BM皮帶機合理防滑實施方案

【摘要】本文針對BM皮帶機工作中膠帶易打滑現(xiàn)象，提出了一套合理的解決方案，確定了皮帶機在滿載情況下啟制動時膠帶的張緊力，繼而提出了傳動滾筒可采用陶瓷包膠技術(shù)。該方案實施后，皮帶機運行正常，達到了預(yù)期效果。

【關(guān)鍵詞】BM皮帶機；打滑；傳動滾筒；張緊力；摩擦力；陶瓷包膠

前言

神華天津煤碼頭公司年設(shè)計裝卸生產(chǎn)能力為4000萬噸，承擔著到港煤炭裝卸的艱巨任務(wù)，是煤炭下海前的最后一環(huán)。皮帶機設(shè)備是公司使用數(shù)量最多的長距離中間輸送設(shè)備。BM皮帶機是所有皮帶機中爬坡度最大、工作中還受裝船機移送影響的典型皮帶機系統(tǒng)，是取裝流程步入裝船機的最后連接輸送部分，相對其它地面皮帶機而言，BM皮帶機提升高度為25米左右，承受阻力較大，受力變化比較明顯，水平距離長，膠帶穿行路徑曲折，特別是在裝船機移倉作業(yè)過程中，皮帶機的受力情況更為復(fù)雜。

通常情況，要保持皮帶機系統(tǒng)的連續(xù)運行，只需保證皮帶機系統(tǒng)有足夠的張緊力。膠帶張緊力除了要滿足在滿載情況下皮帶機能正常啟制動運行，還同時要考慮皮帶機系統(tǒng)各部件自身的性能和使用壽命，如膠帶的合理抗拉強度范圍、滾筒及托輥的承載能力、各支撐鋼結(jié)構(gòu)的強度等，因此該膠帶張緊力需要調(diào)整在合理范圍內(nèi)。皮帶機系統(tǒng)長期使用后，膠帶和滾筒的膠面均磨損嚴重，膠帶面與傳動滾筒間摩擦系數(shù)大幅降低，若不及時增加膠帶張緊力，在雨雪霜霧天氣皮帶機很容易頻繁出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，但若增加膠帶張緊力過大，皮帶機系統(tǒng)各部件的使用壽命將會受到嚴重影響，因此能較為準確的計算出BM皮帶機系統(tǒng)的膠帶張緊力，并按照實際情況合理選用，對提高BM皮帶機系統(tǒng)的整體使用壽命和運行質(zhì)量至關(guān)重要。

一、BM皮帶機存在的問題

BM皮帶機自2006年建成投產(chǎn)以來，負荷大，運行時間長，皮帶機膠帶帶面和各滾筒膠面磨損嚴重，膠面發(fā)生碳化，膠帶和滾筒間摩擦力明顯減小，在啟動或上料的瞬間滾筒不能帶動皮帶按照正常速度運行，導(dǎo)致皮帶打滑，流程停止。尤其是在雨雪霜霧天氣，膠帶非承載面濕滑，傳動滾筒人字紋槽內(nèi)積水積煤等不能及時排出，BM皮帶機打滑故障更加頻繁，大大降低了取裝線的作業(yè)效率，而且造成各轉(zhuǎn)接點的沖擊和灑料，嚴重影響著公司的生產(chǎn)運營。BM皮帶機系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

二、合理的解決方案

針對膠帶帶面和滾筒膠面磨損后，膠帶經(jīng)常出現(xiàn)打滑故障，可以從增大滾筒與膠帶間的摩擦力和增加膠帶張緊力兩個方面著手解決。

增加膠帶張緊力可以增加皮帶機系統(tǒng)中各滾筒與膠帶間的摩擦力，但膠帶張緊力對皮帶機系統(tǒng)中各零部件的使用壽命甚至安全有著至關(guān)重要的影響，膠帶張緊力必須在設(shè)計允許范圍內(nèi)進行適當調(diào)整，因此有必要先確定皮帶機重載條件下的膠帶張緊力。合理選取膠帶張緊力的同時，還應(yīng)結(jié)合考慮增加膠帶與滾筒（尤其是傳動滾筒）之間的摩擦系數(shù)，以提高膠帶與滾筒間的摩擦力。

三、BM膠帶張緊力的計算

BM皮帶機系統(tǒng)驅(qū)動單元是由兩個傳動滾筒和三套驅(qū)動動力源組成，驅(qū)動動力源又由電動機、減速機、液力偶合器、機械聯(lián)軸器、制動器等部件組成。

