礦石碼頭輸送機聚酯帶接頭開裂分析

王浙斌

（寧波舟山港北侖礦石碼頭分公司，浙江寧波 315800）

0 引言

帶式輸送機是目前散貨碼頭物料輸送的主要方式之一，其結構簡單、運行穩定、能耗低、對環境污染小，容易實現自動化控制，同時管理維護方便，在連續裝載條件下可實現連續運輸。近年來，隨著國內鐵礦石需求量的不斷提升，對碼頭裝卸效率提出了更高的要求，如何發揮帶式輸送機連續運輸的特點，降低運行故障率，是碼頭裝卸作業的技術難題。

1 問題

寧波舟山港北侖礦石碼頭分公司是進口鐵礦石裝卸作業的專業化碼頭，共有帶式輸送機50多條，目前使用的膠帶分鋼絲帶和聚酯帶兩種，因聚酯帶具有尼龍帶優良的成槽性,又兼具鋼絲帶的低延伸率，廣泛應用于碼頭短距離輸送機上。從2014年至2017年，碼頭更換聚酯帶35次，因接頭開裂造成皮帶提前報廢的12次，接近聚酯帶總更換量的35%，尤其在BC23，BC24，BC25這3條大傾角、作業頻繁的輸送機上，膠帶接頭開裂次數接近80%，嚴重影響膠帶使用壽命和裝卸效率。

2 原因分析

2.1 接頭質量不合格

接頭質量不合格是引發接頭開裂的重要原因之一，硫化接頭是目前最理想的一種接頭方式，接頭強度可以達到原帶體強度的75%以上，北侖礦石碼頭現用輸送帶均采用硫化接頭。在硫化過程中接頭清理不徹底，聚酯層疊加，膠漿涂抹量不夠或不均，同時膠料、膠漿變質以及硫化3要素（時間、溫度、壓力）未達到工藝要求都會導致接頭開裂。

2.2 輸送機過渡段距離設置不合理

輸送機頭、尾部滾筒到第一組承載托輥架之間的輸送帶區段稱為過渡段，該段輸送帶由槽型變成平型或者由平型變為槽型。輸送帶形變過程中，會對輸送帶兩側進行拉伸，從而產生附加拉應力。通過帶式輸送機相關計算公式，同時根據逐點計算法可以得出輸送帶的最大張力點位于頭部滾筒趨入點，即輸送帶由槽型變成平型的臨界點。

使用solidworks中的simulation建立輸送機過渡段三維實體模型，輸送機過渡段距離分別設置2 m，3 m，4 m等3個模型，分別對其設置材料參數和進行網格劃分（圖1），以碼頭輸送機BC24（輸送機長32 m，傾角12°，聚酯帶選用EP300）為參數依據，通過計算可得趨入點張力為8.5×104N，對模型進行受力分析并施加模擬載荷，得到輸送帶模型的受力云圖及應力云圖，分別見圖 2，圖3，圖4。

圖1 過渡段2 m有限元模型

圖2 過渡段距離2 m應力云

圖3 過渡段距離3 m應力云

圖4 過渡段距離4 m應力云

由圖2，圖3，圖4可知，由于輸送帶過渡段的形變，在膠帶張力作用下，形成兩處應力集中點，其中過渡段距離為2 m的最大應力為20.4 MPa，距離設置為3 m時最大應力為15.4 MPa，距離設置為4 m時最大應力為12.9 MPa，可以得出當過渡段距離設置為4 m時，最大應力才小于輸送帶覆蓋層拉伸強度的標準值（表1）15 MPa，故輸送機過渡段距離的設置，需根據每一條輸送機應力集中點應力大小，得出合理布置距離，避免出現皮帶最大應力超過輸送帶的額定拉伸強度致使接頭開裂。

表1 普通用途織物芯輸送帶覆蓋層拉伸強度

2.3 給料裝置結構不合理

給料裝置的結構優劣，很大程度上決定了下一級輸送帶的使用壽命，物料通過給料裝置到達下一級皮帶的速度大小和方向應盡可能接近下一級皮帶的速度。使用DEM軟件，以碼頭現用料斗為模型，分析物料離開皮帶的瞬間，到物料到達下一級皮帶的瞬間過程（圖5）。

圖5 優化前后料流仿真分析

從由優化前的料流分析圖（圖5）可以得出，物料經過原始料斗之后到達下一級皮帶時瞬時速度存在明顯減小。根據牛頓第二運動定律可得公式：

式中V——下一級皮帶速度，m/s

V0——物料達到下一級皮帶時，沿帶速方向分速度，m/s

t——物料速度達到下一級皮帶帶速所需時間，s

μ——物料與皮帶動摩擦因數

g——重力加速度

θ——下一級皮帶的傾角，°

由公式（1）可知，當下一級皮帶帶速、傾角一定時，物料與下一級皮帶存在滑動摩擦的時間t，由物料達到下一級皮帶時沿皮帶運動方向分速度的大小決定。一旦物料與皮帶存在速度差則皮帶將受到與運行方向相反的滑動摩擦力，物料初速度越小，與皮帶之間滑動摩擦時間越長。在反方向滑動摩擦力作用下，硫化接頭就會出現開裂現象。

2.4 托輥更換不及時

托輥使用過程中，由于系統振動或是礦石、水等雜質進入軸承內部，導致托輥軸承卡死，托輥外殼與托輥軸不發生相對轉動。在皮帶運行過程中，托輥不斷與皮帶摩擦，長時間不更換卡死托輥，當外殼磨穿之后殼壁就形成了類似“刮刀”形式的破口，一旦接頭與皮帶本體存在厚薄差，將導致皮帶接頭刮起。

3 結語

總結北侖礦石碼頭聚酯帶開裂的原因、結合現場使用環境以及輸送機結構，分別從設備與人為因素兩方面對接頭開裂進行全面分析，使用solidworks中的simulation對輸送機過渡段模型進行有限元分析，使用DEM軟件進行料流仿真模擬，得出合理布置輸送機過渡段間距和合理設計給料裝置結構對避免接頭開裂的重要性。從硫化工藝和維護保養兩方面分析接頭開裂的相關因素，為預防措施的制定打下良好基礎。