新型运载技术：广义管网运送机械系统

管链式输送机

一、系统基本原理

1. 基本概念

广义管网运送机械系统主要基于密闭管道内物料的有序移动。系统通过在管道内部构建一个可控的环境，利用各种动力方式（如机械推动、气动力、液压力等）使运输载体（运输车、链盘、物料本身）沿着预定路径从起点移动到终点。

2. 核心原理

可分为几种类型：

机械推动原理：如管链输送机通过链条带动盘片在管道内运动，推动物料前进。物料受到链片在运动方向的推力，当料层间的内摩擦力大于物料与管壁的外摩擦力时，物料就随链片向前运动。

流体动力原理：利用气体（正压或负压）或液体的能量推动携带物料的活塞或运输车在管道中运行。例如，一些系统会利用高压气体驱动的水或直接利用高压气体作为动力源。

复合动力原理：结合机械和流体动力，或采用电力驱动的运输车在带有导向轨和供电系统的管道内自动驾驶。

管道网络本身常采用模块化设计，通过标准化的硬管、软管和连接件（如连管接头）组合而成，以适应不同地形和布局需求。系统中通常还集成换道装置（如换道机）、旋转转移器等，实现物料在复杂管网中的路由和分拨。

气动物流传输系统

二、主要技术途径

广义管网运送机械系统的技术实现方式多样，主要可分为以下几类：

1. 管链式输送系统：

这是目前应用较为广泛的技术途径，尤其适用于粉状、小颗粒状及小块状散状物料。

工作原理：在密闭管道内，以链片为传动构件带动物料沿管道运动。水平输送时，物料颗粒受链片运动方向的推力；垂直输送时，物料颗粒受链片向上推力，下部给料阻止上部物料下滑产生横向侧压力，从而增强内摩擦力使物料向上输送5。

特点：容积式输送、可实现计量、多位上下料、密封性好、环保、可三维改变方向、物料破损少。

2. 气动/液压管道输送系统：

利用流体能量推动运输载体。

工作原理：系统由风机、正负压管网、导管、阀门（如两位三通阀）和连通管等构成动力单元。通过正压（推动）或负压（抽吸）使运输载体（如运输罐、活塞车）在管道内移动。

接力式传输：一种改进方案是采用接力式和旋转转移器。通过旋转转移器的转动盘上的贯通转移舱，将主、干、支运输管道相互对接或隔离，实现被运输物体在不同级别管道间的转移和接力输送，各部分独立工作性强。

3. 轨道式电动运输车系统：

更接近于“管道内的自动驾驶车辆”，适用于包裹、小型物品甚至未来的客运。

工作原理：在管道内部设置轨道、导向槽和输电装置（如输电埂）。运输车自带电动马达，车轮通过齿轮与轨道上的齿条啮合防止打滑。运输车依靠管道内壁的导向槽约束走向，并通过伸缩电刷从输电埂获取电力。通过换道机实现运输车在复杂管网中的路径切换。

智能控制：此类系统通常依赖强大的调度控制系统和数字通信网（包括管道内分布的信号线、基站和RFID定位标签），实现对运输车的远程监控、自动驾驶规划和任务管理。

移动式管状带式输送机

4. 大尺寸管道机械运输与安装辅助系统：

针对在狭小空间（如隧洞、管廊）内运输和安装大型管道（如输水输气管道）的特殊技术。

工作原理：采用专用的管道拖车组（如牵引拖车和从动拖车），拖车上的管道托架可随运输管道的大小尺寸而改变其托架弧度。使用小型机械设备进行牵引运输。安装则采用无轨自行走龙门架，通过电动机实现管道在隧洞内的纵向、横向移动。

不同管网运送机械系统比对

三、开发与应用现状

管网运送系统已在诸多工业和生活领域得到实际应用，但其发展和应用水平因行业和技术类型而异。

1. 工业散料输送领域（管链输送机为代表）：

技术相对成熟，应用广泛。主要用于化工、医药、建材、食品等行业输送粉状、颗粒状、小块状物料。国内多家企业（如山东浩丰、安丘博阳机械）已进行系列化生产。

优势在于密封环保、布置灵活、多位输送。局限性在于输送距离和能力受限制（如链条长度通常不超过50米，盘片直径一般不超过400mm），链条和盘片磨损严重，定期维修更换成本较高，且噪声和静电问题有待更好解决。

