煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)緩沖托輥失效分析及改進(jìn)措施

杜恩光

（山西陽(yáng)煤新景公司調(diào)度室綜采二隊(duì)， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

皮帶運(yùn)輸機(jī)主要應(yīng)用于冶金、建材、采礦等行業(yè)，多用于大規(guī)模物料的運(yùn)輸，皮帶運(yùn)輸機(jī)在煤礦井下應(yīng)用多年，是井下煤炭運(yùn)輸不可缺少的設(shè)備[1]。根據(jù)運(yùn)輸量以及運(yùn)輸距離的需要，可以單獨(dú)使用一臺(tái)運(yùn)輸機(jī)，也可以幾臺(tái)運(yùn)輸機(jī)聯(lián)合使用。隨著運(yùn)輸負(fù)載的不斷增大以及皮帶長(zhǎng)度的不斷增加，皮帶運(yùn)輸機(jī)托輥的損壞率也不斷增加[2]。為了提高皮帶的運(yùn)輸效率，皮帶運(yùn)輸機(jī)負(fù)載的重量以及運(yùn)輸?shù)乃俣榷荚诓粩嘣黾印＿^(guò)大的載重有時(shí)會(huì)超出托輥的負(fù)載能力，皮帶快速的運(yùn)輸速度會(huì)遺落很多煤塊，下降煤塊產(chǎn)生的沖擊力會(huì)損壞托輥，常年累月會(huì)增大托輥的損壞率，縮短托輥壽命。因此，研究托輥損壞機(jī)理以及改進(jìn)托輥相關(guān)部件對(duì)提高皮帶運(yùn)輸機(jī)使用年限有很大意義。

1 帶式輸送機(jī)托輥破壞分析

1.1 托輥破壞位置

大、中型礦井的運(yùn)輸巷道較長(zhǎng)，一般都有上千米并且大巷還存在很多轉(zhuǎn)彎。當(dāng)上述礦井運(yùn)輸機(jī)采用皮帶運(yùn)輸機(jī)時(shí)，至少使用兩條搭接的皮帶運(yùn)輸機(jī)完成運(yùn)輸工作。直線搭和有角度搭接是皮帶運(yùn)輸機(jī)常見的兩種搭接方式。

運(yùn)輸?shù)拿簤K在兩個(gè)皮帶的搭接處易于出現(xiàn)拋落，拋落的煤塊會(huì)破壞搭接處的皮帶以及托輥。

1.2 托輥破壞原因

在皮帶運(yùn)輸機(jī)搭接處拋落的煤炭產(chǎn)生的沖擊力是造成皮帶及托輥造成破壞的主要原因。拋落煤塊產(chǎn)生的沖擊力表達(dá)式為F=f（H、V、Q、A），因此沖擊力大小與皮帶運(yùn)輸機(jī)之間的搭接高度H、皮帶在負(fù)載狀況下的運(yùn)行速度V、皮帶上煤炭的重力Q以及皮帶上煤巖塊的棱角A等因素緊密相關(guān)，也就是說(shuō)這些因素的是否合理直接決定著托輥是否被破壞。

2 緩沖托輥改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)有改進(jìn)措施

沖擊力會(huì)隨著皮帶間搭接高度、皮帶的運(yùn)行速度、皮帶上煤炭的重力以及皮帶上煤巖塊棱角的增大而變大，有效控制上述4種影響因素，可以減少煤炭拋落過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力，大大提高皮帶及托輥的使用壽命。但是由于皮帶間搭接高度、皮帶的運(yùn)行速度以及煤炭的重力很難進(jìn)行改變，因此，在保證煤炭運(yùn)輸效率的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)皮帶搭接處的托輥進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)，提高托輥的使用壽命，保證井下運(yùn)輸工作的效率。

皮帶搭接處的所用緩沖托輥本身就具有很好的緩沖性能，為了提高托輥的使用壽命，就需要進(jìn)一步加大托輥的緩沖性能，在托輥的外表面套上橡膠圈是比較普遍的提高緩沖性能的措施。如圖1所示。

