大柳塔選煤廠膠帶機帶式逆止裝置強度分析與安裝

白劉貴

摘 要：針對大柳塔選煤廠膠帶機帶式逆止裝置保護在設計、加工安裝過程不規范，導致膠帶機故障停車時帶式逆止裝置不起作用。因此對膠帶機帶式逆止裝置進行了強度計算，并進行分析，提出了對帶式逆止裝置加工過程材料規格型號、焊接、安裝要求等。從而提高膠帶機保護效果，降低膠帶機的故障停車后反轉事故，提高選煤廠生產效率。

關鍵詞：膠帶機；帶式逆止裝置；強度校核；安裝要求

中圖分類號：TD94 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0022-04

Abstract： The belt backstop protection of belt conveyor in Daliuta Coal Preparation Plant is not standard in the process of design， processing and installation， which causes the belt reverse stop device to be ineffective when the belt machine fails to stop. Therefore， the strength of belt reverse stop device of belt conveyor is calculated and analyzed， and the material specification， welding and installation requirements of belt reverse stop device are put forward， in order to improve the protective effect of belt conveyor， reduce the reverse accident after the fault stop of belt conveyor， and improve the production efficiency of coal preparation plant.

Keywords： belt conveyor； belt backstop； strength check； installation requirements

1 概述

膠帶機是選煤廠重要的運輸設備，其主要的功能是實現物料的遠距離運輸。由于從原煤從篩分、主洗、產品倉通過膠帶機運輸，需要一定的傾角，有的膠帶機減速器沒有逆止器，在膠帶機故障停車，造成傾斜膠帶機反向轉動，為此神東洗選中心各選煤廠傾斜膠帶機必須安裝帶式逆止裝置保護，由于帶式逆止裝置屬于非標加工件，在加工時沒有設計、加工標準隨意，導致加工出現帶式逆止裝置不起作用。為此對帶式逆止裝置設計和強度校核，并對加工材料選擇、加工要求進行說明是必不可少，同時明確對帶式逆止裝置安裝規范。

2 膠帶機帶式逆止裝置工作原理

膠帶機帶式逆止裝置工作原理是指帶式輸送機停車制動裝置裝于傾斜帶式輸送機的頭部滾筒奔離點處停車時逆止帶，卷進滾筒與輸送帶之間從而達到膠帶機的制動。

3 大柳塔選煤廠膠帶機逆止裝置現狀分析

3.1 膠帶機運行中存在問題

選煤廠膠帶機運輸物料多數存在一定的高度提升，當膠帶載物料運行時，如果出現突發性事件，比如突然斷電，突發事故停車等事故時，在驅動力停止的瞬間，最初由于慣性膠帶會繼續運行，這樣處在膠帶機下方的刮板有可能產生堆積煤，影響刮板的正常啟動，在膠帶機正向運轉停止下來后，由于存在上升角度，這樣由在上升段物料重力所產生的向下運動的趨勢會可能導致膠帶的逆運行，這種膠帶機的逆轉同樣在生產中是極其有害的，會導致膠帶機機尾堆煤，影響正常起車，嚴重時如果沒有及時清理而起車時，會拽斷膠帶，如果堆積嚴重外泄則會阻塞膠帶機走廊，同時當煤粘在皮帶滾筒上時會帶來運行跑偏隱患。所以在生產中應該盡最大努力消除這種有害現象的發生。

3.2 大柳塔選煤廠膠帶機現狀分析及存在問題

大柳塔選煤廠逐步在所有傾角的膠帶上都配備了作為輔助逆止裝置的皮帶逆止裝置。經過統計大柳塔選煤廠共有膠帶40余條，其中包括手選帶8條，由于帶速低沒有設置逆止裝置，還有10條水平皮帶也沒有安裝逆止裝置，其余22條都同時安裝了2種或2種以上的逆止裝置。在運行過程中有帶式逆止裝置設計和加工不合理，以及安裝不合理，出現了帶面磨損加劇；觸帶不夠起不到逆止效果，以及鋼材規格選擇不統一，造成強度不同。

為此要對帶式逆止裝置的加工強度校核、材料選擇進行說明，確保給膠帶安裝制動裝置和逆止裝置起到作用。制動器的主要作用是阻止膠帶正方向運行，大柳塔選煤廠膠帶機主要使用抱閘；逆止裝置的主要作用就是實現皮帶逆運行時的制動作用。兩者在實際生產中是相輔相成的。