BM皮帶機系統(tǒng)的設(shè)計條件，膠帶帶寬B為2m；正常運行帶速V為4.8m/s；皮帶機物料輸送段最大傾角δ為140；最大輸送量Q為6700t/h；頭、尾滾筒中心距水平長度Lh為516.24m；回空托輥間距au為3m；承載托輥間距a0為1m；煤炭堆密度為0.85t/m3的條件用于確定設(shè)備的能力，煤炭堆密度為0.95t/m3的條件用于計算設(shè)備的強度及功率；皮帶機提升高度H為24.9m；承載托輥的槽角λ為350；裝有前傾托輥段的長度l為270m；運行物料的最大粒度a為0.3m；前傾托輥的前傾角度ε為1.50；導(dǎo)料槽左右擋板寬度b1為1.33m；物料運行時在膠帶上的堆積角θ為150；托輥直徑d均為0.194m；面積折減系數(shù)k取0.91。

依據(jù)上述主要設(shè)計條件，對有關(guān)數(shù)值進行初步計算，每支承載托輥的轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量G1為27.32kg；V型回程托輥的載荷系數(shù)e2取0.63；每支回程托輥的轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量G2為37.65kg；承載、空載分之的模擬摩擦系數(shù)f1、f2均取0.022；每米物料質(zhì)量qG計算公式Q/（3.6×V）；每米回程托輥的轉(zhuǎn)動質(zhì)量qRU計算公式G2/au；每米膠帶質(zhì)量qB按膠帶出廠設(shè)明書取45kg/m；每米承載托輥的轉(zhuǎn)動質(zhì)量qRO計算公式3G1/a0；承載托輥的理論承載能力[P0]按托輥出廠設(shè)明書取11.6KN；回程托輥的理論承載能力[Pu1]按托輥出廠設(shè)明書取7270N；承載中托輥的載荷系數(shù)e1取0.8；承載托輥的實際靜載荷計算P0為3396N；直線段回程托輥的實際靜載荷計算Pu1為834.34N；托輥的運行系數(shù)fs取1.10；托輥的工況系數(shù)fa為1.1（有磨蝕及磨損性物料）；承載托輥的動載計算P/0為4931.1N；托輥的沖擊系數(shù)fd為1.2（該沖擊系數(shù)與帶速的大小和物料塊度的大小成正比）；承載托輥的過載系數(shù)A1計算：P0/P/0=2.35；直線段回程托輥的動載荷計算P/u1公式為fs×fa×Pu1；直線段回程托輥的過載系數(shù)A2計算：Pu1/P/u1=7.2。通過以上簡單計算可以看出，所有托輥的過載系數(shù)均大于1，根據(jù)最新皮帶機設(shè)計標準，所選托輥滿足系統(tǒng)的運行。

對BM皮帶機系統(tǒng)的各阻力進行計算，皮帶機卸料滾筒處設(shè)置P、H清掃器，該清掃器是多片型的，由聚氨酯制成的刮板和彈性支承托架等組成，每一片刮板均與膠帶接觸，能夠高效率地清除粘附在膠帶表面的物料，清掃的物料全部落入漏斗或溜槽內(nèi)，堆料皮帶機和裝船皮帶機頭部沒一組頭部清掃器，P、H清掃器數(shù)目n1為2及空段清掃器數(shù)目n2為2；托輥與膠帶面之間的摩擦系數(shù)μ0取0.35；P、H清掃器與膠帶的接觸面積A1計算為0.02m；空段清掃器與膠帶的接觸面積A2計算為0.03m；計算系數(shù)C為1.22；清掃器與膠帶面之間的接觸壓力p取恒定值為50KN.m；槽形系數(shù)Cε取為0.43；皮帶機凹弧段曲率半徑的設(shè)計滿足空載起動時，膠帶不脫離托輥的要求，物料與導(dǎo)料槽之間的摩擦系數(shù)μ2為0.6；清掃器與膠帶面之間的摩擦系數(shù)μ3為0.6；承載分支空載時的運行阻力F1計算公式為C×f1×g×（qRO+qB）×Lh；承載分支滿載時的運行阻力F2計算公式為C×f1×g×（qRO+qB+qG）×Lh；承載分支物料的提升阻力F3計算公式g×qG×H；承載分支膠帶的提升阻力F4計算公式g×qB×H；回空分支的運行阻力F5計算公式C×f2×g×（qRU+qB）×Lh；回空分支膠帶的提升阻力F6計算公式-g×qB×H；承載托輥前傾的摩擦阻力F7計算為5092.2N；回空V形前傾托輥的摩擦阻力F8計算為529.54N；多點給料的皮帶機尾部采用連續(xù)型導(dǎo)料槽，導(dǎo)料槽密封膠板應(yīng)整條制作，物料與導(dǎo)料板之間的摩擦阻力F9計算為5270.2N；回程分支清掃器刮板與膠帶面之間的摩擦阻力F11計算公式為μ3×P×A2×n2；P、H清掃器刮板與膠帶面之間的摩擦阻力F10計算公式μ3×P×A1×n1；系統(tǒng)空載時的運行阻力F空為35468.1N；系統(tǒng)滿載時的運行阻力F滿為188271.4N。以上各阻力的計算，均是參照有關(guān)設(shè)計資料和設(shè)計標準得出的，為下面的各關(guān)鍵點張力及膠帶張緊力計算提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)來源。

