礦用履帶式移動皮帶輸送機設計與應用研究

余 旦，袁怡琳，付 凱，王 兵

（南昌礦山機械有限公司，江西 南昌 330000）

隨著我國重工業的快速發展以及現代化、智能化建設的不斷推進，促進了我國礦山開采設備的革新，逐漸使其向連續化、液壓化和智能化方向不斷轉變。礦山資源的開采工藝類型較多，一般可分為連續化開采工作、半連續化開采工藝和間斷開采工藝，我姑以后者為主，不僅對資源浪費較為嚴重，而且對生態環境影響較大[1]。在“綠色礦山”背景下，以連續性開采工藝為主的環保型開采技術是今后發展的主要方向，該工藝多配以移動式皮帶運輸機，不僅提高了運輸能力，而且有效的減少了車輛運輸等造成的環境污染。鑒于此，本文以礦用履帶式移動皮帶輸送機為例，分析該設備的設計及應用，為提高礦山企業效益奠定基礎。

1 設備設計基本原則

礦山企業的開發與利用不僅僅是單一的開采模式，其開采模式是隨著礦產資源利用現狀而改變的，即礦山開采工藝并非是單一的連續開采工藝模式[2]。因此，在履帶式移動皮帶輸送機設計中必須遵循以下幾點原則：①礦用移動皮帶不應該是簡單的輸送皮帶，而是與礦山的整個連續化開采工藝是緊密結合的，因此，移動皮帶與礦山地形、礦產資源開采方案等密切相關，所設計的履帶式移動皮帶必須滿足礦山基本要求；②對于某一具體礦山來說，其開采規劃設計也不盡相同，即在開采初期階段皮帶輸送機無法工作，僅適用破碎機和裝載機等就可完成相應的開采任務；此外，隨著礦山資源的持續開采，所需的移動皮帶長度逐漸增加，增加長度應結合礦山實際現狀確定；③若礦山開采面已經形成了一定規模，此時采用兩節移動皮帶與移動破碎機通過轉盤相連接的方案最有利于該類礦山，能夠有效的提升履帶式移動皮帶的便捷性，進而提高礦產資源開發效率。綜上所述，履帶式移動皮帶輸送機的設計具有較高的目的性，應充分考慮礦山實際現狀以及開采方案等綜合而定。

2 礦用履帶式移動皮帶輸送機設計及應用

2.1 桁架結構設計

桁架結構是礦用履帶式移動皮帶輸送機的重要組成部分本文采用平面三角形空心管桁架結構組成，該桁架具有更高的穩定性能和經濟性，該結構中的受壓腹桿可采用空心管代替，不僅能夠滿足其受壓特征，而且能夠極大的節約材料和制作周期。同時，由于在礦石輸送過程中容易使得弦桿產生均布載荷彎矩，因此，可以將弦桿末端和首段的桁架制作成向上傾斜的弦桿。桁架的高度、總跨度、載荷能力和最大形變等參數是影響皮帶輸送機運輸能力的基礎，若單純的增加桁架高度，則對弦桿的載荷性能較小明顯，同時顯著的增加了腹桿的長度，不僅降低了運輸能力，而且不經濟，所以確定桁架高度時應充分結合礦山實際情況而定[3]。本次設計中將上弦桿與下弦桿作為桁架的整體主梁結構，將上弦桿與下弦桿之間的側直腹桿連接在一起，作為桁架的側架，將中部斜腹桿和中部直腹桿連接，構成桁架的兩個側架，并將其作為皮帶回旋的隔離架，同時將下部斜腹桿和下部直腹桿連接在一起，構成桁架的另外兩個側架，并與中部的側架腹桿共同組成框架結構。

為了有效分析本設計中桁架的力學性能，本文以Solidworks simulation三維軟件為基礎平臺建立相應的有限元模型。在有限元模型中將桁架中的弦桿視為連續桿件，并且腹桿接在距弦桿中心線0m處。通過改變有限元模型中的弦桿與腹桿的橫截面尺寸和壁厚等參數進行力學性能模擬。當有限元模型中分析結果區域穩定狀態時，桁架的最大靜態位移量約為102mm，此時對應桁架中空心管的尺寸為180mm×180mm×180mm（弦桿）和80mm×80mm×6mm（腹桿）。在礦石資源運輸過程中，極易出現局部區域載荷過重的情況，即極有可能導致桁架結構連接位置的局部區域出現屈服形變，且形變量與轉動能力對桁架的應力結構重新分布，此時可能導致桁架腹桿兩端焊接縫處的應力變化較大而導致裂縫出現。雖然本次設計采用了Q345鋼材，但焊接處裂縫問題仍然不容忽視，經過有限元模擬分析后，其材料腹桿四周的焊接尺寸也是腹桿壁厚的1.2倍左右時，能夠有效的緩解桁架結構局部屈服而引起的應力重新分布所誘發的危害，此時焊接縫高達6mm～7mm，能夠有效的提升焊接縫的有效性。

