高效多用卷帶機設計與應用*

王洪賓 楊永望

國能黃驊港務有限責任公司 滄州 061100

0 引言

帶式輸送機常用于散料連續輸送領域，具有結構簡單、高可靠性、高效率、經濟性好等優點，被廣泛應用于礦山、建材、食品、物流等行業。帶式輸送機規模化的應用在提升工業生產效率的同時也產生了輸送帶安裝與回收的難題。研究表明，我國輸送帶年產量近年較為穩定，每年輸送帶年產量在5億m2的水平上下小幅波動。每年我國都將有大量的輸送帶需要安裝和回收。帶式輸送機輸送帶的安裝及更換一直都是廣大技術人員面臨的重要問題，每臺設備都面臨著不同的安裝環境和較難統一的方法，需要不同的維修工藝和更多設備投入。如何解決好輸送帶的安裝和舊輸送的回收問題，是制約企業生產運營效率和安全的技術關鍵之一，然而目前國內外適用的卷帶裝置均為固定式安裝且多應用于井下環境，使用效率低、投資大、應用場景單一、運輸困難安裝環境苛刻，因此，需開發研制可移動的多用地面卷帶機，開發高效環境友好的設備安裝方法和輸送帶回收裝置，實現新輸送帶的高效安裝和廢舊輸送帶無污染的定制回收。

有關卷帶機的設計研究多圍繞井下固定式安裝和自行走換帶裝置展開，驅動系統多采用液壓動力系統，對于適用于多場景多功能的高效卷帶機公開發表的資料相對較少。研究早期，相關工作主要是對卷帶機的工作原理、結構特點和操作方法進行總結。程常現[1]對包裝印刷中料帶復卷裝置的張力控制原理進行了研究，為包裝復卷設備的設計與選擇提供了依據；黃雷等[2]比較分析了卷帶機的優缺點，探討了卷帶機在井下的應用前景；李勇[3]總結了可伸縮帶式輸送機卷帶機的現狀和發展趨勢；王道明等[4]采用仿真和試驗的方法研究了卷帶機驅動液壓系統恒功率特性。近年來，對卷帶機的研究多集中于動力系統控制和產品的改型研究方面。姚志功[5]基于井下多功能產運平臺，設計了一種緊湊型大扭矩車載式卷帶機；王淵[6]根據實際生產需求對順槽帶式輸送機卷帶機進行了設計和動力學分析，并開展了工業應用試驗，顯著降低了人員勞動強度。本文在以上研究的基礎上，從卷帶機原理和結構組成出發，重點了設計了電動機驅動的可重復利用卷軸裝置，結合卷帶機的特點，提出了多功能卷帶機的結構；利用叉車的良好機動性能，設計了可配載叉車卷帶機的掛鉤裝置和機架，為進一步拓展卷帶機的應用場景提供新思路。

2 卷帶機設計原理

卷帶機系統由機架、卷軸、卷筒、定位擋圈、定位盤、控制系統和驅動裝置等組成，組成結構如圖1所示。卷帶機采用機電一體化設計，可利用操作臺或操作手柄控制卷帶機的主卷軸的轉動，使用操作手柄大幅減輕了現場操作人員的勞動強度，方便在現場使用，提升了維修效率和安全性。為了克服卷帶機機動性差的弊端，采用在卷帶機機架上設置叉車掛桿，通過安裝在叉車上的掛鉤掛接在卷帶機掛桿上實現與叉車配載使用，充分利用叉車承載能力大和機動性好的優點實現卷帶機的移動功能。卷軸基于可拆卸重復利用卷軸的設計思路，研制了可重復利用卷軸裝置。卷軸的驅動裝置應具有較大的負載能力，卷軸轉速控制應具備調速功能，滿足不同輸送帶帶卷直徑的安全卷制。傳動系統應充分考慮操作的安全性。卷帶機應具有豐富的功能擴展空間，滿足多種柔性物體的卷收作業，同時應考慮對環境的友好性，避免造成環境污染。

圖1 卷帶機結構示意圖

卷帶機可固定位置使用也可掛載在叉車上使用，將卷筒安裝在卷軸上后，輸送帶連接在卷筒上。啟動卷帶機后，卷軸開始沿固定轉向牽引卷收輸送帶，當輸送帶卷制至固定直徑時，將輸送帶截斷，輸送帶連同卷筒一起拆除后，卷制完成的輸送帶卷放至固定位置，完成一次卷收作業。

