抗沖擊耐屈撓抗撕裂鋼絲繩芯輸送帶的 研制及性能

閆山(鶴壁煤業運輸帶有限責任公司，河南 鶴壁 458000)

0 引言

在采礦、冶金等重工業生產中，鋼絲繩芯輸送帶具有載量大的優勢，能夠通過將覆蓋膠和骨架材料合理匹配延長輸送帶使用壽命，因此應用范圍較廣。但用于輸送不規則、質硬且尖銳的物料，容易出現撕裂、縱向劃破等問題，導致輸送帶無法繼續使用，引發資源的嚴重浪費。研制抗沖擊耐屈撓抗撕裂鋼絲繩芯輸送帶，滿足重工業對高性能輸送帶的使用需求。

1 鋼絲繩芯輸送帶研制需求

某鐵礦1 000 萬噸/年開采工程在鐵礦體開采期間，在深入地下100 m 位置遭遇了排巖系統輸送帶被刺穿和撕裂問題，給開礦作業進行帶來了阻礙。按照礦石開采流程，將先通過破碎站破碎成直徑不超300 mm小石塊，然后通過輸送帶運輸。分析輸送帶損壞原因可知，石塊棱角較為尖銳，從破碎站下落至輸送帶的高度距離達到6 m，導致輸送帶承受較大沖擊力，在拉伸強度不足、耐屈撓能力較弱的情況下，容易導致結構被撕裂。為解決問題，保證生產活動順利進行，要求完成抗沖擊、伸長率小、耐屈撓的輸送帶研制，避免輸送帶發生撕裂等損傷的同時，有效延長其使用壽命，滿足尖銳小礦石的長距離、高效運送需求。

2 鋼絲繩芯輸送帶的研制方案

2.1 骨架材料

從骨架材料來看，輸送帶可以劃分為棉帆布、聚酯帆布、鋼絲繩等多種，擁有耐油、阻燃、耐磨等不同性能[1]。根據輸送帶的研制需求，選用鋼絲繩作為估價材料，按照材質可以劃分為鍍銅和鍍鋅兩類。從使用壽命來看，需選用鍍鋅材質，外覆塑料避免生銹，滿足長期使用需求。在普通的鋼絲繩芯輸送帶中，僅在縱向上布置鋼絲繩，橫向缺少骨架結果，導致輸送帶受沖擊后容易出現開裂問題。在橫向設計增強體，從而形成抗撕裂層，達到改善輸送帶性能的目標。從增強體材料上來看，可以為鋼絲繩或纖維線繩，前者能夠提高橫向拉伸強度，增加開裂阻力，后者則擁有良好彈性，能夠改善結構抗沖擊性能。在綜合考量的基礎上，選用孟鋼合金材質的防撕裂線繩，編制成線圈形成抗撕裂層，達到同時提高輸送帶抗沖擊性和抗撕裂性能的目標。

2.2 骨架結構

按照上述思路，能夠形成由覆蓋膠、線圈、鋼絲繩和芯膠構成的骨架，輸送帶寬2 200±15 mm，長度達到14 400 mm，厚度在32.3～37.2 mm 之間，要求縱向拉伸強達到4 500 kN·m 以上。按照設計，選用Φ 8.8 mm鋼絲繩，沿著寬度方向排列，間隔為16±1.5 mm。鋼絲繩選用6×19 W+WSC 結構，在寬度方向上右交互捻，與左交互捻鋼絲繩保持間隔排列，使結構張力保持均勻。選用Φ 0.18 mm 的線圈，采用6×7 W+WSC 結構，按照多環合圍方式排列，形成長×寬為2 110 mm×315 mm的“回”字結構，確保各環線圈不會出現相互重疊問題，可以穩定傳輸信號，延長其使用壽命[2]。在覆蓋膠和芯膠之間，需要每隔50 m 布置一個線圈。依靠埋設在輸送帶內部的線圈，能夠輔助自動化監測裝置實現輸送帶故障的精確定位。因為在輸送帶因受到外部沖擊發生撕裂、損傷等異常的情況下，能夠通過線圈信號中斷情況進行精確定位，通過立即控制設備停機避免輸送帶受到更大損傷。在鋼絲繩上、下，都設計有覆蓋膠，厚度分別為15 mm 和10 mm，內部上、下分布芯膠，厚度均為4.8 mm。在帶體中間，需要在鋼絲繩間嵌入線圈，確認其天線與鋼絲結構保持相互垂直。在二者之間，需要填充厚5 mm、寬6 mm、長15 mm的膠條，并將線圈放在膠條上面，主體位于相鄰鋼絲繩間，上部再次覆蓋膠條，確保輸送帶在斷裂時不會給線圈帶來過多損傷。