2. 局限空间大尺寸管道安装领域：

形成了特定的施工工法。如中冶天工的《局限空间隧洞内管道运输及安装施工工法》成功应用于长达7227米的隧洞中，运输安装7500余吨管道，通过专用拖车组和无轨自行走龙门架，提高了效率和安全，获得了行业认可。

3. 新型物流管道系统领域：

目前多处于专利布局、技术验证和示范探索阶段。国内外多家公司和发明人（如林旭伟）提出了各种基于轨道电动运输车的复合管道网络设想，旨在实现城市物流的自动化、地下化、智能化，但大规模商业化应用尚待时日。广州佰纳数字建造科技有限公司也获得了关于“管道运输车”的专利，专注于解决管道在运输车上稳定固定的问题，提升运输效率。

轨道式输送机控制装置

四、材料技术的不足与限制

材料的选择直接影响管网运输系统的性能、寿命、成本和可靠性。当前面临的主要材料技术挑战包括：

1. 磨损问题：

对于管链输送机，链条和输送盘（盘片）是易损件。输送盘主要采用工程塑料（如尼龙、UHMW-PE等）用于制造输送盘，但其耐磨性和强度仍需提升。频繁更换增加了维护成本和时间。管道内壁的耐磨性也同样重要，特别是在输送磨蚀性物料时。

2. 腐蚀问题：

在化工、医药或户外等环境中，输送的物料或环境本身可能具有腐蚀性。这就需要对管道、链片、运输车体等部件采用耐腐蚀材料，如不锈钢（316L）、塑料涂层、复合材料等7。但这往往会带来成本的上升。

3. 摩擦与润滑问题：

材料间的摩擦系数影响动力消耗和磨损。在有些场合（如食品、药品行业）可能限制润滑剂的使用，对自润滑材料或免维护设计提出了要求。

4. 强度与重量问题：

对于需要移动的部件（如运输车）或大型管道系统，在保证足够强度（如车体结构强度、管道承压能力）的同时，还需要考虑轻量化（如采用铝合金、复合材料）以降低能耗。

5. 密封材料：

对于气动系统或要求完全无泄漏的场合，闸门、活塞、管道连接处的密封材料性能和耐久性至关重要。需要材料在长期使用后仍能保持良好的弹性和密封效果。

6. 材料选择原则：

机械设计中材料选择需遵循 “性能匹配、成本可控、工艺适配” 三大核心原则。这意味着需要在材料性能、制造成本、加工难度和维护成本之间寻求最佳平衡。例如，对于承受交变载荷的传动部件，需选择疲劳强度高的合金结构钢；而在腐蚀环境中工作的零部件则需选用耐腐蚀材料如316L不锈钢。

五、性能检验与评价表征

为确保管网运送机械系统的安全、可靠和高效运行，需要建立全面的性能检验与评价体系。输送机检测项目内容汇总可供参考，其主要涵盖以下几个方面：

1. 外观与尺寸检查：

对管道、运输车、链片等部件进行视觉审查，确保无损伤、锈蚀、制造缺陷；测量关键尺寸，确认符合设计规范和公差要求。

2. 材质检测：

分析系统主要部件所用材料的化学成分、金相组织和力学性能，保证其满足工况需求。

3. 焊接与连接质量评估：

检查管道焊接、机械连接处的质量，确保牢固无裂纹、气孔等缺陷。

4. 机械性能测试：

负载能力：测试系统或组件（如运输车、链条）能够安全处理的最大载荷。

强度、硬度与韧性：测试关键受力部件的机械属性，判断其能否承受预期负荷和冲击。

运行稳定性与振动测试：评估系统在连续运行过程中的速度一致性、稳定性和振动幅度，反映结构稳定性和动态性能。

5. 电气与控制系统性能测试（适用于电动系统）：

检查驱动装置（电机、减速器）的效能和稳定性；评估电气控制系统（传感器、控制器、执行器）的可靠性、响应速度和安全性，包括紧急停止功能、接地电阻、防护等级（IP代码）等。

