目前，地鐵隧道豎井出渣用垂直提升皮帶機多為波狀擋邊帶式輸送帶，但由于波狀擋邊結構的特殊性，導致清渣困難的問題；這已成為限制其在豎井施工出渣應用推廣的主要因素。
振動清掃器是一種簡單有效的波狀擋邊輸送帶清掃裝置。傳統的振動清掃器主要針對煤礦等含水量和粘性較小的散裝物料進行設計，由於其產生的振幅較小導致無法將粘性較大的渣料有效的清除，部分渣料被帶回回程分支，造成改向滾筒託輥汙染，影響輸送帶正常運行。部分殘留渣料被帶回豎井，造成豎井內渣料大量堆積，後期清理非常困難，不僅增加人工清理的成本和勞動強度，且造成施工場地嚴重汙染。針對上述情況和傳統振動清掃器的缺點，設計了一種適用於粘性渣料的新型振動清掃器，以解決輸送帶清渣困難的問題。
傳統振動清掃器在滾輪表面均勻焊接圓鋼，通過凸起的圓鋼作用于波狀擋邊輸送帶的非工作面，使輸送帶產生振動；該結構產生振幅較小，且滾輪不能自由轉動，容易造成輸送帶磨損，如圖1 所示。
新型振動清掃器結構由拍打器、軸承座和電機組成；其中拍打器由兩個對稱布置的緩衝託輥組成，託輥表面包裹橡膠且能夠自由轉動；拍打器通過軸承座布置於機架上且能夠上下移動實現振幅大小調節，如圖2 所示。
1. 軸承座 2. 緩衝託輥 3. 電機 4. 波狀擋邊膠帶振動清掃器通常設置在輸送帶回程分支處，其工作原理為：採用變頻電機驅動由緩衝託輥組成的拍打器旋轉，打擊輸送帶的非工作面，輸送帶獲得穩定的強迫振動的激振力，使輸送帶產生振動，在慣性力作用下將附著於輸送帶上的粘性渣料振打脫落，從而實現輸送帶清掃的目的。
與傳統振動清掃器相比，新型振動清掃器主要存在以下優點：
1）由於與接觸輸送帶的緩衝託輥表面包裹橡膠且託輥能夠轉動，避免了振動清掃器與輸送帶之間的滑動摩擦而損壞輸送帶。
2）電機採用變頻控制實現振動清掃器無極調速，通過調節轉速獲得合適的輸送帶振動頻率。
3）振動清掃器通過上下調節，實現振幅大小的控制，以取得最佳清渣效果。雖新型振動清掃器有諸多優點，但其振動頻率、振幅及布置位置等主要參數的取值與輸送帶的橫向振動特性相關。因此，必須合理匹配各參數之間的關係才能達到最佳清渣效果，並避免輸送帶產生共振現象。
振動振幅和振動段輸送帶的振動加速度影響振動清掃器的工作效果。在進行設計時，應在彌補輸送帶彈性變形產生的位移前提下，減小輸送帶振動振幅，尤其應避開輸送帶共振頻率，提高振動段輸送帶的振動加速度。
工作時，振動清掃器在輸送帶作用下處於強迫振動狀態，為了降低次要因素的影響和計算量，對振動段輸送帶進行以下假設
1）由於輸送帶為柔性體，且託輥間距較大，故計算時忽略輸送帶的彎曲剛度。
2）輸送帶在工作時，考慮運動速度對輸送帶橫向剛度的影響。
3）將託輥支撐近似為簡支結構。
4）兩託輥組間輸送帶張力相同。
5）分析時不考慮輸送帶的阻尼。
6）僅分析系統穩態響應，忽略強迫振動瞬態響應。
根據設定條件將振動段輸送帶近似為兩端簡支的軸向運動弦線數學模型。通過建立平面坐標系表示簡諧激勵下運動輸送帶橫向振動模型，如圖3 所示。其中V 為輸送帶運行速度，L 為託輥間距，T 為輸送帶張力；輸送帶在坐標軸面內做平面垂直振動，縱坐標代表輸送帶的垂直方向位移，用u = u ( x, t ) 表示，為橫坐標x 和時間t 的函數。
根據哈密頓原理並參考Wickert 和Mote 關於軸向運動弦線模型解析方法，建立振動清掃器作用下運動輸送帶的橫向振動動力學微分方程
式中：ρ 為輸送帶單位長度質量，a 為彈性波沿弦向傳播速度。
橫向運動連續體強迫振動的固有頻率與系統的初始條件無關，故上式微分方程中未列出運動輸送帶的初始條件表達式。
振動清掃器的激振力作用於輸送帶上表面，使輸送帶產生振動加速度將附著物清除。通過理論分析可知，該激振力為簡諧激勵，其表達式為
由連續體振動系統的簡諧激勵穩態響應的性質可知，在簡諧激勵作用下，穩態響應的頻率與激勵頻率相同，但相位滯後於激勵頻率。根據復頻率響應特性，將穩態響應轉換為複數形式，穩態響應可表示為
式中：u(x) 為輸送帶垂直方向位移的振幅或相反數，θ(x) 為振動響應的相位差，U(x) 為輸送帶垂直方向位移的復振幅，即 U(x)=u(x)eiθ(x)
由於B 和C 不同時為零，由式（8）和歐拉公式，可導出系統的頻率方程
根據複數相等條件可知
波狀擋邊輸送帶在運行時存在兩種激振力作用：託輥偏心產生的激振力和振動清掃器作用產生的激振力，因此必須合理匹配託輥激振頻率、振動清掃器激振頻率與輸送帶固有頻率之間的關係，才能有效的控制輸送帶的橫向振動，保證輸送帶的平穩運行。由於輸送帶和振動清掃器啟動、制動等瞬態工況作用時間較短，因此僅從穩態工況下分析輸送帶的橫向振動。