3 卷帶機設計

3.1 卷軸裝置

卷軸裝置包含卷軸和卷筒。卷軸是卷帶機的核心組件，起著傳遞扭矩和承載輸送帶帶卷質量的作用，既應拆卸方便又應具有足夠的強度，卷軸結構如圖2所示。卷軸一端通過銷軸孔連接驅動裝置，一端直接連接負載端。卷軸采用無縫厚壁管，厚壁管內部裝入十字通長筋板并與厚壁管焊接，卷軸驅動側設置有與卷筒安裝定位用的插塊，卷軸通過銷軸孔與驅動裝置連接，卷軸非驅動側均勻布置2排定位錐孔，定位錐孔的數量和排布位置可根據卷制產品的特點靈活布置，卷筒一端安裝有與卷軸上卷筒插塊匹配的開孔，另一端卷軸可自由伸出，卷筒結構如圖3所示，當卷筒安裝在卷軸上后，將卷筒端部對入卷筒插塊，卷筒插塊的作用是保證卷筒與卷軸同步旋轉。通過調整定位擋圈的位置，將擋圈頂在卷筒另一端部，定位擋圈上設計有螺紋孔，定位擋圈頂在卷筒端部后，將定位螺栓穿入定位擋圈上的對應螺紋孔，擰緊定位螺栓，使定位螺栓擰入定位錐孔內，將卷筒在卷軸上固定。

圖2 卷軸結構示意圖

圖3 卷筒結構示意圖

相鄰定位錐孔的中心間距小于卷筒插塊的長度，防止卷筒在卷軸上的軸向竄動掉出卷筒插塊，定位擋圈能夠鎖緊卷筒的軸向竄動量不大于2個定位錐孔間距，保證卷軸的軸向力能夠有效傳遞。卷軸內部裝入十字筋板與厚壁圓管等長，可有效增強卷軸的結構抗彎強度，同時相比實心卷軸降低了卷軸自重，便于在輸送帶卷收完成后高效地拆卸卷軸。卷軸驅動端通過銷軸插入連接卷帶裝置驅動側，為固定端，使卷軸系統與卷帶裝置驅動端連接，卷軸另外一端放置在卷帶機機架上的U形開口支撐處，采用旋轉活動端的設計可實現卷軸在機架U形開口支撐處的自由轉動，還可消減卷軸與卷帶裝置驅動減速器不同心對卷帶機的影響，減少對卷帶機驅動裝置徑向沖擊載荷，延長設備使用壽命，方便卷軸的拆卸。

卷筒在卷軸上安裝完成后，將卷軸系統裝入卷帶裝置，插入銷軸。啟動卷帶裝置，當輸送帶卷收完成后停止卷帶裝置，拿出卷軸驅動側的銷軸，將卷收完成的輸送帶連同卷軸系統一同向U形開口立柱處移出，卷軸從卷筒中抽出裝入新的卷筒，安裝于卷帶裝置上后可進行新輸送帶的卷收，實現了卷軸的可重復利用。

3.2 機架和驅動裝置

卷帶機機架為焊接結構，其主要作用是支撐卷帶機上的各種部件，固定卷軸主驅動裝置。機架本身具有良好的穩定性和承載特性，可滿足20 t輸送帶的承重。因卷帶機本身無行走功能，為了滿足現場的多點多應用場景的使用，設計開發出了可配載叉車使用的卷帶機機架。機架底部平臺放置在貨叉上，通過安裝在叉車貨架兩側的掛鉤錨固在卷帶機機架掛桿上，如圖4所示，實現卷帶機與叉車的穩固連接，從而可以利用叉車良好的機動性能實現卷帶機的自由移動卷制。卷制完成的輸送帶可由叉車連同卷帶機一起直接倒短運輸，豐富了輸送帶安裝與運輸的方法，減少了維修資源的占用。

圖4 叉車連接掛件實物圖

驅動裝置采用蝸桿蝸輪減速傳動，充分利用渦輪蝸桿減速器結構緊湊、傳動效率高、承載能力強、運行穩定可靠的優點，實現大傳動扭矩輸出，并通過蝸輪蝸桿減速器的良好自鎖性能，防止輸送帶帶卷的倒轉。驅動裝置可以實現正、反雙向旋轉輸出，主卷軸驅動電動機通過變頻器控制實現卷軸轉速的調節，可以提供多擋轉速供操作人員選擇，在卷帶機啟動卷帶初始階段采用較高轉速控制卷軸進行輸送帶卷收，在輸送帶帶卷直徑變大后，采用較低轉速進行輸送帶卷收，避免出現輸送帶卷制過程中，隨著帶卷直徑變大帶卷線速度越來越大的弊端。驅動電動機下方設計有電纜卷盤箱，可存放50 m電纜，滿足配載叉車在50 m半徑范圍內對輸送帶移動卷收作業時的卷帶機供電需求。