6. 环境与耐久性测试：

环境适应性：评估系统在不同温度、湿度条件下的运行可靠性。

寿命测试：通过加速老化试验或模拟长期运行，预测系统和关键部件的使用寿命和维护周期。

噪音水平测试：测量系统运行时产生的噪声，评估是否符合环保和职业健康标准。

7. 系统专项性能测试：

密封性测试：对于气动系统或要求密闭输送的系统，检测管道网络和连接处的泄漏率。

输送效率与能耗测试：测定系统在标准状态下的输送能力、速度和单位能耗，评价其经济性。

定位与控制精度测试（对于智能系统）：测试运输车在管道内的定位准确性、调度指令执行的准时性。

此外，也有一些专门的性能检测设备和方法，例如用于检测“臂内管路输送系统”性能的设备，它可以模拟极限工况，分析最小截面和所需最小推力。

智能管网

六、发展难点与重点

管网运送机械系统的进一步发展，面临以下几方面的难点和需要关注的重点：

1. 长距离输送的效率与能耗：

如何克服摩擦阻力、流体阻力，实现经济高效的长距离运输是一个持续挑战。重点是优化动力配置、减少能量损失、开发低阻力材料或涂层。

2. 复杂管网的协调控制与调度（对于智能物流管道系统）：

当管道网络变得庞大复杂时，如何实现大量运输车的实时、高效、无碰撞的调度是一个巨大难点。需要强大的中央控制系统、快速可靠的通信网络以及智能化的路径规划算法。

3. 可靠性、耐久性与维护成本：

尤其是对于工业输送系统，磨损和腐蚀是导致停机和高额维护成本的主因。重点在于开发新型耐磨耐腐蚀材料、优化易损件结构设计、以及预测性维护技术的应用。

4. 标准化与模块化设计：

目前许多系统（如管链输送机）还比较依赖于经验设计，缺乏统一的标准和计算方法。推动组件、接口和通信协议的标准化与模块化，对于降低成本、加快部署和便于维护至关重要。

5. 特殊环境下的适应性：

如在极端温度（高温或超低温）、高湿度、腐蚀性、防爆（Ex）等环境下稳定运行，对材料、电机、传感器和控制系统的选型与设计提出了特殊要求。

6. 初始投资与经济效益的平衡：

特别是对于构建新型城市地下物流管道网络，高昂的初始基础设施建设投资是推广的最大障碍之一。需要进行细致的可行性研究和商业模式创新。

七、关键技术攻关方向

针对上述难点，未来的技术攻关可聚焦于以下方向：

1. 新材料与应用技术：

研发高强度、高耐磨、自润滑的聚合物复合材料、陶瓷金属复合材料（Cermet）用于制造链片、盘片和导轨。开发耐腐蚀、轻量化的合金（如高性能铝合金、钛合金）及复合材料（如碳纤维增强树脂基复合材料）用于制造管道、运输车体。探索表面工程技术（如热喷涂、激光熔覆、PVD/CVD涂层）在提高关键部件表面性能中的应用。

2. 智能运维与状态监控技术：

集成传感器系统（振动、声学、温度、RFID）实时监测链条张紧度、轴承状态、物料流、运输车位置和系统健康状态。发展基于大数据和人工智能的预测性维护模型，提前预警故障，变被动维修为主动预防，减少意外停机。利用数字孪生技术构建系统虚拟模型，进行仿真优化、故障诊断和操作员培训。

3. 高效动力与驱动技术：

优化气动/液压系统设计，提高能量转换效率。开发高效、紧凑、低噪的永磁同步电机、伺服驱动器用于电动运输车。研究非接触式能量传输（如感应供电）技术，消除物理接触磨损，提高可靠性。

4. 标准化、模块化与系统集成：

推动管道、连接器、接口、通信协议的行业标准和国际标准的制定。设计高度模块化的系统组件，便于快速安装、扩展和维护。加强机械、电气、控制和软件的跨领域系统集成能力。

5. 优化设计与先进制造：

运用拓扑优化、计算流体动力学（CFD）、离散元分析（DEM）等工具优化部件结构（如低阻力管道内壁形态、高效叶片设计）和系统流程。应用增材制造（3D打印）技术生产传统方法难以加工的高复杂度、轻量化定制部件。

八、前沿进展与发展趋势

管网运送机械系统领域正呈现一些前沿进展和趋势：

1. 智能化与数字化深度融合：

物联网（IoT）、5G通信、边缘计算、人工智能（AI）等技术正更深入地集成到管网运输系统中。例如，基于AI的调度算法正在优化复杂网络下的物流效率；基于IoT的传感器网络实现了对系统健康状况的实时感知。