2.2 移動皮帶輸送機設計

傳統的帶式輸送機是固定的帶式輸送機，是礦石物料輸送系統的重要組成部分，具有較大的輸送能力、結構簡單、能耗低、維護簡單的優勢。其中，輸送帶在固定帶式輸送機中起牽引和承載作用；滾筒是輸送機動力傳遞的主要部件；托輥主要用于支撐輸送帶和輸送帶上額物料，使其平穩運行；張緊裝置使得輸送帶具有組構的張緊力，能夠有效的防止輸送帶和滾筒不打滑。

本次設計過程中將固定型改為移動皮帶輸送機，此時需要綜合考慮移動皮帶輸送機中的入料方式、卸料方式、位置以及輸送機的布置形式等尺寸，其布置形式可分為凹弧輸送、凸弧輸送、傾斜輸送、水平輸送和混合曲線輸送等[4]。本次設計在移動皮帶輸送機曲線段內，不設置給料裝置和卸料裝置，將給料裝置設置在水平輸送階段，當在特殊條件下可將其設置在傾斜段；將卸料裝置也設置在水平段。在設計時礦石物料的運輸中輸送皮帶傾角應小于最大允許傾角。輸送帶的運行速度需要根據輸送物料的特征以及輸送帶的寬度確定，根據有限元模型模擬分析得出，當帶寬500mm時，若運輸礦石物料為磨損性小的物料時，有限元模擬輸送帶速度為1.0m/s～2.5m/s；當運輸礦石物料為磨損性中等的物料時，有限元模擬輸送帶速度為1.0m/s～2.0m/s；當運輸礦石物料為磨損性較大的物料時，有限元模擬輸送帶速度為0.8m/s～1.6m/s；當帶寬2000mm時，若運輸礦石物料為磨損性小的物料時，有限元模擬輸送帶速度為2.0m/s～6.0m/s；當運輸礦石物料為磨損性中等的物料時，有限元模擬輸送帶速度為2.0m/s～4.0m/s；當運輸礦石物料為磨損性較大的物料時，有限元模擬輸送帶速度為2.0m/s～3.5m/s。

此外，對于輸送帶寬度的確定，應結合礦山開采方案，礦石物料特征、地形地貌等綜合確定，在計算皮帶寬度過程中應充分考慮礦石塊度。當礦石塊度較大時，則在給料點和卸料點容易出現堵塞現象。因此，一般需要結合皮帶寬度和物料的塊度校核，若根據計算獲得的皮帶寬度需要輸送大塊礦石物料時，此時可將皮帶的帶寬提高一級解決，若提高后仍然不滿足實際需求，那么需要將礦石物料破碎處理后才能進行輸送，否則將顯著增加礦石輸送成本，對礦山企業發展不利。本次對礦用履帶式移動皮帶輸送機進行了改進設計，結果表明，該移動式皮帶輸送機的物料輸送能力可達1470t/h，選擇的輸送帶寬度為0.83m，傳動滾筒直徑為324mm，傳動滾筒扭矩為1.8kNm，上托輥靜荷載0.15kN，上托輥動荷載0.19kN，下托輥靜荷載0.41kN和下托輥動荷載0.50kN，其參數滿足礦山實際需求，說明本次改進設計是合理的。

2.3 礦山應用分析

雖然對礦用履帶式移動皮帶輸送機的桁架結構和皮帶輸送機進行了改進設計，并在有限元模型的模擬分析中取得了良好的應用效果，其模擬數據完全滿足礦山實際需求，但仍需經過實踐檢驗才能確定改進設計的優越性。將改進后的礦用履帶式移動皮帶輸送機應用于礦山生產中，其設計運輸能力為1000t/h，在實際應用中達到了生產要求。同時改進設計后的桁架結構穩定性更好，對皮帶起到了良好的支撐作用。此外，移動皮帶輸送機的輸送系統達到了預期的設計，滿足了礦山實際需求，通過設備采購對比顯示，使用該設備能夠降低設備采購費用約600萬元，設備運行成本降低約550萬元，顯著的提高了礦山企業的實際經濟效益，說明本次改進設計是合理的。

3 結語

綜上所述，礦山開采工藝以及礦石物料特征等對礦用履帶式移動皮帶輸送機設計影響較大，是確定輸送機各個零部件參數的重要計算指標，對改進設計意義重大。本文通過某礦山實例，在有限元模型模擬分析的基礎上著重對其進行了改進，認為桁架中空心管的尺寸為180mm×180mm×180mm（弦桿）和80mm×80mm×6mm（腹桿），焊接縫為6mm～7mm時能夠有效的提升桁架穩定性，改進后的設計生產力為1000t/h，在礦山實踐應用中取得了良好的應用效果。