大柳塔選煤廠的膠帶逆止裝置主要有以下幾種：

（1）減速器自帶逆止裝置，一般在減速器的高速端，及一級傳動軸非驅動側，如410膠帶機使用的道奇減速器；也有在二級傳動軸非驅動側安裝的。

（2）驅動滾筒非驅動側逆止裝置。

由于大柳塔選煤廠使用的帶式逆止裝置的設計是根據大柳塔選煤廠參照相關皮帶逆止裝置標準自行加工安裝的。在膠帶機實現正常逆止的情況下還沒有對皮帶逆止裝置進行相關力學理論分析，計算。因此一條膠帶除皮帶逆止裝置外其他逆止裝置都不運行時，皮帶逆止裝置到底可不可以實現膠帶逆止，皮帶逆止裝置能不能滿足強度要求，原來都沒有進行計算。因此對膠帶機帶式逆止裝置進行強度校核是有必要的。

4 大柳塔選煤廠膠帶機逆止裝置強度校核

4.1 大柳塔選煤廠410膠帶機膠帶受力分析

以大柳塔選煤廠410膠帶技術參數為例，對膠帶機的帶式逆止器進強度校核。endprint

當膠帶機正常停車時，及膠帶上沒有物料時，制動器會自動制動，使膠帶機停止，由于皮帶自身摩擦力的作用不會出現逆止運轉。

當膠帶機載有物料時，可以通過分析得出：對于傾斜輸送機，通過輸送帶作用于傳動滾筒上的最大逆轉力出現在輸送機承載段只有上升段滿載，而其他段為空載的條件下，具體見以下計算說明。

（1）皮帶正方向運轉受力分析

m，m1，m2為三段的物料質量，θ為皮帶爬坡傾角。

皮帶正方向運轉時有：F=（m1+m2）g·f+mg cos？茲成立，由于v是恒定值所以沒有加速度。F為驅動力，g為重力常數，f為摩擦系數。

（2）故障停車受力分析

當出現停車時，由于沒有了正方向的驅動力，而提升段卻能產生向下的動力，所以有：mg sin？茲-[（m1+m2）g·f+mgf cos？茲]=（m1+m2+mg cos？茲）a

要出現最大的加速度a從而產生最大的v1那么對于等式的左邊而言，只能是減少[（m1+m2）g·f+mgf cos？茲]的數值，由于m是驅動力的來源，所以只有m1+m2=0時才有最大的a值。所以有：對于傾斜輸送機，通過輸送帶作用于傳動滾筒上的最大逆轉力出現在輸送機承載段只有上升段滿載，而其他段為空載的條件下。

如圖，對于L長度皮帶物料總重力G=L·qG·g=qG·g·■

由于傾斜力只有沿？茲方向才產生逆轉作用力，所以沿？茲方向G的分力G'=G·sin？茲=qG·g·H

為阻止逆轉，傳動滾筒上需要逆止力FL，

FL=Fst-0.8fg[L（qRO+qRu+2qB）+（H×qG）÷sin？啄]

Fst：傾斜阻力Fst=qG×g×H=15555.55n

qG：每米輸送物料質量（kg）：105.83

g ：重力加速度，一般取9.8n/kg

H：輸送機受料點與卸料點高差（m）：15

f：模擬摩擦系數（工作環境好，制造良好，帶速低取0.02；多塵，過載，高帶速，安裝不良，托輥質量差，取0.023-0.03；按標準設計制造，調整好，取0.022。根據410膠帶工作環境，帶速取0.026）

qRo：輸送機承載分支每米托輥旋轉部分質量（kg）： 20.8

qRu：輸送機回程分支每米托輥旋轉部分質量（kg）： 6.7

L：輸送機長度：196m

δ：輸送機上傾角：12.5°

qB：承載或回程分支每米輸送帶每米質量（kg）：15

FL=13801.15N

作用于傳動滾筒上的逆止力矩，

M'L=（FL×D）÷2000=6.9kn·m

減速器高速軸上需要的逆止力矩：

ML=M'L÷（？濁·i）=0.244kn·m

現在來計算僅有皮帶逆止裝置工作時的狀況：

根據洗選中心下發的關于帶式逆止裝置安裝標準，結合經濟性，實用性410選擇了與運載皮帶相同規格的皮帶NN300×1200×5（3+1.5）作為逆止裝置用皮帶，皮帶逆止裝置包括三部分組成：皮帶：M20×45螺栓8顆，1200mm槽鋼支架。

4.2 皮帶強度受力校核

分析皮帶逆止裝置的受力可知道：對于處于逆止作用的皮帶可分為四部分：第一部分是被壓在滾筒和載料皮帶中間主要受壓應力的皮帶，第二部分是槽鋼與滾筒之間的皮帶，主要受拉應力，第三部分是處于壓應力和拉應力之間的過度皮帶，第四部分是被螺栓固定的皮帶，這四部分中受集中作用力的是第三部分和第四部分。

