礦用皮帶自動收放裝置的設計及校核

龐玉龍

(大同煤礦集團 電業公司，山西 大同 037003)

1 裝置簡介

1.1 概 述

礦用皮帶自動收放裝置是為了實現井下巷道(煤巷、巖巷、半煤巖巷以及出煤系統)皮帶機的皮帶自動收放、起吊轉運作業而設計的[1-2]. 該裝置使井下帶式輸送機皮帶的收放作業更加快速、科學合理、安全可靠，提高了井下作業的自動化和機械化程度，達到了提高作業效率，安全有序進行生產的目的。

1.2 裝置組成及主要功能

該裝置由多個組件組合而成，包括主傳動組件、起吊轉向組件、導向組件、手剎組件以及機架與底座組件等，可實現卷帶或放帶、起吊轉向、導向、制動等功能，適用于長距離，帶寬為800～1 000 mm的皮帶機組。各組件裝拆簡單，操作方便，主要功能組件如下[3-4]：

1) 主傳動組件。

該組件主要由電機、減速機、聯軸器、傳動軸、接頭、卷軸或放帶滾筒以及軸承和軸承座等部分組成，主要用于實現卷帶和放帶功能。

2) 起吊轉向組件。

該組件主要由軸承、軸承套、方鋼和圓鋼等組成，主要用于將卷好的輸送帶吊起，并將其轉載到運輸車中。

3) 導向組件。

該組件主要由托輥、托輥架等組成，主要用于實現輸送帶在被卷上卷軸之前的規整作用，防止輸送帶卷偏。

4) 手剎組件。

該手剎組件主要由制動鋼帶、制動石棉帶以及一些安裝用的底座等組成。其結構簡單，可實現在緊急情況下對皮帶自動收放裝置的制動，預防事故的發生。

5) 機架與底座組件。

機架部分主要由14b槽鋼和角鋼焊接而成，強度足夠，并設計有斜撐部分，加強了結構的穩定性。

機架焊接在底座上，與機架連為一體，底座為整個裝置提供安裝底座。由于要求該裝置設計成組合式，方便在井下裝拆，因此將底座也設計成組合式。底座為兩部分，用連接鋼板通過螺栓連接，達到可拆卸的目的。

2 主傳動組件設計

卷帶裝置主傳動部分原理見圖1. 電機通過聯軸器和減速機相連，減速機輸出軸經聯軸器和傳動軸相連，傳動軸通過接頭連接卷軸，實現皮帶的卷取[5].

1—隔爆電機 2—聯軸器I 3—蝸輪蝸桿減速機 4—聯軸器II 5—傳動軸1 6，7，11—調心球軸承 8，10—接頭 9—卷軸 12—傳動軸2圖1 主傳動原理圖

2.1 電機和減速機的選型設計

由《礦山運輸與提升設備》可知，上托輥段皮帶運行阻力WS為：

式中：

g—重力加速度，m/s2，取9.8；

qd—皮帶線密度，以800mm寬，ST2000膠帶為例，抗斷拉力為200×800=160 000kg，取qd=10.1kg/m；

G′—上托輥重量，kg，取28；

L—皮帶總長，m，取1 000；

ω′—上托輥阻力系數，取0.03.

代入數據計算得，WS=5 712N

由《礦山運輸與提升設備》查得，下托輥段皮帶運行阻力WX為：

式中：

ω″—下托輥阻力系數，取0.025；

代入數據計算得，WX=3 525N

卷帶時張緊松開，總的運行阻力FZ近似為：

FZ=c(WS+WX)

(3)

式中：

c—附加阻力系數，取1.1.

按最大卷帶外徑1.2m計算，取半徑R=0.6m，最大轉矩Tm=FZ·R=6 173.6Nm.

