礦用帶式輸送機卷帶機設計與研究

魏 利

（晉能控股煤業集團同家梁礦機運一區， 山西 大同 037025）

引言

在煤礦生產系統中，帶式輸送機是常見的一種物料運輸設備，主要用于輸送煤炭和部分機械設備，在實際輸送物料時可以在不同的位置點進行卸料，自身具有運量大、適應性強、可以進行連續輸送等優點。皮帶是帶式輸送機的關鍵承載構件，在實際物料輸送過程中，皮帶直接與物料接觸，承受較大的載荷，不僅會受到外部摩擦力的作用，同時會受到拉伸應力、彎曲應力等多種載荷的作用。所以，帶式輸送機膠帶常常會出現皮帶表面磨損嚴重、皮帶內部斷絲、發生斷帶等事故[1]，從而對經濟效益造成一定的損失。

根據煤礦安全管理要求和煤礦生產設備安全要求，對于磨損嚴重甚至承載力不達標的皮帶，需要進行定期更換，保證生產能力。傳統的皮帶更換主要是采用人工來完成，膠帶具有厚度大、強度高的特點。一般是幾卷膠帶通過兩兩對接硫化成一整條大長度膠帶在輸送機上運行，膠帶自重比較高，受到巷道作業空間的限制，在實際進行更換時相當困難。在實際換帶過程中主要存在以下問題[2]：換帶過程不同步，需要人力物力比較大，作業時間長，工人勞動強度大，對于企業的經濟損失比較大；受煤礦巷道作業空間的影響，換帶過程危險系數比較高，作業頻繁，容易發生人員傷亡事故。

基于以上對帶式輸送機皮帶更換存在的問題，本文通過對帶式輸送機皮帶更換傳統工藝進行相關研究，提出了一種卷帶機，可以代替人工完成井下帶式輸送機皮帶的更換，大大提高更換效率和速度。

1 帶式輸送機換帶工藝方案設計

傳統的換帶過程均是靠大量的人力來完成，具體工藝為：首先通過絞車或人工將需要更換的皮帶拆卸下來，并且將新帶通過人力使用某些工具或輔助設備鋪設到托輥上，通過硫化接頭將輸送帶進行連接，最后進行運行調試和糾偏。受到帶式輸送機皮帶自重比較大、內部有等距排布的鋼絲繩，在實際更換過程中需要的時間比較長，尤其是對于某些長距離大坡度的斜井帶式輸送機的更換，人工換帶變得相當困難，非常容易引發安全事故。

一般而言，在實際進行更換的過程中需要多臺絞車同時進行工作，每更換一段距離就需要重新進固定接頭，短巷帶式輸送機皮帶更換需要至少5～10 d 才能夠全部完成，耗時比較長，嚴重影響了企業的生產效益和產量。

為此，需要重新布置生產工藝，將皮帶的更換過程變得更加高效，如圖1 所示為本次提出的換帶工藝流程示意圖。

圖1 換帶工藝示意圖

如圖1 所示，換帶工藝主要包括了卷帶裝置、切帶裝置、夾帶裝置、收卷裝置四大部分，每一臺裝置完成一道工藝，最終代替人工完成對輸送帶的更換[3-4]。本次設計的卷帶機主要位于收放側，實現對舊帶的回收和對新帶的釋放，一臺設備完成兩步工藝。

2 卷帶機結構設計與參數化建模

目前卷帶機的主要設計思路有兩種，一種是中心收卷，另一種是表面收卷，這兩種收卷方式均可以實現對皮帶的更換，其中中心收卷方式是利用電動機連接減速器、驅動卷帶芯軸對輸送帶進行收卷，采用這樣的收卷方式結構相對比較簡單，最終能夠卷曲的膠帶較長，在一定程度上能夠節省設備的材料。表面收卷方式是利用電動機帶動表面卷取錕進行收卷，利用輸送帶自重使得表面產生一定的摩擦力進行卷取，線速度比較穩定[5-6]。

為此，設計了如圖2 所示的卷帶機三維結構，首先通過使用SolidWorks2019 參數化建模，建立卷帶機各個零部件的三維模型，然后對各個零部件進行智能裝配，得到卷帶機三維模型。

圖2 卷帶機參數化建模和結構組成圖

如圖2 所示為本次設計的卷帶機三維模型方案，卷帶機主要由機架、輸送帶、卷帶芯軸、電動機、減速器和支撐托輥等部分組成，通過將輸送帶送入卷帶機，利用電動機驅動卷帶芯軸將輸送帶繞著芯軸進行卷取，卷取過程更加平穩，相比于傳統的人工卷取，需要的人力成本較低，節省企業的生產成本。

3 皮帶收卷表面受力仿真分析

卷帶機在實際進行收卷過程中，皮帶將會發生彎曲變形，在不同變形期會出現不同的受力，受力不同對于芯軸的影響較大，為了分析皮帶所處的受力狀態，對卷帶機收卷受力情況進行了計算機數值模擬分析。

首先通過分析卷帶機工作原理和卷帶機帶的收卷方向，在多體系統動力學軟件recurdyn v8r3 建立了與實際情況相一致的輸送帶收卷系統仿真分析模型，通過設置壓力監測器，對輸送帶和托輥的壓力進行檢測，利用軟件系統自帶的坐標系運動方程理論和完全遞歸算法對建立好的模型進行求解計算。仿真分析結果表明：卷帶機在卷帶運動過程中帶靠近內側壓力值變化較大，通過調定不同的壓力值，分別設定壓力值為0.5 MPa、1 MPa 和1.5 MPa，分析結果表明隨著壓力值的增加，膠帶在靠近芯軸位置處膠帶出現應力集中，最大應力值為125 MPa。由于膠帶內部緊密排布有成股鋼絲繩，鋼絲繩受到最大的應力作用，對外部膠帶的應力相互作用，在鋼絲繩纏繞過程中需要保證一定的速度，纏繞速度快將會導致張力波動較大，速度慢會延長纏繞時間。所以，在卷帶機運行過程中需要控制好運行速度，盡可能保證膠帶勻速緊密纏繞到芯軸上，皮帶張力變得更小。

4 結語

針對傳統的人工卷帶存在工人勞動強度大、危險系數高、耗費時間長等問題，本文通過對國內現有的卷帶工藝進行研究，提出了使用多種工序結合的方式實現自動收卷，由此設計了一臺自動卷帶機，可以對煤礦帶式輸送機舊帶進行自動收卷，收卷后很容易拆卸，相比于傳統的人工卷帶而言，采用本次設計的卷帶機可以最大程度提高卷帶效率和節省卷帶時間，適合在煤礦中實現大范圍推廣應用。