置。随着设计生产技术不断增强以及
CAD/CAE 技术的广泛应用，三维图形技术和计算机技术在带式输送机设计中发挥重要
作用，以此发展出的带式输送机模块化设计和计算机辅助设计已成为带式输送机现代设
计的主要趋势。
本课题研究开发的 DTⅡ(A)带式输送机三维设计系统分为选型设计部分、零部件参
数化建模及整机柔性自动装配部分和数据库部分等三大部分。设计选型部分根据
DTⅡ(A) 型带式输送机设计手册和带式输送机工程设计规范 GB50431-2008 在
Access2007 数据库管理系统中建立 DTⅡ(A)型带式输送机标准参数和部件型谱数据库，
使用 Visual Basic 6.0 作为开发平台，采用循环迭代的设计思想，通过 ADO 数据库访问
技术实现了整机选型设计及计算的程序化；零部件的参数化建模及柔性装配部分使用
SolidWorks 二次开发技术并结合标准参数数据库，采用程序驱动和尺寸驱动的二次开发
方法以及模块化设计思想实现了零部件参数化建模和整机柔性自动装配。
本课题研究开发的三维设计系统，主要由选型设计模块、参数化建模模块、零部件
装配模块、数据库模块、报表生成模块和使用说明模块组成。本系统完成了整机系列三
维设计，对提高设计效率，降低设计成本，提高设计质量有着明显的实用价值。

关键词：带式输送机；选型设计；参数化建模；自动装配；SolidWorks 二次开发

1?
第一章 绪论
1.1 带式输送机的发展与应用
带式输送机是通过作为整机挠性牵引和承载构件的输送带的运动，输送其上承载物
料的一种连续输送设备。由单机或多机组合成的带式输送机系统不仅能够输送散状物料
也能够输送成件物品，被广泛应用于冶金、港口、煤炭、矿山、电站等各个国民经济建
设领域。
1.1.1 带式输送机的发展状况
1892 年，在矿物工程领域 Thomas Robins 发明了具有槽形结构的带式输送机，正式
确立了带式输送机的基本形式并沿用至今
[1]
。此后，带式输送机经过了两个多世纪的发
展，历经三次工业革命，新设计技术、新兴材料的研究使带式输送机的发展进入新纪元。
其结构形式不断改善，功用不断完善，分类不断细化，使得各类带式输送机已成为众多
行业不可缺少的装卸输送设备。带式输送机分类较多，常见分类如图 1.1 所示：

图 1.1 带式输送机常见分类
Fig 1.1 The category of Belt Conveyor
现代带式输送机中，在结构形式与功用方面的典型代表有：为适应输送量不断增大
的工业

要求，发展出的适用不同承载能力的轻型带式输送机、通用带式输送机和重型带
式输送机等长距离、大运量的现代带式输送机单机或组合系统；为满足工作地点的转换，
由固定带式输送机变型出移动带式输送机、移置带式输送机和可伸缩带式输送机；为满
足工业中较高的输送升程要求而研发的大倾角带式输送机和波状挡边带式输送机；考虑
到输送机使用的地理环境因素，根据输送机的线路布置方式不同，由直线带式输送机发
展出的平面转弯带式输送机和空间转弯带式输送机；联系当前环保要求和线路布置而研?
2
究出的管状带式输送机不仅可以有效地密闭输送物料以达到环保要求，而且可以实现空
间的转弯输送。
随着输送机本身技术的研究和装备的发展，逐步打破了以往的各种技术条件限制，
使得带式输送机在性能更高且应用范围更广泛。基于输送机启动优化理论研究的输送机
软启动控制方式，有效降低了启动的冲击力，提高了输送机的启动性能，大大加强了单
机驱动能力。以此衍生出的各种软启动装置和系统，例如液力耦合器、CST 可控启动、
变频调速软启动等现已被广泛应用于带式输送机中
[2]
。同时，输送带新工艺和新材料的
应用也大大促进了带式输送机的发展。输送带由早期的简单帆布带发展到至今的织物芯
输送带和钢绳芯输送带，提高了输送带的承载能力和输送能力；通用型、耐热型、耐寒
型、防腐型、阻燃型等各种性能特征的输送带打破了工作条件和工作环境的限制，将带
式输送机的适用范围延伸至经济建设的各个领域。此外，有关输送机的摩擦与滚动损耗
模拟技术、输送带横向振动研究、动力学分析技术以及监控与检测技术都广泛应用于现
代带式输送机设计中
[3]
。新型带式输送机正向着输送距离长、输送量大且系统智能化程
度高的趋势快速发展。
1.1.2 带式输送机的应用
带式输送机作为当前重要的连续输送设备之一，与汽车、火车输送相比，无论在输
送量、运距方面还是在经济效益方面衡量都有它独特的优势。它具有以下特点：
（1）结构简单，可靠性高，且零部件已标准化。带式输送机的主要零部件多数已
实现通用化和标准化，方便零部件的配置和互换。
（2）物料的输送距离长、输送量大，且能实现连续输送。带式输送机单机输送长
度可达十几公里，输送量可达 40000t/h 左右，其连续不间断的输送特点是汽车与火车等
运输方式不能比拟的。
（3）对地形地貌等适应性强，装料与卸料方便灵活。输送线路可以呈水平、倾斜
布置，或在水平方向、垂直方向弯曲布置，其平