進行功率計算，根據(jù)原設(shè)計，皮帶機滿載運行時，電動機須在小于或等于額定電流的條件下運轉(zhuǎn)，BM皮帶機使用的驅(qū)動裝置數(shù)量m為3；減速機計算功率，是所配電機的銘牌功率和1.25的使用系數(shù)的乘積。減速機的發(fā)熱功率按計算軸功率的1.25倍來選取。要求液力聯(lián)軸節(jié)具有良好的緩沖性能和低的過載系數(shù)，既可確保皮帶機滿載起動，又不過分增大膠帶張力，在額定負荷下運轉(zhuǎn)時，最低的傳動效率在95%以上，根據(jù)液力聯(lián)軸節(jié)充油量與傳遞功率的關(guān)系曲線確定。系統(tǒng)空載運行時的軸功率N1為F空×V；系統(tǒng)滿載時運行的軸功率N2為F滿×V；總效率η（η由電機效率η1、耦合器的效率η2、減速器效率η3、低速聯(lián)軸器效率η4、多機驅(qū)動負載不平衡效率η5乘積所得）為0.82；每臺減速機滿載運行工況下的軸功率N3為N2/（η3×η4×η5）；每臺電機滿載運行工況下的實際功率N4為N2/η；依據(jù)設(shè)計標準和上述計算結(jié)果，推薦選用電機的額定功率N為400KW；系統(tǒng)空載運行時電機實際消耗的總功率N空為206.7KW；系統(tǒng)滿載運行時電機實際消耗的總功率N滿為1097.1KW；系統(tǒng)電機功率富裕系數(shù)為0.091，按皮帶機的最大輸送能力計算驅(qū)動電動機功率，所選電動機的功率和計算值相比，有5%的裕度，因此滿足功率設(shè)計要求。

進行關(guān)鍵點張力及張緊力的計算。所有滾筒軸為通軸，在最大荷載條件下，軸在軸承座之間的撓度在不計滾筒皮剛度的條件下小于L/2500。皮帶機系統(tǒng)的兩支傳動滾筒的圍包角Φ取為2000；膠帶與傳動滾筒面之間的摩擦系數(shù)μ為0.3；起動系數(shù)K為1.5；起動時I號傳動滾筒（靠近張緊裝置的一支）上最大圓周力FA計算公式K×F滿；I號傳動滾筒的不打滑張力Smin計算公式FA/（eμ×Φ-1）；取S1為Smin的計算值，則系統(tǒng)最小張緊力T≥2S=97000N，系統(tǒng)的實際張緊力T取97000N，液壓張緊裝置張緊力的設(shè)計滿足皮帶機滿載起制動時皮帶不打滑的要求。

在上述皮帶機張緊力作用下，可以計算出滿載運行時各關(guān)鍵點的張力，取S1為48.5KN；S2為50.3KN；S3等于236483.9N；S4為237683.9N；S5為236771.4N；S6為111257.1N。

應(yīng)用上述計算的膠帶張緊力，對BM皮帶機的關(guān)鍵部件及結(jié)構(gòu)進行受力校核。對最大張力及膠帶強度的校核，系統(tǒng)滿載運行時膠帶的最大張力Smax為S5，系統(tǒng)滿載啟動時膠帶的最大張力S啟max為341929N，膠帶機許用計算安全系數(shù)n為8，滿載運行時膠帶的縱向抗拉強度ST計算公式Smax×n/B，滿載啟動時膠帶的縱向抗拉強度S啟T為1367.7N，膠帶為阻燃型鋼絲繩芯膠帶，推選膠帶的縱向抗拉強度[Se]為1250，滿載運行時膠帶的實際安全系數(shù)n滿計算公式[Se]×B/Smax，滿載啟動時膠帶的實際安全系數(shù)n滿啟為7.31，計算結(jié)果滿足校核要求。對滾筒扭矩及合張力的校核，單臺電機輸出的牽引力F單為62757.1N；滿載運行時Ⅱ號傳動滾筒合張力FT1為S5與S6之和；滿載運行時Ⅱ號傳動滾筒扭矩2T1等于50205.7N；滿載運行時Ⅰ號傳動滾筒合張力FT2為S1與S6之和；滿載運行時Ⅰ號傳動滾筒扭矩2T2為Fu滿×D/2/m；頭部卸載滾筒的合張力FT3為S3與S4之和；尾部改向滾筒的合張力FT4為S1與S2之和；張緊滾筒的合張力FT5為2S1；張緊改向滾筒的合張力FT6為68579N，計算結(jié)果符合各滾筒受力要求。