現在計算假設皮帶逆止裝置其他裝置都是理想的情況下第三部分的受力（對于第四部分受力將分為倆部分一部分在螺栓部分驗證）：

由NN300×1200×5（3+1.5）知道皮帶每層扯斷強度為300N/mm，皮帶共有5層，其中上層膠3層（工作面），下層膠1.5層（非工作面），查工具書DTΙΙ（A）型帶式輸送機設計手冊知道NN300×1200×5（3+1.5）膠帶每層厚度1.25mm，膠帶在受力是會伸長，同樣可查伸長率為1.5%～2%，取最大伸長率2%，則對于帶寬1200mm的皮帶最小橫截面為

s=1200×6.13=7356mm2，

拉斷最小橫截面需要拉力

F=s×300×5=110340kn>>13.80115kn，

這說明在皮帶產生最大的傾斜拉力時皮帶是安全可靠的；對于第四部分（即是被打孔的橫截面的強度）：由M20×45知道每顆螺栓最大直徑20mm，假設8顆螺栓在同一水平線上，這時皮帶的抗拉強度最小，最小值F=300×5×6.13×（1200-20×8）=95628kn>>13.80115kn，于是我們可以知道皮帶抗拉強度對與物料所產生的拉力是完全可以承受的。

4.3 帶式逆止器連接螺栓強度校核

在皮帶逆止裝置中螺栓主要受兩個方向的作用力，分別是沿軸向的力，這個力主要是預緊力，和垂直與軸向的剪切力。

以Q235鋼材為原料制成的M20×45螺栓的相關數據為：

抗拉強度 ？滓B：410-470 MPa

屈服強度 ？滓S：240 MPa

疲勞極限：彎曲？滓-1：170-220 Mpa

拉壓？滓-11：120-160 Mpa

對于單個螺栓有（有預緊力的情況下）：

抗拉：[？滓]1=■=171.43Mpa

n：安全系數，有預緊力時取1.2-1.5 這里取n=1.4

抗剪切：[？子]=■=96Mpa

這里需要注意的是，這里計算出的抗拉強度，抗剪切強度都是理論最大值，而且對于抗拉強度的安全系數取的值偏大，從計算中可以看出，同種螺栓的抗剪切強度小于抗拉強度，考慮到實際皮帶逆止裝置螺栓受力主要是受剪切力，而且軸向力是總拉力的一個分力，假設總拉力都作用成剪切力，如果能滿足剪切力要求的話，螺栓軸向受力肯定能滿足要求。endprint

下面檢驗螺栓在最大皮帶拉力作用力全部為剪切力情況下的受力：

p=■=■=43.95Mpa<96Mpa

注意43.95Mpa這個計算值是單個螺栓在受全部載荷時的剪切力，按照設計要求安裝8-10顆M20×45螺栓的要求，所以單個螺栓受力為4.45-5Mpa.410皮帶逆止裝置實際使用8顆螺栓，所以單個受力為5.5Mpa<<96Mpa.所以螺栓能夠承受理論最大剪切力。

下面就螺栓預緊力對皮帶的壓力影響做一下分析（皮帶部分的補充）：

P0=？滓0×AS=58800n

P0=螺栓預緊力

？滓0=（0.5-0.7）？滓S

AS=螺紋危險截面的面積，查表取245mm2

假設8顆螺栓全部預加最大拉力，則能產生作用力為：

F=8×P0=470400n

對于NN300×1200×5（3+1.5）尼倫皮帶在被夾皮帶部分可承受最大作用力為：

F=300×0.168×106=50.4×106n>>0.47×106n

所以螺栓滿足強度要求。

4.4 帶式逆止器槽鋼的強度的校核

槽鋼牌號按14a，進行驗證。

焊接端口的受力。

由于設計要求使用的槽鋼與皮帶托輥支架槽鋼規格相同，加上皮帶托輥支架槽鋼是槽向內開口，所以如果直接安裝的話槽鋼只有上下兩翼緣被焊接，強度肯定不能滿足要求。在實際安裝過程中都是切除部分翼緣盡可能使腹板和托輥支架槽鋼腹板進行焊接從而得到較大的焊接面。

