大柳塔選煤廠膠帶機(jī)帶式逆止裝置強(qiáng)度分析與安裝

白劉貴

摘 要：針對(duì)大柳塔選煤廠膠帶機(jī)帶式逆止裝置保護(hù)在設(shè)計(jì)、加工安裝過程不規(guī)范，導(dǎo)致膠帶機(jī)故障停車時(shí)帶式逆止裝置不起作用。因此對(duì)膠帶機(jī)帶式逆止裝置進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，并進(jìn)行分析，提出了對(duì)帶式逆止裝置加工過程材料規(guī)格型號(hào)、焊接、安裝要求等。從而提高膠帶機(jī)保護(hù)效果，降低膠帶機(jī)的故障停車后反轉(zhuǎn)事故，提高選煤廠生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：膠帶機(jī)；帶式逆止裝置；強(qiáng)度校核；安裝要求

中圖分類號(hào)：TD94 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）03-0022-04

Abstract： The belt backstop protection of belt conveyor in Daliuta Coal Preparation Plant is not standard in the process of design， processing and installation， which causes the belt reverse stop device to be ineffective when the belt machine fails to stop. Therefore， the strength of belt reverse stop device of belt conveyor is calculated and analyzed， and the material specification， welding and installation requirements of belt reverse stop device are put forward， in order to improve the protective effect of belt conveyor， reduce the reverse accident after the fault stop of belt conveyor， and improve the production efficiency of coal preparation plant.

Keywords： belt conveyor； belt backstop； strength check； installation requirements

1 概述

膠帶機(jī)是選煤廠重要的運(yùn)輸設(shè)備，其主要的功能是實(shí)現(xiàn)物料的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。由于從原煤從篩分、主洗、產(chǎn)品倉通過膠帶機(jī)運(yùn)輸，需要一定的傾角，有的膠帶機(jī)減速器沒有逆止器，在膠帶機(jī)故障停車，造成傾斜膠帶機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，為此神東洗選中心各選煤廠傾斜膠帶機(jī)必須安裝帶式逆止裝置保護(hù)，由于帶式逆止裝置屬于非標(biāo)加工件，在加工時(shí)沒有設(shè)計(jì)、加工標(biāo)準(zhǔn)隨意，導(dǎo)致加工出現(xiàn)帶式逆止裝置不起作用。為此對(duì)帶式逆止裝置設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，并對(duì)加工材料選擇、加工要求進(jìn)行說明是必不可少，同時(shí)明確對(duì)帶式逆止裝置安裝規(guī)范。

2 膠帶機(jī)帶式逆止裝置工作原理

膠帶機(jī)帶式逆止裝置工作原理是指帶式輸送機(jī)停車制動(dòng)裝置裝于傾斜帶式輸送機(jī)的頭部滾筒奔離點(diǎn)處停車時(shí)逆止帶，卷進(jìn)滾筒與輸送帶之間從而達(dá)到膠帶機(jī)的制動(dòng)。

3 大柳塔選煤廠膠帶機(jī)逆止裝置現(xiàn)狀分析

3.1 膠帶機(jī)運(yùn)行中存在問題

選煤廠膠帶機(jī)運(yùn)輸物料多數(shù)存在一定的高度提升，當(dāng)膠帶載物料運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)突發(fā)性事件，比如突然斷電，突發(fā)事故停車等事故時(shí)，在驅(qū)動(dòng)力停止的瞬間，最初由于慣性膠帶會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，這樣處在膠帶機(jī)下方的刮板有可能產(chǎn)生堆積煤，影響刮板的正常啟動(dòng)，在膠帶機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)停止下來后，由于存在上升角度，這樣由在上升段物料重力所產(chǎn)生的向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)會(huì)可能導(dǎo)致膠帶的逆運(yùn)行，這種膠帶機(jī)的逆轉(zhuǎn)同樣在生產(chǎn)中是極其有害的，會(huì)導(dǎo)致膠帶機(jī)機(jī)尾堆煤，影響正常起車，嚴(yán)重時(shí)如果沒有及時(shí)清理而起車時(shí)，會(huì)拽斷膠帶，如果堆積嚴(yán)重外泄則會(huì)阻塞膠帶機(jī)走廊，同時(shí)當(dāng)煤粘在皮帶滾筒上時(shí)會(huì)帶來運(yùn)行跑偏隱患。所以在生產(chǎn)中應(yīng)該盡最大努力消除這種有害現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 大柳塔選煤廠膠帶機(jī)現(xiàn)狀分析及存在問題

