長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)自適應(yīng)車式拉緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張營(yíng)章，李輝中

(華電重工股份有限公司，北京 100070)

隨著帶式輸送機(jī)行業(yè)的發(fā)展，帶式輸送機(jī)逐漸向長(zhǎng)距離、大運(yùn)量與高帶速方向發(fā)展[1]，結(jié)構(gòu)趨于大型化。在輸送物料的過(guò)程中，滿載和空載情況下的輸送帶張緊松弛程度不一，尤其滿載時(shí)，輸送帶松弛就直接影響和降低輸送帶與傳動(dòng)滾筒間的摩擦力，為保持其張緊力，就需輸送帶自適應(yīng)張緊。隨著使用時(shí)間推移，膠帶會(huì)逐漸彈性伸長(zhǎng)，其張緊力亦隨之降低，啟動(dòng)時(shí)動(dòng)張力可能導(dǎo)致輸送帶局部或整體打滑[2]。帶式輸送機(jī)常用的拉緊裝置分為螺旋拉緊裝置、垂直拉緊裝置、車式拉緊裝置和液壓拉緊裝置[3]，車式張緊裝置在長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)應(yīng)用最多，因拉緊行程長(zhǎng)，造成拉緊車架過(guò)長(zhǎng)、拉緊塔架過(guò)高，傳統(tǒng)方法需增設(shè)拉緊裝置[4-12]，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)蚩臻g限制而無(wú)法滿足施工需求。通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型纏繞方式的車式拉緊系統(tǒng)，使拉緊行程縮短為傳統(tǒng)拉緊裝置的四分之一，分別將拉緊車架長(zhǎng)度減少一半、拉緊塔架高度降低一半，滿足狹小場(chǎng)地的施工需求，受力合理、自適應(yīng)性強(qiáng)與自動(dòng)化程度高，對(duì)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)拉緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 拉緊系統(tǒng)工作原理

拉緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。棧橋上輸送帶通過(guò)拉緊改向滾筒支座進(jìn)行改向，經(jīng)夾帶裝置導(dǎo)向后纏繞到組合改向滾筒座進(jìn)行改向，組合改向滾筒座上三個(gè)改向滾筒適于與拉緊小車一端三拉緊滾筒配合，增加輸送帶纏繞層數(shù)，組成一動(dòng)滑輪系統(tǒng)，使拉緊行程減少一半。組合改向滾筒座與拉緊小車間由拖帶導(dǎo)鏈系統(tǒng)和拖帶小車對(duì)多層輸送帶進(jìn)行托舉，當(dāng)拉緊小車一端由于輸送帶伸長(zhǎng)向前行走時(shí)，連接拉緊小車和拖帶裝置的拖帶導(dǎo)鏈被拉緊，拖帶小車自動(dòng)行走并對(duì)多層輸送帶進(jìn)行支撐，防止多層輸送帶間互相干涉。拉緊小車另一端為定滑輪，鋼絲繩定滑輪進(jìn)行纏繞牽引；水平改向滑輪座固定第一牽引端，適于對(duì)鋼絲繩進(jìn)行固定，鋼絲繩通過(guò)拉緊小車上定滑輪纏繞改向后，再通過(guò)水平改向滑輪座上定滑輪進(jìn)行水平改向。鋼絲繩通過(guò)水平改向后纏繞到豎直改向滑輪座上的滑輪進(jìn)行豎直改向；第二牽引端固定在塔架上，鋼絲繩通過(guò)滑輪組進(jìn)行纏繞，其中二滑輪固定在塔架上，二滑輪固定在重錘箱上，組成二倍率滑輪系統(tǒng)，拉緊行程再減半。

1—輸送帶；2—拉緊改向滾筒支座；3—夾帶裝置；4—組合改向滾筒座；5—拖帶裝置；6—拖帶小車；7—拉緊小車；8—拉緊車架；9—鋼絲繩；10—第一牽引端；11—水平改向滑輪座；12—豎直改向滑輪座；13—滑輪組；14—第二牽引端；15—重錘箱；16—塔架圖1 拉緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 拉緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)對(duì)該拉緊系統(tǒng)非常規(guī)部件：夾帶裝置、組合改向滾筒座、拖帶裝置、拖帶小車、拉緊小車、水平改向滾筒座進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 夾帶裝置