根據上述計算，減速機選用JS400齒輪-蝸桿減速機，電機選用YB2系列防爆電機。

2.2 傳動軸的設計

1) 傳動軸1的設計。

傳動軸1主要作用是傳遞減速機的輸出扭矩，帶動卷軸轉動，完成主要的卷帶功能。傳動軸l結構形式采用階梯軸形式，由四階構成，第一階與減速機輸出軸通過聯軸器相連，第二階上裝軸承座，同時軸承裝在第二階上，第三階作為軸的階梯部分，第四階與接頭相連，見圖2.

傳動軸所傳遞的最大扭矩按照減速機最大輸出扭矩(6 300Nm)計算，所選用減速機的輸出軸d80mm，選傳動軸1第一階d80mm，軸長應和標準聯軸器的半聯軸器相適應，故選用的長度為95mm，選用B型鍵，鍵的規格為寬22mm×高14mm×長90mm. 鍵槽長取90mm. 傳動軸1第二階與軸承相配合，由于第一階軸徑是80mm，要做成階梯軸的形式，故取該段軸徑為90mm.

配合的軸承為調心球軸承，型號為1218，軸承寬度為30mm，由于要給軸承內圈定位，其直徑應考慮到軸承座孔的軸徑，故第三階軸徑取100mm. 第四階段軸和接頭相接，由于做成階梯軸形式，則必須比第三階軸徑要小，故d80mm，長度選80mm，采用B型鍵，規格為寬22mm×高14mm×長75mm，鍵槽取75mm.

圖2 傳動軸1圖

2) 傳動軸2的設計。

傳動軸2和傳動軸l的不同之處在于傳動軸2沒有和聯軸器連接，即沒有傳動軸1的第一、二階部分，其余均和傳動軸1相同，見圖3.

圖3 傳動軸2圖

3 導向與手剎組件設計

3.1 導向組件設計

1) 壓帶滾筒設計。

壓帶滾筒為水平布置，也稱水平托輥，主要調整卷帶時的水平進帶方向。根據帶寬800mm，選用標準托輥，托輥兩邊支架采用長孔形式，每邊采用兩個M20長螺栓固定，兩邊支架長度均為250mm.

2) 導向滾筒設計。

導向滾筒位于卷軸前側，分兩邊垂直布置，主要防止卷帶卷偏。根據機架卷軸中心高度lm，選用標準托輥。為了方便調整卷偏的程度，將導向滾筒的一邊設計成水平可調節的，效果圖見圖4.圖4中左邊的導向滾筒4個螺栓孔和機架的長條孔相連接，位置可調，使得兩個導向滾筒間的間距可調，增加了裝置使用的靈活性。右邊的導向滾筒直接和機架采用4個螺栓做固定連接，強度大，連接安全性好。

圖4 導向滾筒圖

3.2 手剎組件設計

手剎組件制動的部分扭矩應該盡可能較小，這樣施加的力比較小，容易設計和安裝。結合裝置實際情況，將手剎組件安裝在機架上，且正好跨過彈性柱銷聯軸器。該聯軸器(LMD3梅花聯軸器)傳遞的最大扭矩約為100Nm，是扭矩最小的地方，便于使用較小的力完成制動。結合機架實際情況，將手剎組件的底座選定為25b的槽鋼，然后用螺栓將兩個制動底座連接在槽鋼上，這兩個零部件采用螺栓與制動鋼帶連接，選用螺栓的規格為M10. 制動鋼帶上采用鉚釘與制動石棉帶鉚接，聯軸器凸緣外徑為160mm，寬度為72mm，為了制動可靠，故鋼帶的寬度選為80mm，石棉帶的寬度同樣選為80mm，石棉帶距離聯軸器外徑為2mm，厚度為5mm，鋼帶厚度為3mm. 石棉帶采用鉚釘鉚接在制動鋼帶內側，同時鋼帶和石棉帶應該彎成半圓形，扣在聯軸器凸緣上。因聯軸器凸緣外徑為160mm，為了使不制動時石棉帶和聯軸器不發生接觸，故將制動鋼帶和石棉帶彎曲成形后，取石棉帶最內側的半徑為82mm.

