礦用膠帶輸送機滾筒壓裂原因與改進

鄧 鑫

（山西焦煤集團霍州煤電鑫鉅煤機裝備制造有限責任公司研究所， 山西 霍州 031400）

引言

膠帶輸送機承擔著煤礦井下運煤系統的主要作業。由于其本身運輸能力大，環境適應性廣，后期維護技術度低，已逐漸在煤礦井下普及。然而受井下工況條件制約和環境影響，大部分膠帶輸送機滾筒工作2～3年后都會出現不同程度的形變[1]。若不及時修復，輕則引起跑偏落煤損失，重則導致皮帶撕斷、滾筒壓裂等事故。因此，從設計角度深入分析避免滾筒斷裂原因，提前采取預防性措施是非常必要的。

1 研究背景

1.1 滾筒結構

膠帶輸送機滾筒結構如圖1所示。

如圖1，膠帶輸送機滾筒主要包括脹套、幅板、輪轂、加強環、筒體和主軸等部件。目前煤礦井下膠帶輸送機滾筒主要為鋼板打卷燒焊的鑄焊滾筒和焊接滾筒，材質較硬，皮帶滾筒之所以變形壓裂，主要是幅板、輪轂和加強環等結構部件發生不同程度的形變，以及主軸發生徑向偏移所導致。

1.2 工作原理

井下膠帶輸送機滾筒主要為傳動滾筒、變向滾筒，兩者都是依靠摩擦力傳遞牽引力或改變方向。以傳動滾筒為例，工作時通過主軸與接盤相互連接，接盤再向主軸傳遞徑向驅動力，并通過主軸轉動使滾筒面轉動，使膠帶輸送機啟動運行。

2 受力分析

膠帶輸送機運行時，其滾筒軸向應力分布和徑向應力分布如圖2[2]所示。

圖2 膠帶輸送機滾筒軸向、徑向應力分布圖

圖中 ：A為滾筒，B為膠帶，d為法線，x為水平線，Sy為滾筒與膠帶相遇點張力，N；S1為滾筒與膠帶分離點張力，N；S為筒面與膠帶摩擦力，N；S-dS為最大受力點的張力差，N；φ為轉動角度，rad；N為水平壓力，N；μ為動摩擦系數。

如圖2所示，膠帶輸送機為理想狀態下的撓性體，彎曲應力恒定；滾筒在理想狀態運行時，膠帶所受的重力和離心力忽略不計，此時滾筒主要受到三個力的作用：即膠帶張緊時所受到上方的正壓力、與運動方向相反的動摩擦力和使滾筒運轉的牽引力，其中牽引力的大小與正壓力的大小呈正向分布，此時滾筒軸向應力的最遠點即為應力集中區，即滾筒外圍最邊緣部分受到的形變最大。因此在膠帶輸送機轉速一定時，通過增加牽引力的方式來提高皮帶運行效率，勢必會使膠帶速度增大，正上方壓力急劇增加，作用在滾筒上的扭矩也急劇增加，其變化程度服從正向分布。

3 壓裂分析及措施

3.1 壓裂分析

膠帶輸送機受長期壓力影響，滾筒整體發生形變壓裂，例如焊點斷裂、幅板軸向斷裂或徑向斷裂，原因如下：

1）膠帶輸送機啟動時張力最大，漲緊力與驅動力成正比，導致滾筒所受壓力短時間內迅速增加，同時滾筒啟動時轉加速度達到最大值，導致滾筒上扭矩瞬時變大，進而導致滾筒變形，引起壓裂；

2）滾筒因本身鋼材質量問題或設計問題；

3）焊后處理存在缺陷，導致滾筒整體抗拉能力不足，往往在焊縫處壓力集中，出現壓裂。

3.2 處理措施

1）嚴格把握設計關，規范滾筒型式設計。以目前井下在用的某型號膠帶輸送機為例，其滾筒設計圖和規格參數及對應代號含義如圖3、表1[3]所示，可作為設計參考。

圖3 膠帶輸送機設計圖

表1 膠帶輸送機（筒距500～1400）尺寸設計對照表

2）選用合格優質鋼材，保證滾筒鑄造質量。

3）創新滾筒支撐設計，比如增加滾筒設計厚度，在滾筒側沿滾筒軸向設置加強肋，提高整體支撐強度。

4）加強現場維護和后期保養，選擇原廠備品配件。

5）嚴格定期檢修。

4 改進試驗

根據以上參數重新進行設計，并進行井下調試試驗。井下現場連續空載運行48 h，負載運行24 h，測試及連續運行結果表明：皮帶機各部件運行正常，系統各類信號傳輸正常，達到技術指標和參數要求。運行過程中滾筒各測點應力參數與驗證結果吻合；物料相對皮帶無相對運動，起動制動平穩，重載起車未發生滑料現象。膠帶在允許范圍內對中運行，運行噪聲值75 dB，負載運行時，滾筒未發現明顯形變，所有滾筒部件探傷無損壞，托輥及滾筒旋轉靈活。

5 結語

研究滾筒的基本結構，深入分析各區域各部件應力情況，明確了滾筒面在負荷運轉時的應力分布和防范重點，得出最佳的工況參數，重新設計并進行了地面及井下實驗，現場試驗與研究結果吻合；同時提出了滾筒設計方面的處理措施，通過規范滾筒型式設計、選用合格優質鋼材、創新滾筒支撐設計、加強現場維護和后期保養、定期檢修等方法，從多方面防范滾筒壓裂事故，提高礦井設備技術能力。