帶式輸送機下平行增強托輥支架結構改進分析

李文軍

（山西煤炭運銷集團太原有限公司， 山西 太原 030000）

引言

帶式輸送機屬于煤炭運輸常用設備，利用上皮帶運行時對物料的摩擦力運輸物料，結構簡單，性能穩定，可實現長距離運輸，方便上料和卸料。輸送帶由上托輥組和下托輥組支撐，托輥與皮帶之間屬于滾動摩擦，可有效保證皮帶的使用壽命。下托輥組主要支撐回程皮帶，托輥間距要滿足皮帶垂度要求。如果下托輥架強度不足或結構形式不合理，會引發一系列問題。因此，設計時下托輥支架的強度及機構結構形式也是需要重視的問題[1]。

1 下平行增強托輥支架存在的問題

現場使用的皮帶機下平行增強托輥支架橫梁與托輥之間的距離太小，容易積煤，積煤的存在會嚴重磨損下托輥棍殼，降低托輥使用壽命，冬季氣溫降到零度以下時積煤結冰，下托輥回轉阻力增大，發熱嚴重，甚至會導致托輥卡死或托輥斷裂。破損后的托輥如果不能及時發現，會割傷輸送帶，造成輸送帶突然撕裂發生重大安全事故，引起嚴重經濟損失。為了提高下托輥的使用壽命，提高皮帶運行時的安全性，需要對現場使用的下平行增強托輥支架進行改造設計[2]。

2 下平行增強托輥支架改造設計

針對上述下平行增強托輥架積煤的問題，對下托輥架進行兩方面的優化設計，一方面是盡量減少煤塵在下托輥支架橫梁上的堆積，盡量選用不滿足煤粉堆積的型材，降低積煤概率。另一方面增加下托輥支架橫梁與托輥外表面之間的距離，避免由于濕度的影響造成積煤磨損下托輥，間隙的增大也有利于檢修人員清理。

相同物料靜休止角大于動休止角，由于港口運煤時皮帶上泥煤最難清除干凈，加上泥煤的動安息角為40°，靜安息角為45°，容易產生堆積。為了避免泥煤的的堆積，初步選用100×100×10的角鋼作為橫梁替換原來的100×6方管。同時將橫梁下移，使橫梁與托輥外表面之間的距離由30.5 mm增加94.0 mm，角鋼的兩邊與豎直面呈45°放置[3]。

2.1 回程托輥靜載計算

根據帶式輸送機設計手冊可知，回程托輥靜載Pu計算公式為：

式中：e為輥子載荷系數，與托輥形式有關，兩節棍取0.63；g為重力加速度，取9.8 N/kg；qB為每米長輸送帶質量，取72 kg/m；au為回程分支托輥間距，取3 m。將數值帶入式（1）可得回程分支托輥靜載荷Pu=1 333.6 N。

2.2 回程分支托輥動載計算

式中：fs為運行系數，fa為工況系數，該輸送機每天運行10～12 h，查表可得，fs=1.1；fa=1。將數據帶入公式（2）中可得到回程分支托輥動載荷Pu'=1 466.9 N。

2.3 托輥架橫梁彎曲應力計算

由托輥組的結構形式可知，每個托輥架含有兩件托輥，托輥架通過兩端連接座安裝在皮帶機中間架上。托輥架上一共4個受力點，每個受力點壓力近似相等，單個受力點受到的壓力F=Pu'/4=366.7 N。由于托輥架上外側支撐點靠近皮帶機中間架，可認為外側兩受力點壓力對托輥架不產生彎矩作用，托輥架中間兩支撐點下方懸空，對托輥架橫梁產生彎矩作用。下托輥架的兩端與皮帶機中間架之間是螺栓連接，屬于超靜定結構。為了簡化計算，把托輥架看作簡支梁進行計算，一段看作固定鉸支座，另一端看作是滑動鉸支座，這樣產生的彎矩比實際值要大，得到的應力值偏大，偏大的應力值如果不超過許用應力，可認為優化的機構強度符合要求[4]。式中：Mmax為托輥壓力產生的彎矩，N·m；F為托輥架支點處受到的壓力，N，F=366.7 N；a為中間支點到托輥架兩端連接座的距離，m。

根據托輥架幾何尺寸得到a=1.108 m，將數值帶入公式（3）得到托輥架橫梁受到的彎矩Mmax=406.3 N·m[5]。

由材料力學可知，材料的最大正應力出現在承受彎矩最大的截面上，與中性軸的距離成正比，在距離中性軸最遠處出現應力最大值。相對于中性軸，一側材料被拉伸，一側材料被壓縮。根據彎曲應力公式

式中：Iyo為截面慣性距，m4；ymax為在彎矩最大截面上離中性軸最遠的距離，m。

角鋼下方材料被拉伸，上方材料被壓縮，由于選用的材料為Q235-A，屬于碳素結構鋼，具有良好的塑形，因此抗壓性能良好。分析其強度時一般考察其最大拉應力。經查閱相關資料確定100×100×10角鋼 ymax=3.62×10-2m。Iyo=7.435×10-7m4，將數據帶入公式（4），得到橫梁下方材料受到的最大拉應力σmax=19.8 MPa，下托輥架的受力波動不大，可認為受力恒定。一般取需用應力值為215 MPa。因此，優化后的結構在強度上符合使用要求。

3 使用效果分析

更改后的橫梁，有效降低了積煤的堆積，橫梁與托輥的間距也顯著增大，取得了良好的使用效果，主要表現在：

1）物料堆積角度的破壞及托輥下方間隙的加大有效避免了積煤對托輥的磨損，使下托輥使用壽命延長2～3倍。節約大量托輥備件，降低托輥更換工時。一臺帶寬2 m的皮帶機可節省備件費10多萬元。

2）托輥下方間隙的增大，降低了工人清掃托輥架積煤的難度，同時可延長清掃間隔時間，節約成本。

3）改進后的下平行增強托輥架結構合理，維護方便，有效避免煤料的堆積，延長了托輥的使用壽命，降低了運行成本。