面弯曲和空间弯曲输送机更是打破了转
弯和爬坡的限制，在复杂和越野地形中广泛使用。可根据工艺流程需要进行多点装料、
多点卸料及反向运输。
（4）营运费低廉，基建投资省，维修费用低。整机零部件寿命长，系统可靠性好，
自动化程度高，使得输送机维修方便且节省了人员调用，且在复杂地形中无需修建路基、
桥基和隧道等基建设施。
综上所述，带式输送机的优越性使得物料输送行业产生了巨大变革，它成为国民经
济建设中不可缺少的关键设备。与其他物料输送设备相比，带式输送机的经济效益在《运?
3?
输机械设计选用与标准实用手册》
[4]
中有详细的数据对比，本文不再一一赘述。带式输
送机的以上特点决定了它在国民经济领域的广泛应用。我国的带式输送机由最初的
TD62 型发展至现在的 DTⅡ ( A)型，使用范围不断扩大，可以满足堆积密度为
500~2500Kg/m
3
物料的输送要求，输送机的适用工作环境温度为-25~40℃。对于有特殊
要求的工作环境，例如耐热、耐寒、防腐、防爆和阻燃等，可采用特种橡胶输送带并辅
以相应防护措施；对于应用于复杂地形的带式输送机可采用凹弧、凸弧和直线组合的输
送形式，使用单机或多机组合系统。
1.2 课题的国内外研究现状概述
1.2.1 带式输送机设计的研究现状
带式输送机的常规设计主要是以整机的运行阻力计算和驱动电机功率计算为核心
的零部件选型设计。早期行业内参考使用的国外设计规范有 1979 年国际标准组织（ISO）
公布的 ISO5048 输送机设计标准、德国工业标准（DIN）于 1982 年公布的 DIN22101《输
送散状物料的带式输送机计算及设计基础》、日本工业标准于 1979 年公布的 JIS B 8805
《橡胶带输送机的计算公式》以及美国输送机设备制造商协会（CEMA）于 1979 年公
布的输送机设计准则
[3]
。以上所述各国设计规范中的设计方法与计算方法都有所不同，
国内输送机研究学者参考国外设计规范研究出了以一般机械设备的选型设计和主要零
部件的选择为主的整机选型设计方法。我国早期制定了国家标准 GB/T17119-1997《连
续搬运设备带承载托辊的带式输送机运行功率和张力计算》，并于 2008 年公布了
GB50431-2008 带式输送机工程设计规范
[5]
，促使我国带式输送机系列完成了由 TD62、
TD75、DTⅡ到现在的 DTⅡ (A)的型号设计变更。同时，国外最新参考规范更新为国际
标准 ISO5048-1989
[6]
、德国工业标准 DIN22101-2002
[7]
、日本工业标准 JIS B 8805-1992
等等。
整机的选型设计中涉及较多的原始参数和计算参数，参数之间相互影响，存在很强
的关联性。原始参数参与复