圖1 常見緩沖托輥

在托輥的外表面套上橡膠圈雖然會(huì)增強(qiáng)托輥的緩沖性能但不能提高其承載能力，托輥的破壞問(wèn)題還是難以得到有效解決，因此，為同時(shí)提高托輥的承載能力以及緩沖性能，必須對(duì)托輥本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 緩沖托輥改進(jìn)設(shè)計(jì)原理

在皮帶運(yùn)輸機(jī)原有的基礎(chǔ)上，對(duì)原有的緩沖裝置進(jìn)行改進(jìn)，以增強(qiáng)其承受載荷的能力與托輥的緩沖性能[3]，緩沖性能的增加主要依靠曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如下頁(yè)圖2所示。

在滑桿L2上增加緩沖彈簧可有效降低煤炭拋落過(guò)程產(chǎn)生的沖擊力。連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行的具體情況如下所示：滑桿L1與L2相連，滑桿L1在順時(shí)針運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)造成L2下滑，滑桿L2上的彈簧會(huì)因L2的下滑產(chǎn)生壓縮，壓縮的彈簧會(huì)降低落煤產(chǎn)生的沖擊力，進(jìn)而提高皮帶的使用壽命，同時(shí)彈簧能加強(qiáng)托輥的承載能力與使用壽命。

圖2 改進(jìn)緩沖托輥設(shè)計(jì)原理示意

2.3 設(shè)計(jì)方案

通過(guò)在緩沖托輥下安裝緩沖彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)緩沖托輥改進(jìn)，緩沖托輥改進(jìn)后，緩沖彈簧被安裝在兩個(gè)擋片之間，因?yàn)榫彌_托輥?zhàn)陨淼闹亓Γ彌_彈簧處于平衡狀態(tài)，改進(jìn)后的緩沖托輥如圖3所示。根據(jù)自身的需要確定合理的彈性倔強(qiáng)系數(shù)，從而起到相應(yīng)緩沖作用。

圖3 改進(jìn)后的緩沖托輥示意

改進(jìn)前，因沒(méi)有緩沖彈簧的緩沖作用，拋落煤塊對(duì)皮帶的沖擊力會(huì)直接傳遞給托輥，托輥會(huì)承受很大的剛性力；改進(jìn)后，拋落煤塊對(duì)皮帶的沖擊力會(huì)先作用于緩沖彈簧，沖擊力經(jīng)過(guò)緩沖彈簧這段緩沖，空間會(huì)大大減小，此時(shí)緩沖托輥受到的沖擊力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改進(jìn)前托輥受到的剛性力。

通過(guò)在緩沖托輥下部安裝緩沖彈簧的方法來(lái)改進(jìn)托輥，對(duì)原先的托輥結(jié)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)行太大的改變，不會(huì)耗費(fèi)太多的成本。

3 強(qiáng)度校核

皮帶間搭接高度、皮帶的運(yùn)行速度、皮帶上煤炭的重力以及皮帶上煤巖塊棱角這四個(gè)因素共同影響沖擊力的大小，但是由于對(duì)皮帶上煤巖塊棱角的衡量標(biāo)準(zhǔn)比較缺乏，并且具體的棱角計(jì)算也比較復(fù)雜，因此本文只考慮皮帶間搭接高度、皮帶的運(yùn)行速度、皮帶上煤炭的重力對(duì)沖擊力的影響。

首先，計(jì)算皮帶在靜態(tài)情況下受到?jīng)_擊力的大小，根據(jù)靜態(tài)沖擊力來(lái)求取相應(yīng)彈簧的彈力，結(jié)合自身彈力需要，調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量。皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度也是影響沖擊力的重要因素，因此需要根據(jù)皮帶以及托輥受到的沖擊力來(lái)確定皮帶的運(yùn)行速度。