大柳塔選煤廠逐步在所有傾角的膠帶上都配備了作為輔助逆止裝置的皮帶逆止裝置。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)大柳塔選煤廠共有膠帶40余條，其中包括手選帶8條，由于帶速低沒有設(shè)置逆止裝置，還有10條水平皮帶也沒有安裝逆止裝置，其余22條都同時(shí)安裝了2種或2種以上的逆止裝置。在運(yùn)行過程中有帶式逆止裝置設(shè)計(jì)和加工不合理，以及安裝不合理，出現(xiàn)了帶面磨損加??；觸帶不夠起不到逆止效果，以及鋼材規(guī)格選擇不統(tǒng)一，造成強(qiáng)度不同。

為此要對(duì)帶式逆止裝置的加工強(qiáng)度校核、材料選擇進(jìn)行說明，確保給膠帶安裝制動(dòng)裝置和逆止裝置起到作用。制動(dòng)器的主要作用是阻止膠帶正方向運(yùn)行，大柳塔選煤廠膠帶機(jī)主要使用抱閘；逆止裝置的主要作用就是實(shí)現(xiàn)皮帶逆運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)作用。兩者在實(shí)際生產(chǎn)中是相輔相成的。

大柳塔選煤廠的膠帶逆止裝置主要有以下幾種：

（1）減速器自帶逆止裝置，一般在減速器的高速端，及一級(jí)傳動(dòng)軸非驅(qū)動(dòng)側(cè)，如410膠帶機(jī)使用的道奇減速器；也有在二級(jí)傳動(dòng)軸非驅(qū)動(dòng)側(cè)安裝的。

（2）驅(qū)動(dòng)滾筒非驅(qū)動(dòng)側(cè)逆止裝置。

由于大柳塔選煤廠使用的帶式逆止裝置的設(shè)計(jì)是根據(jù)大柳塔選煤廠參照相關(guān)皮帶逆止裝置標(biāo)準(zhǔn)自行加工安裝的。在膠帶機(jī)實(shí)現(xiàn)正常逆止的情況下還沒有對(duì)皮帶逆止裝置進(jìn)行相關(guān)力學(xué)理論分析，計(jì)算。因此一條膠帶除皮帶逆止裝置外其他逆止裝置都不運(yùn)行時(shí)，皮帶逆止裝置到底可不可以實(shí)現(xiàn)膠帶逆止，皮帶逆止裝置能不能滿足強(qiáng)度要求，原來都沒有進(jìn)行計(jì)算。因此對(duì)膠帶機(jī)帶式逆止裝置進(jìn)行強(qiáng)度校核是有必要的。

4 大柳塔選煤廠膠帶機(jī)逆止裝置強(qiáng)度校核

4.1 大柳塔選煤廠410膠帶機(jī)膠帶受力分析

以大柳塔選煤廠410膠帶技術(shù)參數(shù)為例，對(duì)膠帶機(jī)的帶式逆止器進(jìn)強(qiáng)度校核。endprint

當(dāng)膠帶機(jī)正常停車時(shí)，及膠帶上沒有物料時(shí)，制動(dòng)器會(huì)自動(dòng)制動(dòng)，使膠帶機(jī)停止，由于皮帶自身摩擦力的作用不會(huì)出現(xiàn)逆止運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)膠帶機(jī)載有物料時(shí)，可以通過分析得出：對(duì)于傾斜輸送機(jī)，通過輸送帶作用于傳動(dòng)滾筒上的最大逆轉(zhuǎn)力出現(xiàn)在輸送機(jī)承載段只有上升段滿載，而其他段為空載的條件下，具體見以下計(jì)算說明。

（1）皮帶正方向運(yùn)轉(zhuǎn)受力分析

m，m1，m2為三段的物料質(zhì)量，θ為皮帶爬坡傾角。

皮帶正方向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有：F=（m1+m2）g·f+mg cos？茲成立，由于v是恒定值所以沒有加速度。F為驅(qū)動(dòng)力，g為重力常數(shù)，f為摩擦系數(shù)。

（2）故障停車受力分析

當(dāng)出現(xiàn)停車時(shí)，由于沒有了正方向的驅(qū)動(dòng)力，而提升段卻能產(chǎn)生向下的動(dòng)力，所以有：mg sin？茲-[（m1+m2）g·f+mgf cos？茲]=（m1+m2+mg cos？茲）a