杂的计算流程可直接影响最终的选型结果，参数选取时的用
户的主观性较强，而且选型校核不通过时需要反复进行选型并计算，这样就使得设计工
作繁琐和反复。以人为主的传统设计工作是利用手工计算工具进行或简单或复杂的计算
工作，利用绘图仪器或纸张进行图形绘制，设计者的设计水平直接影响到设计的质量。
随着设计理论的不断更新，计算愈加复杂繁琐，设计时间长且占用较多人力资源；市场
竞争激烈，用户要求严格，设计需求增加，厂商成本过高等因素都促使行业研究更加高
效低耗的带式输送机设计方法。
随着计算机技术和现代设计理论的发展与应用，计算机辅助设计（Computer Aid
4
Design，简称 CAD）技术在行业中开始大放异彩。作为一门多学科综合性应用技术，
CAD 现已扩展到设计的各个阶段、各种内容，涉及众多的基础技术。它可以采用计算
机及其软件辅助设计人员完成计算、绘图、数据检索、优化、文本编辑等工作过程
[8]
。
该技术不仅大大提高了设计计算的分析速度和精度、扩展了设计功能、提高了设计效率，
而且结合图形技术后提高了绘图的速度和精度。结合当前工程设计中的计算机辅助工程
CAE(Computer Aided Engineering)技术，不仅可以进行静态结构分析，动态分析，还可
以研究结构的线性、非线性问题，利用计算机辅助求解分析带式输送机工程和产品的结
构力学性能，以及优化结构等。CAD 技术有效解决了带式输送机传统设计的弊端，现
已成为带式输送机设计工作的现代设计方法和重要助力。
1.2.2 带式输送机 CAD 技术发展状况
初期的 CAD 主要是解决计算机绘图方面的问题，随着计算机技术的普及与学科交
叉发展，现在已扩展到设计的各个阶段，包含设计的各种内容，同时涉及众多基础技术：
例如图形处理技术、数据管理技术、工程分析技术与软件设计技术等等
[8]
。二维绘图软
件和三维建模软件都开发并提供了标准图纸管理系统模块、零部件的标准件库等类似的
功能模块，大大提高了工程绘图和建模的效率。但是，这些软件注重使用的通用性，针
对性不强，设计与绘图无法集成，且国际标准、国家标准与企业标准的标准体系差异性
使得作为终端用户的产品设计与制造企业无法按照自己的意愿与实际情况来充分使用
软件功能。
CAD 软件如何能符合行业的设计规范，如何能遵循企业的设计特征，如何能实现
产品的设计、分析、绘图、建模以及数据管理等功能的智能化与集成化，如何能实现企
业局域或行业全局数据资源共享的网络化功能，这些问题都是当前 CAD 系统研制的目

标。面向行业与设计过程的专用 CAD 系统
[9]
的开发有效地解决了以上问题，它有机地
将融合了知识库的复杂设计流程与通用 CAD 系统结合在一起，实现了产品设计特有过
程的自动化
[10]
。
输送机行业，国外有关的计算机辅助设计研究起始较早。早在 1984 年，澳大利亚
学者 Niel M.Halvorsen 采用国际标准 ISO5048-1979 研制了带式输送机 CAD 程序
CONV3
[1]
。该程序完成电动机与驱动滚筒的工作功率计算的同时，可进行多种载荷工况
下多达 30 个任意点的输送带张力及其安全系数计算，而且可以对整机加速和减速运行
工况进行分析。1985 年，A.Kanarachos 等学者开发了 BELT1 带式输送机辅助设计程序。
该程序可计算带张力、电机功率以及零部件设计参数，并通过建立的整机经济性费用参
数估算了整机运行费用
[11]
。1994 年印度学者 C.R deepark 等人采用 CEMA 标准研发了基?
5?
于知识的带式输送机设计软件 BELCON，该软件在带式输送机的优化设计与安全方面功
能突出
[12]
。同时，国外输送机行业或企业也开发了功能较为全面的带式输送机设计软件，
在市场上得以推广并应用到实际工程设计中。Helix Technologies 公司开发的输送设计软
件 HELIX delta-T
[13]
是目前最为先进、最为成功的行业设计软件。该软件在 Microsoft
Visual Studio 开发环境中采用 ISO5048、CEMA 和 VISCO（粘弹性理论）三种主要计算
方法进行驱动功率与张力的计算，允许设计人员通过控制不同的启制动状态（启动转矩
转速控制、启动速度时间控制、恒转矩制动、制动速度时间曲线控制）进行动态设计和
动态分析。软件覆盖了带式输送机全部零部件的设计选型，真正实现了任意线路布置、
任意运行状态的智能化设计。目前，该软件最新版本为 HELIX delta-T6 软件界面如图
1.2 所示。

图 1.2 HELIX delta-T6 界面
[13]

Fig 1.2The interface of HELIX delta-T6
国内高校、科研院所和企业根据需求开发了较多的带式输送机相关 CAD 系统，并
且已有带式输送机设计的商业 CAD 软件在行业中得到推广和使用。在带式输送机常规
设计方面，太原科技大学研究了带式输送机选型设计软件，在 Access 数据库管理系统
中建立带式输送机零部件标准参数库，实现设计选型的自动化
[11]
；安徽理工大学、华北
电力大学分别研制了 DTⅡ型带式输送机 CAD 系统，在选型设计的基础上进一步实现了
整机总图的参数化绘制、设计说明书的生成以及设计报价等功能
[14][15]
；太原理工大学研
发了 DTⅡ(A)型和 DX 型钢绳芯带式输送机的整机总图的参数化绘制
[16][17]
。
6
以上研究工作完成了多种系列带式输送机的