為避免輸送帶產生共振，振動清掃器激振頻率fq、託輥激振頻率fr 與輸送帶固有頻率fn 關係應滿足條件
式中：Δ f 為頻帶寬，鋼繩芯輸送帶Δ f=1。託輥激振頻率為
式中：v 為輸送帶運行速度，d 為託輥直徑。在設計計算時，由於輸送帶的高階固有頻率比託輥激振頻率、振動清掃器激振頻率高，故在設計時，一般保證託輥激振頻率、振動清掃器激振頻率滿足
式中：f0 為輸送帶的基頻，由式（12）可得
由式（18）可知，影響輸送帶固有頻率的主要因素為託輥間距、張緊力、輸送帶單位質量、輸送帶運行速度。託輥間距、輸送帶運行速度、輸送帶單位質量增大，引起輸送帶固有頻率減小；張緊力增大，引起輸送帶固有頻率增大。
在波狀擋邊輸送帶設計時，除需考慮輸送帶常規設計所需外，還需考慮振動清掃器造成的輸送帶振動現象，以防止振動清掃器作用段輸送帶產生共振導致輸送帶振動過大或設備損壞等問題。以某波狀擋邊垂直提升輸送帶為例進行設計計算，尋找振動清掃器頻率與輸送帶固有頻率的合理匹配關係，並得出輸送帶各參數的合理取值範圍。
某波狀擋邊垂直提升輸送帶初步設計參數如下：電機功率為110 kW，運量為750 t/h，提升高度為25 m，整機長度為50 m，帶寬為1 400 mm，託輥直徑為133 mm，輸送帶單位長度質量為63.9 kg/m，回程輸送帶張力為22 ～ 48 kN，帶速為0 ～ 3.15 m/s，託輥組間距為1.0 m。振動清掃器參數如下：旋轉直徑為500 mm，轉動頻率為0 ～ 6 Hz，振幅為0 ～ 50 mm，旋轉方向與頭部滾筒一致。由于振動清掃器包含兩組180°布置的託輥，其作用於輸送帶上的頻率為振動清掃器轉動頻率的2 倍，即振動清掃器作用於輸送帶上的頻率為0 ～ 12 Hz。
如圖4 所示，隨著輸送帶運行速度的增大，輸送帶固有頻率隨之降低，但總體影響較小，輸送帶從啟動到正常運行過程中，固有頻率均大于振動清掃器激振頻率和託輥激振頻率。因此，輸送帶運行速度變化不會造成共振現象。
1. 輸送帶一階固有頻率 2. 振動清掃器激振頻率 3. 託輥激振頻率。如圖5 所示，輸送帶固有頻率隨託輥間距增大而減小，且當託輥間距處於0.9 ～ 1 m 之間時，振動清掃器頻率接近輸送帶固有頻率，從而發生共振，導致輸送帶及附屬機架振幅過大造成損壞；當託輥間距小於0.9 m時，輸送帶固有頻率大于振動清掃器頻率，垂直提升皮帶機在振動清掃器作用下正常運行，不會產生共振現象；託輥間距在0.5 ～ 1.2 m 之間時，輸送帶固有頻率均大於託輥激振頻率，託輥轉動不會引起輸送帶共振。
1. 輸送帶一階固有頻率 2. 輸送帶一階固有頻率最小取值 3. 振動清掃器激振頻率 4. 託輥激振頻率如圖6 所示，隨著輸送帶張力的增大，輸送帶固有頻率隨之增大；在張力為25 kN 左右時輸送帶固有頻率與振動清掃器頻率相等，振動清掃器在此張力區域內工作可能產生共振現象；在此張力範圍內，託輥激振頻率小於輸送帶固有頻率，託輥轉動不會造成輸送帶共振；為了避免共振，輸送帶固有頻率應大於輸送帶一階固有頻率最小取值，即，當振動清掃器布置在輸送帶張緊力大於30 kN 位置處時，可以避免輸送帶共振。
1. 輸送帶一階固有頻率 2.輸送帶一階固有頻率最小取值 3.振動清掃器激振頻率 4. 託輥激振頻率由圖7 可知，隨著輸送帶單位長度質量的增大，固有頻率隨之減小；但輸送帶單位長度質量受帶強選型影響較大，因此在滿足垂直提升皮帶機運量和帶強的條件下，儘量降低輸送帶的單位長度質量。
1. 輸送帶一階固有頻率 2. 輸送帶一階固有頻率最小取值 3. 振動清掃器激振頻率 4. 託輥激振頻率綜上所述，在輸送帶設計時，輸送帶運行速度通常為0 ～ 3.15 m/s，在此範圍內輸送帶固有頻率變化較小,可以忽略不計；輸送帶單位長度質量受眾多其他因數限制，變動範圍有限。因此，輸送帶固有頻率主要影響因素為輸送帶張力和託輥間距。通過分析可知，當振動清掃器作用處輸送帶張力大於30 kN 且託輥間距小於0.9m 時，可有效地防止振動清掃器產生的激振力造成輸送帶共振的風險，保證良好的清掃效果。
文章設計了一種新型的振動清掃器，建立了振動清掃器作用下輸送帶的軸向運動弦線模型，導出了輸送帶的固有頻率計算公式，分析得出了影響輸送帶振動特性的主要因素；通過工程實例得出輸送帶固有頻率隨其影響因素的變化規律及影響程度，並得出了振動清掃器作用處輸送帶張力和託輥間距的取值範圍，從而保證輸送帶在不產生共振的前提下，具有最佳的清渣效果。
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