要出現(xiàn)最大的加速度a從而產(chǎn)生最大的v1那么對(duì)于等式的左邊而言，只能是減少[（m1+m2）g·f+mgf cos？茲]的數(shù)值，由于m是驅(qū)動(dòng)力的來源，所以只有m1+m2=0時(shí)才有最大的a值。所以有：對(duì)于傾斜輸送機(jī)，通過輸送帶作用于傳動(dòng)滾筒上的最大逆轉(zhuǎn)力出現(xiàn)在輸送機(jī)承載段只有上升段滿載，而其他段為空載的條件下。

如圖，對(duì)于L長(zhǎng)度皮帶物料總重力G=L·qG·g=qG·g·■

由于傾斜力只有沿？茲方向才產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)作用力，所以沿？茲方向G的分力G'=G·sin？茲=qG·g·H

為阻止逆轉(zhuǎn)，傳動(dòng)滾筒上需要逆止力FL，

FL=Fst-0.8fg[L（qRO+qRu+2qB）+（H×qG）÷sin？啄]

Fst：傾斜阻力Fst=qG×g×H=15555.55n

qG：每米輸送物料質(zhì)量（kg）：105.83

g ：重力加速度，一般取9.8n/kg

H：輸送機(jī)受料點(diǎn)與卸料點(diǎn)高差（m）：15

f：模擬摩擦系數(shù)（工作環(huán)境好，制造良好，帶速低取0.02；多塵，過載，高帶速，安裝不良，托輥質(zhì)量差，取0.023-0.03；按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，調(diào)整好，取0.022。根據(jù)410膠帶工作環(huán)境，帶速取0.026）

qRo：輸送機(jī)承載分支每米托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量（kg）： 20.8

qRu：輸送機(jī)回程分支每米托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量（kg）： 6.7

L：輸送機(jī)長(zhǎng)度：196m

δ：輸送機(jī)上傾角：12.5°

qB：承載或回程分支每米輸送帶每米質(zhì)量（kg）：15

FL=13801.15N

作用于傳動(dòng)滾筒上的逆止力矩，

M'L=（FL×D）÷2000=6.9kn·m

減速器高速軸上需要的逆止力矩：

ML=M'L÷（？濁·i）=0.244kn·m

現(xiàn)在來計(jì)算僅有皮帶逆止裝置工作時(shí)的狀況：

根據(jù)洗選中心下發(fā)的關(guān)于帶式逆止裝置安裝標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性410選擇了與運(yùn)載皮帶相同規(guī)格的皮帶NN300×1200×5（3+1.5）作為逆止裝置用皮帶，皮帶逆止裝置包括三部分組成：皮帶：M20×45螺栓8顆，1200mm槽鋼支架。

4.2 皮帶強(qiáng)度受力校核

分析皮帶逆止裝置的受力可知道：對(duì)于處于逆止作用的皮帶可分為四部分：第一部分是被壓在滾筒和載料皮帶中間主要受壓應(yīng)力的皮帶，第二部分是槽鋼與滾筒之間的皮帶，主要受拉應(yīng)力，第三部分是處于壓應(yīng)力和拉應(yīng)力之間的過度皮帶，第四部分是被螺栓固定的皮帶，這四部分中受集中作用力的是第三部分和第四部分。

現(xiàn)在計(jì)算假設(shè)皮帶逆止裝置其他裝置都是理想的情況下第三部分的受力（對(duì)于第四部分受力將分為倆部分一部分在螺栓部分驗(yàn)證）：

由NN300×1200×5（3+1.5）知道皮帶每層扯斷強(qiáng)度為300N/mm，皮帶共有5層，其中上層膠3層（工作面），下層膠1.5層（非工作面），查工具書DTΙΙ（A）型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)知道NN300×1200×5（3+1.5）膠帶每層厚度1.25mm，膠帶在受力是會(huì)伸長(zhǎng)，同樣可查伸長(zhǎng)率為1.5%～2%，取最大伸長(zhǎng)率2%，則對(duì)于帶寬1200mm的皮帶最小橫截面為

s=1200×6.13=7356mm2，

拉斷最小橫截面需要拉力

F=s×300×5=110340kn>>13.80115kn，

這說明在皮帶產(chǎn)生最大的傾斜拉力時(shí)皮帶是安全可靠的；對(duì)于第四部分（即是被打孔的橫截面的強(qiáng)度）：由M20×45知道每顆螺栓最大直徑20mm，假設(shè)8顆螺栓在同一水平線上，這時(shí)皮帶的抗拉強(qiáng)度最小，最小值F=300×5×6.13×（1200-20×8）=95628kn>>13.80115kn，于是我們可以知道皮帶抗拉強(qiáng)度對(duì)與物料所產(chǎn)生的拉力是完全可以承受的。