设计工作，功能基本上覆盖了选型设
计、生成设计说明书、零部件及总图的参数化绘制以及整机快速报价等。国内带式输送
机设计商业软件中，性能最好、使用最广的是由秦皇岛玻璃工业设计研究院发布的带式
输送机设计软件 PDJCAD（V2013 版）。该软件不仅可进行 TD75 型、DTⅡ型、DTⅡ (A)
型标准带式输送机独立设计，还可以根据工程实际，整合多种标准的零部件实现单机组
合设计。用户通过给定原始设计参数，软件会自动进行选型设计和绘制工程图，输出选
型设计说明书，并产生零部件统计表、产品订货单和报价单等，整个设计过程参数化、
智能化。
随着带式输送机设计理论发展，常规设计 CAD 系统逐渐不满足当前的设计要求，
融合了设计经验知识库的专家系统
[18]
以及基于动态设计理论而开发的高级 CAD 设计系
统
[19][20]
更加智能化、专业化。专家系统的研究使得设计人员不仅可以在整机设计工作中
融合积累的设计经验，通过知识库对选型设计结果进行有效地评价修改，还可以进行非
标零部件的设计。此类研究不属于本课题的研究范围，本文只略作介绍。
随着三维设计技术与计算机辅助工程 CAE 技术的发展，这两项技术在带式输送机
设计工作中得到了应用和推广，成为重要的现代设计方法之一。吉林大学研究的传动滚
筒CAD软件选用ANSYS作为系统图形支撑软件，使用APDL参数化设计语言，在Visual
Basic 开发环境中实现了滚筒结构的参数化建模及其有限元分析
[21]
。太原科技大学研究
的波状挡边带式输送机三维设计系统
[22]
不仅实现了波状挡边输送机主要零部件的设计
和建模，还实现了零部件的自动装配，对之后的带式输送机参数化设计提供了很好的参
考。通用带式输送机的三维设计方面，文献[23]提出了较佳的设计方案，使用 AutoCAD
二次开发技术实现了系统零部件三维建模、零部件信息存储与零部件干涉检测。太原科
技大学研究的带式输送机驱动装置的三维设计系统
[24]
，实现了驱动装置从选型设计到三
维参数化建模及自动装配的设计流程的程序化，对于企业具有很好的实用价值。
综上所述，随着设计理论和 CAD 技术的发展，带式输送机 CAD 系统由早期的常规
设计发展到动态设计，二维参数化绘制工程图发展到三维参数化建模，单机标准设计发
展到多机组合系统非标准设计，简单线路侧型发展到空间复杂线路侧型布置。目前，已
开发了选型设计、设计计算说明书生成、动态仿真与分析、预测评价、参数化绘图、参
数化建模与自动装配、结构分析与优化、数据管理、快速报价等功能模块，大大提

高了
设计效率和设计质量。CAD 系统满足了现代工业发展的新需求，推动了行业的发展，
为企业和社会创造了客观的经济效益。
7?
1.3 课题研究的主要目的与意义
二维图形技术发展较早，目前已在机械行业中普及，并成为行业必备的绘图技术。
经过多年的推广和使用，二维图形软件逐渐完善，开发了多种功能模块、零部件图形库
与标准图形样板文件，能够快速完成零件图与总装图的绘制。与传统手工绘图相比，设
计人员可以灵活地进行设计图的绘制和修改，成为产品的设计和生产加工过程中不可或
缺的重要环节。
随着计算机技术和三维图形技术的发展，众多三维设计软件如 Pro/E，SolidWorks、
UG 等在三维模型的基础上推动了设计技术的新变革。与二维图形相比，三维模型在图
形表达方面更加直观，不仅能够正确表达产品设计的意图，还能准确反映出模型特征属
性、装配关系与干涉。二维设计技术的设计与修改是基于“图线”的，而三维设计技术
是基于设计“概念”的，可表达出设计构思的全部几何参数与模型特征。三维设计技术
在后期的有限元分析、结构优化、运动仿真、NC 控制可加工性分析等 CAD/CAE 新兴
设计技术方面的优势更是二维图形技术无法比拟的。
目前，无论是传统设计还是 CAD 系统的研发，主流设计手段还停留在二维图形设
计阶段，设计工作量大、设计过程不直观且不易发现错误和设计缺陷。综上所述，三维
设计方法必将取代早期的二维设计方法。本课题开发的整机三维设计系统在选型设计程
序化的基础上，实现了各个零部件的三维参数化建模以及整机的柔性装配，设计更加直
观、质量更高、周期更短、设计中的错误和缺陷易于发现。同时，更是为设计后期的零
部件结构的有限元分析及优化、整机运动仿真及动力学分析等现代设计技术打下了坚实
的基础。本系统满足现代设计技术的发展要求，解放设计人员，提高企业竞争能力，对
于企业具有较高的实用价值；课题中研究的基于 SolidWorks 高级设计技术的二次开发方
法，在零部件参数化设计及自动装配方面取得了新的进展，在三维设计 CAD 系统的开
发研究方面具有较高的参考价值。