3.3 卷帶機性能參數

卷帶機整機占用空間小，整體空間結構尺寸3 400 mm×2 500 mm×2 000 mm（長×寬×高），可搭載于多種型號的叉車上使用。卷帶機采用可重復利用卷軸設計，每卷制一次輸送帶需消耗一個卷筒，通過調節定位擋圈的位置可以實現對不同帶寬輸送帶的卷收，輸送帶帶寬的卷制適用范圍為0～2 400 mm，卷軸可以反復使用。在卷軸上安裝不同形式的卷筒還可實現對鋼絲繩、線繩、電纜等柔性件的卷制，實現一機多用的多功能應用。驅動裝置采用蝸輪蝸桿減速器，具有防倒轉的性能特點，特別對于傾斜帶式輸送機輸送帶的牽引卷收具有較高的安全性。卷帶機一次性輸送帶卷收長度最大為250 m，最大牽引力輸出可達80 kN，可與叉車配載使用，實現戶外作業靈活移動，較之國內外同類型產品，新型卷帶機具有移動靈活、結構簡單、整機強度高、操作簡便、輸出扭矩大、無污染、能耗低、維護成本低的特點。

卷帶機的適用場景多樣，不僅可用于井下、地面和高架帶式輸送機，對大型筒倉頂部廊道內帶式輸送機的輸送帶安裝與回收也能發揮關鍵作用，特別是對于地面鋪開輸送帶的回收，可搭載在叉車上實現靈活卷收和直接運輸，減少了路面流動機械的使用，為工程技術人員提供了較大的維修方案選擇空間。

4 應用效果

卷帶機系統研發后在某港口推廣應用，如圖5所示，研制開發了3套不同能力的卷帶機，近5年年均卷制輸送帶長度近20 000 m，使該港口對帶式輸送機輸送帶的安裝與回收作業模式發生了本質變化，取得了良好的工程示范應用效果。主要表現在以下方面：

圖5 卷帶機實物圖

1）提高帶式輸送機輸送帶安裝與回收效率30%以上，大幅減少設備停機時間和人工消耗，促進港口行業帶式輸送機安裝由傳統依賴人工的模式到逐步實現自動化、數字化、智能化。

2）應用場景廣泛，對傳統固定式安裝卷帶機形成了技術升級。卷帶機不僅可以獨立固定式使用，還可以配載叉車實現對輸送帶的移動卷收。對于高架帶式輸送機，可以將卷帶機安放帶式輸送機在中間架上，作為牽引機在完成對新輸送帶的牽引的同時，完成對舊輸送帶的卷收，實現卷牽同步進行。改變了大型散貨港口人工定尺剪斷輸送帶，吊車在平板車上折疊平鋪輸送帶，人工卸車輸送帶的人工生產方式，有效改變了港區短輸送帶亂堆亂放的現象，形成了成卷定制定工位擺放廢舊輸送帶的新方式。

3）卷帶機系統功能具有充足的性能擴展空間。設備具有較大的輸送帶帶寬卷制適用范圍，可根據作業對象的不同，設計安裝不同形式的卷筒，還可以實現對鋼絲繩、線繩、電纜等柔性件的卷制，實現一機多用的多功能應用。

5 結語

1）研制了一種可配載叉車使用的新型卷帶機，滿足輸送帶卷收的靈活性、機動性要求，實現帶式輸送機輸送帶卷牽同步，具有防倒轉功能，大幅提升了輸送帶安裝效率，設備性能穩定可靠。

2）研制了一種可重復利用卷軸系統，能夠對不同帶寬的輸送帶進行卷收，可根據輸送帶寬度靈活調節卷筒鎖緊位置，實現對不同規格輸送帶的高效卷收。將變頻調速技術應用于主卷軸的控制，實現卷帶速度的調節，解決了帶卷直徑變大后輸送帶卷收線速度的控制問題。

3）解決了戶外長距離輸送帶的卷收問題，通過配載叉車實現輸送帶靈活移動卷收，并可利用叉車的機動性解決輸送帶卷收過程中的跑偏問題。搭配不同形式卷筒可實現鋼絲繩、電纜等其他柔性件的卷制。

通過卷帶機的設計與應用表明，采用新型卷帶機實現了帶式輸送機輸送帶的高效牽引與回收，減少了設備維護量和人員勞動強度，實現了自動化的輸送帶卷牽，具有工程應用價值。