4 起吊轉向方案設計

在卷好一卷皮帶后，要求裝置能對卷好的皮帶起吊，并能輕便地轉向將其轉運到礦車上，方便下次卷帶作業。按800mm帶寬計算，100m一卷皮帶重約1.5t，要求起吊載荷按3t考慮，起吊和轉向要求能夠安全可靠地運行。

皮帶卷好捆以后，為直徑約1.2m、長約1.0m，重約1.5t的圓柱體。由人工將卷好的皮帶捆卸下并轉運，耗時耗力，并具有較大的危險性，故考慮設計將卷帶捆起吊并轉載裝車的自動裝置。可在起吊臂上設置一手動起吊葫蘆，利用手動葫蘆吊起卷帶捆，然后轉動起吊臂將卷帶捆轉向到軌道上的礦車上，再利用手動葫蘆放下卷捆到礦車中。

由方案設計確定起吊轉向組件下半部采取門框型結構，兩個支腿用螺栓連接在機架下面的底盤上，兩個支腿間用螺栓連接起吊橫梁；上半部為起吊連接與轉向以及起吊臂部分，起吊連接部分用螺栓連接在橫梁上，轉向部分上面連接起吊臂，起吊轉向組件效果見圖5.

1—起吊臂 2—起吊軸 3—門式橫梁架圖5 起吊轉向機構圖

根據機架高度和寬度，取起吊支腿高1.17m，為14號槽鋼對口焊接而成；橫梁長度是2m，由兩個16號槽鋼對口焊接而成。起吊連接部分用d219×10-760鋼管外加筋板加工而成，主要起增加高度作用，兩端采用螺栓連接。起吊轉向部件為軸承配合組件。由于起吊轉向組件工作時，軸同時受很大的軸向力和徑向力，故采用兩圓錐滾子軸承反裝，使起吊軸軸頸能同時承受軸向力和徑向力。起吊臂是連接重物和轉向部分的部件，為14號槽鋼對口焊接而成。

4.1 起吊臂的設計計算

起吊臂是直接工作手臂，在其上面掛葫蘆起吊卷帶捆。根據門型起吊架支腿在裝置中的位置及卷帶寬度確定起吊臂總長1 700mm，其中懸伸部分長1 330mm. 考慮到利用已有材料，起吊臂采用兩個14號槽鋼對口焊接而成，具體結構見圖6.

圖6 起吊臂結構示意圖

下面對起吊臂進行強度驗算。設卷帶捆最大重量30kN，卷帶捆懸掛位置離起吊臂連接中心距離為1.4m，則起吊臂最大彎矩Mmax為：

Mmax=F×l=30 000×1.4=42 000 (Nm)

(4)

由起吊臂截面尺寸，根據《機械設計實用手冊》計算截面特性：

回轉半徑：

ix=0.44h=0.44×140=61.6 (mm)

(5)

總面積：

A總=2(21.316+16)=74.632 (mm2)

(6)

式中，起吊梁截面寬21.316mm，高16mm.

慣性矩：

(7)

按《材料力學》計算抗彎截面系數和最大彎曲應力為：

由起吊臂材料Q235，取許用應力[σ+1]=120MPa，σmax<[σ+1]，故強度滿足。

4.2 起吊轉向部分的設計計算

起吊轉向部分為起吊軸頸用軸承支承在套筒內，套筒再用螺栓連接到下面的結構件，其中軸承選用圓錐滾子軸承32024. 起吊轉向部分的結構見圖7.

以下對起吊軸頸和軸承進行強度方面的計算校核。

起吊軸頸受力簡圖見圖8.其中，軸向力Fa1=0，Fα2=Fa=20kN；徑向力滿足Fr×l=F×L=M，即：

圖7 起吊轉向部分結構圖

圖8 起吊軸頸受力簡圖

式中：

l—兩圓錐滾子軸承的距離，mm，取150；

L—起吊臂的水平懸伸長，mm.