利用空間結(jié)構(gòu)，夾帶裝置支架與棧橋、組合改向滾筒座相連，每隔一定距離設(shè)置一組托輥，對(duì)輸送帶進(jìn)行夾緊，防止輸送帶發(fā)生劇烈抖動(dòng)、跑偏，影響輸送機(jī)運(yùn)行安全。

2.2 組合改向滾筒座

組合改向滾筒座上固定三改向滾筒，對(duì)從棧橋上輸送下來(lái)的輸送帶進(jìn)行改向，并適于和拉緊小車進(jìn)行配合纏繞，增加輸送帶纏繞段數(shù)。其中，改向滾筒II連接于斜撐上，與水平方向呈45°夾角，滾筒合力方向垂直于斜撐，使螺栓只承受壓力，受力合理、增強(qiáng)穩(wěn)定性。

2.3 拖帶裝置

拖帶裝置包含拖帶導(dǎo)鏈系統(tǒng)(如圖2所示)與拖帶小車(如圖3所示)，作用為對(duì)多層輸送帶進(jìn)行托舉，減小輸送帶下垂度及相互干涉。

圖2 拖帶導(dǎo)鏈系統(tǒng)

1—拖帶架體；2—托輥；3—圓形輪；4—V形輪；5、6—防傾翻裝置；7—穿板；8—固定鋼絲繩；9—導(dǎo)鏈圖3 拖帶小車

2.3.1 拖帶導(dǎo)鏈系統(tǒng)

其包括鋼絲繩組件、吊環(huán)與導(dǎo)鏈，鋼絲繩組件處于伸直狀態(tài)，其上設(shè)有多個(gè)吊環(huán)，鋼絲繩與導(dǎo)鏈從吊環(huán)中穿過(guò)，吊環(huán)可拖動(dòng)導(dǎo)鏈在鋼絲繩上自由滑動(dòng)，導(dǎo)鏈一端固定于架體上，另一端與拖帶小車相連。當(dāng)拖帶小車向前行走時(shí)，導(dǎo)鏈被拉直拉動(dòng)拖帶小車向前行走，達(dá)到設(shè)定間隔距離對(duì)輸送帶進(jìn)行托舉，自適應(yīng)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高。

2.3.2 拖帶小車

圖4 V形輪放大圖

拖帶小車上設(shè)有三托輥2對(duì)多層輸送帶進(jìn)行托舉；拖帶架體1上設(shè)多排孔，對(duì)托輥上下位置進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)因拉緊小車移動(dòng)造成的輸送帶位置變化；圓形輪3適于槽鋼軌道上行走，V形輪4(如圖4所示)適于在焊接于槽鋼上的角鋼軌道上行走，既保證拖帶小車能夠沿軌道直線行走，又能釋放一端自由度以便于安裝；防傾翻裝置5、6與槽鋼軌道配合，分別與槽鋼腹板和翼緣板接觸，避免受力不均造成輪子翹起或偏移；穿板7用于固定鋼絲繩8和導(dǎo)鏈9，以拉動(dòng)拖帶小車向前行走。

2.4 拉緊小車

拉緊小車左側(cè)三改向滾筒用于輸送帶多層纏繞，以增加纏繞段數(shù)、縮短拉緊行程；鋼絲繩纏繞右側(cè)滑輪來(lái)對(duì)輸送帶進(jìn)行拉緊。

2.5 水平改向滾筒座

鉸接點(diǎn)與水平改向滑輪固定于水平帶向滾筒座上，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行改向并使輸出力減小一半，水平改向滾筒座承擔(dān)一半受力。