2.3 覆蓋膠研制

在覆蓋膠研制方面，考慮到生產環境較差，覆蓋膠需要承受較大沖擊力，應達到高強、高彈、耐磨等性能要求，還要合理進行配方設計。不同于普通輸送帶，研制輸送帶表面覆蓋層應達到DIN-X 等級，至少達到25 MPa 的拉伸強度，同時磨耗量不超120 mm3。結合聚合物磨損機理可知，主要因彈性變形和塑性變形發生磨損。選用標準天然橡膠NR 和丁苯橡膠SBR作為主體材料，前者擁有良好彈性、較高強度，并且便于加工，后者則帶有較強耐屈撓、耐磨等性能，可以與其他材料較好混合。為進一步增強膠料拉伸性能，減少磨耗發生，需要添加補強劑。具體來講，需要搭配使用炭黑和硅烷偶聯劑，前者充分發揮補強作用，后者發揮架橋作用，確保主料和補強劑能夠較好混合[3]。此外，需要選擇低毒或無毒的抗老化、抗氧化和軟化劑等輔助制劑，確保覆蓋膠能夠獲得良好綜合性能。其中，軟化劑應以油類為主。因為橡膠極性較大，需要選用與之相近的增塑劑進行互溶，確保其不容易被油類抽出，在給膠料帶來良好的加工性能的同時，適當降低膠料用量。在固化劑選用方面，使用古馬隆樹脂可以使膠料獲得更強的黏性，同時不容易受油脂影響而析出，在硫化后可以使材料獲得較強的拉伸強度。根據粒徑結構、化學性質等各方面因素，合理確定材料類型和劑量，能夠得到如表1 所示的材料配比。

表1 覆蓋膠配比

從配制得到的膠料性能來看，按照相關技術標準在148 ℃的條件下進行材料物理性能30 min 測試，可知材料邵爾A 型硬度為62°，拉伸強度達到27.2 MPa，拉斷時的伸長率達到555%。在148 ℃和96 h 下進行材料熱空氣老化性能測試，能夠得到材料拉伸強度為27.2 MPa，拉斷時的伸長率達到477%。在40 ℃條件下，材料拉伸率達到20%，臭氧體積分數達到1×10-4，材料能夠成功通過臭氧老化測試，最終并未出現龜裂等缺陷，因此說明材料性能符合要求。

2.4 芯膠研制

在芯膠研制方面，可知其又被稱之為粘合膠，應確保覆蓋膠的橡膠和鋼絲繩能夠高強度粘合，確保形成的結構可以獲得較高的抗沖擊、抗撕裂等性能，達到延長輸送帶使用壽命的目標?，F階段，市面上多采用簡單粘合體系，僅能對鋼絲繩和橡膠進行靜態粘合，在輸送帶使用期間則容易出現動態粘合性不足問題。經過多次屈撓后，將發生芯膠與鋼絲繩剝離開來的情況，導致中空層的產生，最終引發輸送帶整體性能下降情況[4]。為解決這一問題，增強輸送帶的耐屈撓特性，需要采用鈷鹽粘合技術進行芯膠配制。依靠鈷鹽螯合鍵，可以起到促進橡膠材料和金屬鋼絲繩粘合的效果。但在實際設計芯膠配比時，應注意鈷鹽過多將加速橡膠材質老化，過少則無法取得理想粘合效果，需要通過反復試驗確定用量。在粘合體系設計上，在使用鈷鹽的同時，需要同時使用白炭黑、間苯二酚-乙醛樹脂等增強材料老化前后的粘合性。添加粘合劑，也可以提高材料粘合強度。芯膠主料依然為NR 和SBR，而采用天然橡膠進行硫化加工，要求達到較高定伸應力，通過適當增加硫磺用量增強材料的粘結強度。但使用NR 和SBR 只能完成少量硫磺溶解，因此要求硫磺用量不超2 份，以免出現噴霜問題，導致芯膠在硫化期間發生還原問題，出現粘合性能和力學性能下降情況。為此，還應選擇不溶性硫磺增強橡膠和骨架的粘合情況。對促進劑進行選擇，從粘合性、工藝安全等多方面進行考量，要求膠料在反應前深入鋼絲之間，因此選用磺酰胺類促進劑，可以獲得焦燒時間，后效性良好，取得良好促進效果。在補強劑選擇上，考量到使用的橡膠并非結晶材料，需要進行補強填充，確?？梢垣@得良好力學性能。而炭黑補強性較好，擁有較大比表面積，實際選擇時應注意中超耐磨炭黑盡管擁有較好補強效果，但在混煉時受熱將引發膠黏劑失效問題。而作為芯膠材料要求具備良好流動性，確保與鋼絲繩緊密接觸，產生大量交聯鍵。選用高耐磨炭黑和白炭黑，依靠白炭黑表面氫鍵、羥基構成極性和非極性部分，可以同時增強補強和粘合性能。通過綜合分析，能夠得到芯膠配比，如表2 所示。