理論焊接面積為S=6×（140-9.5×2）×0.8=580.8mm2

其中：槽鋼腹板厚d=6mm； 140：槽鋼高h=140mm

9.5：槽鋼翼緣厚；0.8：焊接有效系數

我們通常使用的焊條為E4303型焊條（即是J422）。

則能承受的應力為：

F=580.8×420×106=243936N≈243.94kn>13.8kn

現在驗證槽鋼整體在受到拉力作用時的受力.通過分析受力可得以下彎矩圖：

由彎矩圖知道，產生應力集中的地方是邊緣焊接點和對稱中心，而且焊接端承受的彎矩為中心的12倍，中心承受最大的變形，邊緣承受最大剪切力：

槽鋼受最大彎矩：M=■=17665.472n·m

槽鋼受最大剪力：F■=■=11040.8n

驗證拉力強度：Wx=■=103.9cm3

查機械設計手冊，知道14a槽鋼WX=80.5cm3<103.9cm3

所以實際中槽鋼截面彎曲系數小于設計要求值。

驗證剪切力強度：

？子max=■

F■：剪切力

Smax：槽鋼簡化尺寸下面積

IX：14a槽鋼慣性矩，查表的IX=564cm4

d：槽鋼的腹板厚度

帶入數值τmax=59.6 Mpa<100 Mpa的材料特性

可見槽鋼抗剪切滿足要求。

綜上所述從上面驗證可以知道，槽鋼的抗拉強度不足，抗剪切力強度滿足，在實際生產中如果我們采用了雙槽鋼焊接固定的話（即有單個槽鋼的見面彎曲系數WX=103.9÷2=51.95cm3<80.5cm3），那么槽鋼就能滿足設計要求。但是實際情況是我們只對其中一條槽鋼實施了焊接，另一條只做背板，做加強使用，所以整個槽鋼的抗拉特性就處在51.95cm3～103.9cm3之間，即在滿足與不滿足之間徘徊。

4.5 帶式逆止器強度的校核結論及注意事項

綜合以上各方面因素，得出的結論是410膠帶機皮：對于皮帶逆止裝置相關的三要素中，皮帶和螺栓在正常情況下是能滿足強度要求的，只有槽鋼的抗拉力學特性有范圍的波動，在滿足與不滿足之間，所以皮帶逆止裝置理論的最薄弱環節是槽鋼，而且還是在承受拉力時。還需要注意一點的是，上面的驗算沒有考慮槽鋼因為開孔而減少的剛度，所以實際的波動會比最大截面彎曲系數要求值還要大一些。這和大柳塔選煤廠在實際工作中發現皮帶逆止裝置最容易出問題的是槽鋼的變形而不是皮帶和緊固螺栓的客觀事實相吻合。所以加強槽鋼的抗拉力學特性是提高皮帶逆止裝置大規模推廣使用的關鍵。

（1）總的說來皮帶逆止裝置由于其制作簡單，具有一定效果，相對于其他機械式逆止裝置來說更是具有幾乎不需要任何維護的優點，在我們洗選中心的作為逆止的輔助措施總的說來是成功的，但是由于自身的一些無法克服的狀況也限制了它的有效推廣。

（2）對于螺栓的預緊力的把握有條件的盡可能使用扭矩扳手，保持每個螺栓受力相同。

（3）槽鋼的選擇盡可能的沒有缺陷，開口要交替錯開，不要應力集中，從彎矩圖中可以知道，如果要發生變形，那么在中部是最容易的，所以，槽鋼的開口應盡可能靠向兩翼。減小中間強度損失。

（4）皮帶開口盡可能的有一定的錯開；槽鋼的腹板有條件的話最好添加一些筋板，加強中心剛度，槽鋼的焊接注意焊接工藝的選擇，保證最大程度減少應力集中。

（5）槽鋼與托輥架連接處盡可能添加一些筋板。

5 帶式逆止器逆止裝置安裝標準

帶式逆止器加工選擇材料不合適導致起不到逆止效果，并且安裝不合適膠帶機膠帶加劇磨損，為此必須按照以下要求安裝，可以提高使用周期。

（1）傾斜膠帶機應有高速或低速逆止器，不具備條件安裝的，須安裝帶式逆止裝置。

（2）逆止器儲帶部位應選用50mm*50mm的扁鋼制作，端頭必須焊接牢固。

（3）逆止膠帶緊固端應選用槽鋼焊接到機架或縱梁上，用相同規格的槽鋼與固定槽鋼用螺栓緊固夾緊帶面，不允許焊接。

（4）儲帶部位的角鋼與滾筒的距離保持在500mm～800mm為宜，儲帶扁鋼前后端距離一般在600mm～800mm之間。

（5）導向管的正下方應焊接不小于14#槽鋼，并且要求立放。

參考文獻：

[1]成大先.機械設計手冊[M].化學工業出版社.

[2]JB/T 9015-2011.帶式輸送機用逆止器[S].

[3]DTⅡ（A）型帶式輸送機設計手冊[M].冶金工業出版社.endprint