3 受力分析

3.1 拉緊系統(tǒng)纏繞模型建立

重錘箱與X段鋼絲繩滑動(dòng)配合，拉緊小車與Y段鋼絲繩滑動(dòng)配合，使拉緊小車滾筒牽引Z段輸送帶移動(dòng)，I段輸送帶通過(guò)與拉緊改向滾筒座和組合改向滾筒座配合，其中，X≥2，Y≥1，Z≥2，I≥1。其中“X段”并非指有X根鋼絲繩，而是一根鋼絲繩通過(guò)與滑輪組配合纏繞，使得有X段鋼絲繩承擔(dān)重錘箱重量；同理，“Y段”指一根鋼絲繩通過(guò)與拉緊小車滑輪纏繞，使得有Y段鋼絲繩拉動(dòng)拉緊小車滑輪運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)拉緊小車運(yùn)動(dòng)；Z段輸送帶是一根輸送帶通過(guò)與拉緊小車滾筒配合纏繞，使得拉緊小車在鋼絲繩對(duì)拉緊小車滑輪拉動(dòng)下做隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)一步由拉緊小車上滾筒牽引Z段直接相連的輸送帶移動(dòng)。

重錘箱在滑輪組作用下，每移動(dòng)距離a時(shí)，帶動(dòng)鋼絲繩移動(dòng)a·X的距離，其中a≥0m；拉緊小車與Y段鋼絲繩滑動(dòng)配合，Y≥1，當(dāng)重錘箱上鋼絲繩移動(dòng)a·X距離時(shí)，拉緊小車移動(dòng)a·X/Y的距離，其中a≥0m；拉緊小車在鋼絲繩的拉動(dòng)下，帶動(dòng)平臺(tái)上滾筒運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)輸送帶移動(dòng)，Z≥2，當(dāng)拉緊小車移動(dòng)a·X/Y距離時(shí)，帶動(dòng)輸送帶移動(dòng)a·X/Y·Z的距離。

3.1.1 拉緊行程計(jì)算

拉緊滾筒的拉緊行程可按式(1)計(jì)算[13]：

lsp=(ε0+ε1)L+lN

(1)

式中，lsp拉緊滾筒的拉緊行程，m；ε0輸送帶彈性伸長(zhǎng)和永久伸長(zhǎng)綜合系數(shù)；ε1托輥組間輸送帶屈撓率；L帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度；lN輸送帶安裝附加行程，m；lu輸送帶接頭制作總長(zhǎng)度。以下為常用輸送帶拉緊行程系數(shù)，其設(shè)置見(jiàn)表1。

3.1.2 案例分析

現(xiàn)對(duì)具體方案分析，滾筒滑輪纏繞、受力如圖5所示。重錘箱通過(guò)滑輪組與4段鋼絲繩配合，當(dāng)向下移動(dòng)10m距離時(shí)，帶動(dòng)鋼絲繩移動(dòng)10×4=40m距離；進(jìn)而帶動(dòng)拉緊小車移動(dòng)，拉緊小車與2段鋼絲繩配合，鋼絲繩移動(dòng)40m距離時(shí)，帶動(dòng)拉緊小車移動(dòng)40÷2=20m距離；拉緊小車和其上滑輪移動(dòng)20m時(shí)，帶動(dòng)輸送帶移動(dòng)20×4=80m；相應(yīng)可達(dá)拉緊行程為80÷2=40m。因此，重錘箱下移10m距離時(shí)，根據(jù)式(1)，若選鋼絲繩芯帶，帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度可達(dá)約11km，拉緊車架長(zhǎng)度減少一半、塔架高度降低一半，達(dá)到四倍拉緊行程效果。

表1 行程參數(shù)

圖5 滾筒滑輪纏繞、受力圖

3.2 拉緊系統(tǒng)受力分析

通過(guò)案例分析，拉緊車架長(zhǎng)度減少一半和塔架高度降低一半，根據(jù)能量守恒W=F·S，其中功W、受力F、距離S，組合改向滾筒座、拉緊小車、水平改向滾筒做與塔架受力分別增加一倍，巧妙地將行程的縮短轉(zhuǎn)化到地面上的組合改向滾筒架、水平改向滾筒架的受力及增加廉價(jià)配重塊重量。