為減輕起吊軸軸頸重量，起吊軸軸頸采用空心軸，材料為45號鋼，軸頸外徑為120mm、內徑尺寸為70mm. 根據受力圖，軸頸強度按壓彎組合計算：

<[σ+1]=195 MPa

(11)

因此，軸頸強度足夠。

根據《機械設計實用手冊》對圓錐滾子軸承(32024)進行強度驗算。軸承當量靜載荷為:

Por=X0Fr+Y0Fa

(12)

式中：

Por—當量靜載荷，kN/m2；

X0—當量靜載荷系數；

Fr—徑向載荷，kN/m2；

Y0—當量靜載荷系數；

Fa—軸向載荷，kN/m2.

軸承32024參數：X0=0.5，Y0=0.7,e=0.46，cy=242kN，cor=405kN

故Por=X0Fy+Y0Fa=0.5×187+0.7×20=107.5 (kN) 當Por

所以s0por=1.5×187=280.5 (kN)

(Coy=405kN)>(s0por=280.5kN)

Py=Fy=187 000 N=187 kN

(Cy=242 kN)>(Py=187 kN)

故軸承32024滿足要求。

4.3 門式橫梁架結構的強度計算

橫梁架垂直方向受力見圖9，各分力間滿足：

圖9 橫梁架受力圖

式中：

a—左支腿與起吊軸的間距，m，取0.365；

b—右支腿與起吊軸的間距，m，取1.165.

由此計算得Fa=15 229N，Fb=4 771N，彎矩圖見圖10. 最大彎矩為：

圖10 橫梁架彎矩圖

橫梁架所受扭矩：

Tmax=20 000×1.4=28 000 (Nm)

(15)

根據實際情況，起吊臂采用兩個16號槽鋼160×65×8.5(GB/T707-88)對口焊接而成。由《機械設計實用手冊》計算截面特性：

16號槽鋼參數：A0=25.162cm2

回轉半徑：ix=0.44h=0.44×160=70.4 (mm)

總面積：A=2×(25.162+16)=82.324 (cm2)

由橫梁架材料是Q235鋼，取許用應力[σ+1]=120MPa.根據《材料力學》，按第三強度理論校核計算：

97.4 (MPa)<[σ+1]

(16)

故橫梁架結構滿足強度方面的要求。

5 放帶滾筒組件設計計算

組合式皮帶自動收放裝置應具有放帶功能。在放帶時，原卷帶卷軸換成放帶滾筒，放帶滾筒上纏繞鋼絲繩，鋼絲繩的另一端連皮帶捆，隨著放帶滾筒的轉動，皮帶便鋪在了H架上。

放帶滾筒直徑選取要合適，直徑過小，鋼絲繩在纏繞時容易彎曲變形，嚴重時會折斷，影響鋼絲繩的使用壽命，也存在安全隱患；直徑過大既沒必要，也浪費材料。根據現場經驗并參照《機械設計實用手冊》，放帶滾筒選用外徑350mm.

根據安裝空間及使用條件，初選檔板外徑800mm，又設鋼絲繩長1 000m、外徑16mm，則鋼絲繩總體積為：

兩擋板之間的體積為：

=278 850 369 (mm3)

(18)

6 結 論

本文描述了三維模型的建立過程，包括尺寸要求和材料使用；闡述了理論校核計算過程，保證了裝置結構強度方面的可靠性，為有限元分析建立了基礎。本文設計的皮帶自動收放裝置可實現卷帶放帶、起吊轉向、導向、制動等功能，可在皮帶輸送機運輸線H架的任一位置實現自動卷帶功能，對減輕工人勞動強度，提高生產效率，減少安全隱患都具有重要意義。