適當(dāng)降低皮帶運(yùn)輸機(jī)之間搭接高度，也可以減小皮帶和托輥受到的沖擊力。對(duì)皮帶間搭接高度、運(yùn)行速度的改進(jìn)對(duì)沖擊力的減少非常有限，防止緩沖托輥被破壞的根本方法是提高緩沖托輥?zhàn)陨淼某惺苣芰σ约皠偠取Ｒ虼耍枰鶕?jù)皮帶的動(dòng)、靜載荷以及托輥受到的沖擊力對(duì)托輥的強(qiáng)度進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，來(lái)設(shè)計(jì)托輥的承載能力。

3.1 靜載荷計(jì)算

3.1.1 承載分支

式中：F0為承載分支托輥承受的靜載荷，N；L0為承載分支托輥之間的距離，取1.2m；c為托輥承受載荷的系數(shù)，取0.8；v為皮帶運(yùn)輸機(jī)皮帶的速度，取2 m/s；Q0為單位長(zhǎng)度皮帶運(yùn)輸煤炭的質(zhì)量，取27 kg/m；I0為皮帶運(yùn)輸機(jī)的輸送能力，取55.56 kg/s。把數(shù)據(jù)帶入上式中，可得F0為515.9N。

3.1.2 回程分支

式中：Fu為回程分支托輥承受的靜載荷，N；Lu為回程分支托輥之間的距離，m，取3m；c為托輥承受載荷的系數(shù)，取1。把數(shù)據(jù)帶入上式中，可得Fu為794.6N。

3.2 動(dòng)載荷計(jì)算

3.2.1 承載分支

式中：F0'為承載分支托輥承受的動(dòng)載荷，N；fs為皮帶的運(yùn)行系數(shù)，取1.2；bd為負(fù)載對(duì)皮帶的沖擊系數(shù)，取1.06；ba為工況系數(shù)，取1.1。把數(shù)據(jù)帶入上式中，可得 F0'為 721.85N。

3.2.2 回程分支

式中：Fu'為承載分支托輥承受的動(dòng)載荷，N。把數(shù)據(jù)帶入上式中，可得Fu'為1 048.9N。

3.3 載荷校核

因此，為提高托輥承受拋落煤塊產(chǎn)生的沖擊力，應(yīng)該增強(qiáng)托輥的承受載荷能力，其承載能力等于動(dòng)載荷加上靜載荷，即：F0+Fu+F0'+Fu'=515.9+749.6+721.85+1 048.9=3 081.5N。而托輥的設(shè)計(jì)承載能力F=3 500 N，顯然F≥F0+Fu+F0'+Fu'，可見設(shè)計(jì)承載能力足夠。

托輥改進(jìn)后，皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸效率得到了有效提高并且緩沖托輥沒(méi)有被損壞，這表明改進(jìn)后的緩沖托輥承載能力更強(qiáng)，改進(jìn)合理。

4 結(jié)論

1）當(dāng)一臺(tái)皮帶運(yùn)輸機(jī)不能達(dá)到運(yùn)輸長(zhǎng)度的要求時(shí)，需要把多臺(tái)皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行搭接，本文介紹了兩種不同的搭接方式，分析了兩個(gè)皮帶的搭接處，拋落的煤塊對(duì)皮帶以及托輥破壞的原因。并介紹了提高托輥緩沖能力的方法，但是目前緩沖托輥承受載荷的能力還比較差。

2）對(duì)原有的緩沖裝置進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)增強(qiáng)其承受載荷的能力，以增強(qiáng)托輥的緩沖性能，讓皮帶對(duì)托輥的沖擊力會(huì)先作用于緩沖彈簧，從而使得緩沖托輥受到的沖擊力大大減小。這種改進(jìn)方法對(duì)原先的托輥結(jié)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)行太大的改變，不會(huì)耗費(fèi)太多的成本。

3）通過(guò)計(jì)算托輥承受的動(dòng)、靜載荷大小，對(duì)帶式輸送機(jī)承受載荷的強(qiáng)度進(jìn)行校核。