3.2.1 組合改向滾筒座

組合改向滾筒座(如圖6所示)設(shè)于地面上，當(dāng)拉力為F時(shí)，輸送帶纏繞于三改向滾筒上，其受豎直方向拉力F和水平方向拉力2F；同時(shí)支承夾帶裝置受力。

圖6 組合改向滾筒座受力圖

3.2.2 拉緊小車

拉緊小車(如圖7所示)承受水平拉力2F，拉緊行程縮短一半，受力增加一倍。

圖7 拉緊小車受力圖

3.2.3 塔架與重錘箱

塔架上二固定滑輪與重錘箱上二滑輪組成二倍率動(dòng)滑輪組系統(tǒng)，拉緊行程減少一半，塔架受力增加一倍，即承受向下拉力4F，可使塔架高度降低一半，轉(zhuǎn)化成重錘塊的重量增加一倍，造價(jià)降低。

3.2.4 水平改向滑輪座

水平改向滾筒座受力圖如圖8所示，鋼絲繩受到拉力F時(shí)，水平改向滑輪與第一牽引端分別受力F，即水平改向滑輪座承受拉力2F，垂直于水平方向拉力F，鋼絲繩輸出到塔架力F，這樣設(shè)計(jì)使輸出力減半。

圖8 水平改向滾筒座受力圖

4 拉緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)

1)適于長(zhǎng)距離、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)，通過(guò)對(duì)組合改向滾筒座與拉緊小車配合，增加輸送帶在拉緊小車上的纏繞段數(shù)，與傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)相比能夠縮短拉緊車架長(zhǎng)度、降低塔架高度，拉緊行程大大縮短，滿足狹小施工場(chǎng)地施工需求，節(jié)約生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀，適應(yīng)性強(qiáng)；

2)拖帶裝置設(shè)于拉緊車架上，能夠?qū)Χ喽屋斔蛶нM(jìn)行隨動(dòng)托舉，自動(dòng)化程度高，自適應(yīng)性好，保證輸送帶運(yùn)行平穩(wěn)；

3)鋼絲繩經(jīng)繞拉緊小車滑輪后，由水平改向滑輪進(jìn)行水平改向，使水平改向滑輪座一側(cè)承受兩倍鋼絲繩拉力，另一側(cè)承受一倍鋼絲繩拉力，從而使水平改向滑輪座分擔(dān)塔架受力，降低塔架運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；

4)能夠縮短四倍拉緊行程，若需縮短更多倍拉緊行程，則需增設(shè)組合改向滾筒座和拉緊小車上滾筒數(shù)量進(jìn)行更多層輸送帶纏繞或增設(shè)多倍率滑輪塔架系統(tǒng)，具有一定適用性。

5 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)長(zhǎng)距離、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)存在的問(wèn)題，通過(guò)建立拉緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)一種多層輸送帶纏繞的拉緊小車與二倍率動(dòng)滑輪塔架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件，建立拉緊系統(tǒng)纏繞模型，并對(duì)具體方案進(jìn)行分析。結(jié)果表明：該拉緊系統(tǒng)拉緊車架長(zhǎng)度減少一半、塔架高度降低一半，達(dá)到四倍拉緊行程效果。通過(guò)對(duì)拉緊系統(tǒng)部件受力分析，驗(yàn)證其受力合理性，巧妙地將行程的縮短轉(zhuǎn)化到地面上組合改向滾筒架與水平改向滾筒架受力及增加廉價(jià)配重塊重量。因此，本設(shè)計(jì)提供的帶式輸送機(jī)自適應(yīng)車式拉緊系統(tǒng)，能夠?qū)ι鲜鰡?wèn)題進(jìn)行很好解決，滿足狹小場(chǎng)地施工需求，自適應(yīng)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，無(wú)需額外維護(hù)，節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀，對(duì)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)拉緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供重要參考。