表2 芯膠配比

從芯膠性能來看，按照相關技術規范進行物理性能測試，能夠得到邵爾A 型硬度為70°，材料的拉伸強度達到17.8 MPa，拉斷時的伸長率達到470%。經過熱空氣老化性能測試，能夠得到材料拉伸強度為16.0 MPa，拉斷時的伸長率達到395%。此外，芯膠也能通過臭氧老化測試，各項性能指標均符合要求。

2.5 工藝方案

在研制的輸送帶產品生產方面，設計的工藝流程與普通輸送帶接近，需要先完成膠料配制，然后進行成型加工，最后完成硫化處理。在不同的生產工序，還要合理進行工藝選擇，確保生成的產品綜合性能良好。

首先，在膠料配制時，需選用密煉機進行混煉加工，確保各種材料能夠均勻混合，得到性能穩定的膠料。膠料混煉效果直接影響輸送帶最終拉伸強度，混煉過程中應明確加料順序，要求在完成補強劑填充后進行軟化劑添加，避免導致其他填充劑、炭黑等材料出現結團不均情況。在覆蓋膠混煉過程中，輥距應控制在0.5～1.0 mm 之間，溫度在55～65 ℃范圍。由于天然橡膠塑性在0.22～0.28 范圍內，早期添加天然橡膠時應先將輥距調至2 mm，后續添加SBR、氧化鋅、硬脂酸、防老劑和樹脂材料時，可以逐漸縮小輥距。之后，依次添加炭黑、偶聯劑、硫磺和促進劑等材料。經過6～8 遍加工后，將輥距調至3～4 mm，能夠完成膠片制備。為保證覆蓋膠能夠均勻混煉，在壓片出型時應確認煉膠溫度和可塑度匹配，同時輥距兩側一致，卷取松緊度相同，期間應保證溫度和壓延速度穩定，以免出現薄厚不均或產生明疤等缺陷。在芯膠混煉過程中，應嚴格控制溫度，避免因溫度過高造成易揮發性物質未能得到充分揮發，最終造成膠片粘合強度下降，實際溫度應控制在50～60 ℃之間。得到膠片后，使用隔離液處理，在冷卻、晾干后可以備用，應確認在室溫條件下停放時間在6～24 h 內，避免時間過短導致膠片內殘留氣泡，也避免時間過長造成膠料產生噴霜和自硫問題，導致粘合度下降。