四、合理選取張緊力和摩擦力

由傳動滾筒的不打滑張力Smin計算公式FA/（eμ×Φ-1）可知，皮帶機系統(tǒng)最小張緊力T≥2S，是BM皮帶機系統(tǒng)在滿載啟制動運行時的最小張力，Smin數(shù)值與FA成正比例關(guān)系，與摩擦系數(shù)μ和傳動滾筒的圍包角Φ成反比例關(guān)系，要解決皮帶打滑問題就需要提高傳動滾筒繞出點的圓周力即滾筒與皮帶之間的摩擦力。

BM皮帶機的張緊方式為液壓拉緊小車張緊，此液壓系統(tǒng)的額定系統(tǒng)壓力為16MP，投產(chǎn)初期BM皮帶機液壓張緊系統(tǒng)壓力為12MP，隨著皮帶機打滑故障的頻繁出現(xiàn)，我們將運行壓力調(diào)整至16MP，已經(jīng)達到液壓張緊系統(tǒng)的壓力極限，但仍無法有效解決打滑問題。如果無限度地增加皮帶張緊力就會導(dǎo)致大大降低皮帶機系統(tǒng)的安全系數(shù)，對膠帶及接頭強度造成損傷，滾筒等部件受力將無法保證，現(xiàn)有張緊方式不允許不打滑張緊力Smin無限增加。根據(jù)傳動滾筒繞出點的圓周力FA=Smin*（eμ×Φ-1）可知，在Smin基本確定的情況下，只有通過調(diào)整摩擦系數(shù)μ和傳動滾筒的圍包角Φ的數(shù)值來實現(xiàn)增大BM皮帶機傳動滾筒繞出點的圓周力FA的目標。。

通過增大傳動滾筒的包角Φ，從而能夠增大皮帶表面和滾筒包膠表面的摩擦力。通常的方式是調(diào)整改向滾筒的位置，來增大驅(qū)動滾筒的包角，這樣能夠增加皮帶與滾筒之間的接觸面積，從而增大皮帶機系統(tǒng)的摩擦力。但是，從現(xiàn)場實際情況看出，改向滾筒位置調(diào)整空間非常有限，已無法進行調(diào)整，所以通過增大傳動滾筒的包角的方案無法實施。

通過提高摩擦系數(shù)μ來增大摩擦力。皮帶機膠帶帶面和各滾筒膠面由于長時間運行磨損嚴重，膠面發(fā)生碳化，在潮濕情況下，BM皮帶與滾筒表面之間吹入雨水或霧水，使得驅(qū)動滾筒摩擦系數(shù)大幅度降低，從而導(dǎo)致打滑，出現(xiàn)膠帶速度故障。膠帶除表面磨損外其它性能指標均良好，為提高摩擦系數(shù)對整條膠帶進行更換勢必造成成本的浪費，所以只能通過改變傳動滾筒包膠材質(zhì)，來提高摩擦系數(shù)μ達到增加皮帶機傳動滾筒的摩擦力，是解決BM打滑問題的關(guān)鍵。

在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，我們將傳動滾筒膠面由普通橡膠改為陶瓷膠面，陶瓷膠面具有高摩擦系數(shù)的特點，μ值為0.5——0.8，遠高于系統(tǒng)設(shè)計時的摩擦系數(shù)0.3，提高了皮帶機傳動滾筒繞出點的摩擦力，有效避免傳動滾筒和膠帶間非正常的打滑故障；陶瓷膠面還具有高耐磨（是普通膠面的2——3倍）、低應(yīng)力、彈性好、自我清潔功能強等特點，有效的提高了滾筒膠面的使用壽命，降低了整體維修成本。

五、陶瓷包膠技術(shù)的實施及效果

我公司已對BM三條皮帶機的傳動滾筒進行了陶瓷包膠技術(shù)應(yīng)用。在保證膠帶滿足重載條件啟制動的張緊力情況下，液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力恢復(fù)至投產(chǎn)初期的12MP，而且壓力比較穩(wěn)定，改善了整個皮帶機設(shè)備的受力情況；由于陶瓷膠面良好的自我清潔功能減少物料粘附，降低了皮帶和滾筒的磨損，保證了設(shè)備部件的使用壽命，降低維護成本的同時滿足了膠帶的運行能力。

陶瓷包膠滾筒經(jīng)過3年時間的應(yīng)用，工作情況正常，從根本上解決了BM的打滑問題，杜絕了衍生其他設(shè)備故障的可能性，大大提高了取裝線的作業(yè)效率，為公司的正常運營提供了設(shè)備保障。