分上下在骨架上布置覆蓋膠和芯膠膠片布置后，可以進行成型加工，但采取以往的壓延工藝，擠出過程中存在各層結構不密實的問題，內部存在殘留氣體，硫化后將出現皺紋、氣泡等缺陷，導致輸送帶在后期使用過程中容易出現內部脫層開裂問題，抗沖擊等性能較差。針對這一問題，需要采用帶坯成型工藝，先對上層的覆蓋膠和芯膠進行壓合。在下層覆蓋膠和芯膠之間，需要等間距布置線圈，然后對下層膠料進行壓合。將得到的膠片然后分別布置在鋼絲繩上、下，可以進行冷壓加工。在成型階段，應先做好骨架材料排列，對鋼絲繩進行等間距和左右交錯間隔排列，確保每根鋼絲繩的張力相同，形成平穩結構。使用液壓馬達進行繩軸初張力控制，并使用拉帶機同步拉帶坯進模，與成型車聯動作業，能夠在恒張力條件下完成合模加工。為防止模內鋼絲繩出現彎曲情況，需要在成型機前布置分梳器，確保帶坯成型期間鋼絲繩保持均勻分布狀態，有效保證產品質量。在實踐操作過程中，需要按照左右捻相間排列方式將鋼絲繩掛于錠子架上，逐根穿過改向輥，然后通過分梳器和夾持器后進入張力站。在牽引板上捆扎各股鋼絲繩，利用定位板固定后，將鋼絲繩牽出，進入到冷壓平板。張力大小在3.8±0.5 MPa 之間，冷壓平板壓力在3～4 MPa 范圍。在芯膠和鋼絲繩緊密貼合的情況下，能夠使膠片保持較好的流動狀態。在鋼絲繩外側布置5 mm 厚膠條，進行30 s 冷壓，確認不存在張口問題。合膠時，應確認縱向搭接在0～3mm 之間，橫向在10～15 mm之間，兩側的邊膠寬相同，做到輥實。在規定張力條件下進行成型加工，避免鋼絲繩間距不均。為避免布局出現膠量過多，導致后續硫化時對鋼絲繩產生過度擠壓，引發張力不均情況，壓延期間應做到不改變速度和突然停車。在8 MPa 壓力條件下進行合模加工，經過60～90 s 后能夠得到成型的半成品，應確認帶坯兩側不存在張嘴問題。針對線圈所在帶坯位置，需要沿著線圈內、外側扎孔排氣，禁止在線圈上方扎孔，以免結構受損。

在硫化加工階段，通常橡膠制品將在140～160 ℃條件下硫化，具體需要結合材料配比和輸送帶厚度情況確認，最終將硫化溫度設定為150±1 ℃。帶坯硫化，進模前提前確認邊部是否存在粘合不牢或搭接位置漏搭等情況，發現問題立即修補，然后再次涂抹脫模劑。使用脫模劑，應加強配比和用量控制，避免滲入夾溝，以免引發明疤等缺陷。在加工前，應確認坯處于硫化板中心線的位置，避免因結構偏移造成鋼絲繩受到擠壓。為將帶面氣體充分排出，可以進行二次緩壓?？紤]到輸送帶的厚度較大，需要適當提高硫化壓力，以免材料產生氣泡，在改善材料物理性能的同時，增強結構致密性。此外，通過提高交聯密度，也可以加速膠料在鋼絲繩間的滲透，達到較高粘合強度。通過反復試驗，最終將硫化壓力設定為15 MPa，蒸汽壓力達到0.4 MPa，利用模壓方式分段連續硫化50 min。

2.6 性能分析

對研制的輸送帶產品進行性能測試，確認能否達到設計要求，從而驗證產品生產方案的有效性。按照相關技術標準對產品物理機械性能進行測試，可以得到單根鋼絲繩強度可以達到89.2 kN，線圈強度為3.7 kN。對輸送帶各項特性進行測試，可知抗沖擊初始破損和穿透能量分別達到1 850 J 和3 070 J，屈撓100 萬次后結構粘合強度可以達到176 kN/m，覆膠率仍然為100%，而輸送帶縱向撕裂強度可以達到8.3 kN/m。按照產品生產標準進行測試，如表3 所示為產品主要性能指標，可知各項性能較優。將研制的輸送帶安裝在輸送線上，按照4.5 m/s 速度運行，經過為期3 個月的運轉后，輸送帶始終未出現破裂或受損情況。而利用輸送帶內部線圈，可以配合采用防撕裂系統進行生產監測，在線圈受到破壞時將發出報警信號，提醒人員及時處理。人員在現場手持與線圈配套的移動終端設備，可以在距離芯片1 m 位置獲得感應信號，獲得相關檢測數據。此外，通過互聯網，能夠在線確認輸送帶的運行情況，并在輸送帶受損后精確定位受損位置，發出制動指令，在5～72 m 內將輸送線停下，避免輸送帶受損過多，出現無法繼續使用問題。因此研制的輸送帶在擁有良好物理機械性能的同時，能夠體現智能化特點，可以有效延長輸送帶使用壽命。

表3 產品主要性能指標

3 結語

在鋼絲繩芯輸送帶研制方面，合理進行骨架材料選用，并做到橫向排布抗撕裂線圈，能夠有效提高輸送帶抗沖擊和抗撕裂等性能。在做好骨架結構設計的基礎上，完成耐磨、拉伸強度高、彈性佳的覆蓋膠、芯膠研制，能夠進一步優化輸送帶耐屈撓等特性。采用混煉和冷壓成型等生產工藝，最終生產出各項性能符合要求的輸送帶產品，能夠為解決礦石輸送問題提供有效方案。