4.3 帶式逆止器連接螺栓強(qiáng)度校核

在皮帶逆止裝置中螺栓主要受兩個(gè)方向的作用力，分別是沿軸向的力，這個(gè)力主要是預(yù)緊力，和垂直與軸向的剪切力。

以Q235鋼材為原料制成的M20×45螺栓的相關(guān)數(shù)據(jù)為：

抗拉強(qiáng)度 ？滓B：410-470 MPa

屈服強(qiáng)度 ？滓S：240 MPa

疲勞極限：彎曲？滓-1：170-220 Mpa

拉壓？滓-11：120-160 Mpa

對(duì)于單個(gè)螺栓有（有預(yù)緊力的情況下）：

抗拉：[？滓]1=■=171.43Mpa

n：安全系數(shù)，有預(yù)緊力時(shí)取1.2-1.5 這里取n=1.4

抗剪切：[？子]=■=96Mpa

這里需要注意的是，這里計(jì)算出的抗拉強(qiáng)度，抗剪切強(qiáng)度都是理論最大值，而且對(duì)于抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)取的值偏大，從計(jì)算中可以看出，同種螺栓的抗剪切強(qiáng)度小于抗拉強(qiáng)度，考慮到實(shí)際皮帶逆止裝置螺栓受力主要是受剪切力，而且軸向力是總拉力的一個(gè)分力，假設(shè)總拉力都作用成剪切力，如果能滿足剪切力要求的話，螺栓軸向受力肯定能滿足要求。endprint

下面檢驗(yàn)螺栓在最大皮帶拉力作用力全部為剪切力情況下的受力：

p=■=■=43.95Mpa<96Mpa

注意43.95Mpa這個(gè)計(jì)算值是單個(gè)螺栓在受全部載荷時(shí)的剪切力，按照設(shè)計(jì)要求安裝8-10顆M20×45螺栓的要求，所以單個(gè)螺栓受力為4.45-5Mpa.410皮帶逆止裝置實(shí)際使用8顆螺栓，所以單個(gè)受力為5.5Mpa<<96Mpa.所以螺栓能夠承受理論最大剪切力。

下面就螺栓預(yù)緊力對(duì)皮帶的壓力影響做一下分析（皮帶部分的補(bǔ)充）：

P0=？滓0×AS=58800n

P0=螺栓預(yù)緊力

？滓0=（0.5-0.7）？滓S

AS=螺紋危險(xiǎn)截面的面積，查表取245mm2

假設(shè)8顆螺栓全部預(yù)加最大拉力，則能產(chǎn)生作用力為：

F=8×P0=470400n

對(duì)于NN300×1200×5（3+1.5）尼倫皮帶在被夾皮帶部分可承受最大作用力為：

F=300×0.168×106=50.4×106n>>0.47×106n

所以螺栓滿足強(qiáng)度要求。

4.4 帶式逆止器槽鋼的強(qiáng)度的校核

槽鋼牌號(hào)按14a，進(jìn)行驗(yàn)證。

焊接端口的受力。

由于設(shè)計(jì)要求使用的槽鋼與皮帶托輥支架槽鋼規(guī)格相同，加上皮帶托輥支架槽鋼是槽向內(nèi)開口，所以如果直接安裝的話槽鋼只有上下兩翼緣被焊接，強(qiáng)度肯定不能滿足要求。在實(shí)際安裝過程中都是切除部分翼緣盡可能使腹板和托輥支架槽鋼腹板進(jìn)行焊接從而得到較大的焊接面。

理論焊接面積為S=6×（140-9.5×2）×0.8=580.8mm2

其中：槽鋼腹板厚d=6mm； 140：槽鋼高h(yuǎn)=140mm

9.5：槽鋼翼緣厚；0.8：焊接有效系數(shù)

我們通常使用的焊條為E4303型焊條（即是J422）。

則能承受的應(yīng)力為：

F=580.8×420×106=243936N≈243.94kn>13.8kn

現(xiàn)在驗(yàn)證槽鋼整體在受到拉力作用時(shí)的受力.通過分析受力可得以下彎矩圖：

由彎矩圖知道，產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方是邊緣焊接點(diǎn)和對(duì)稱中心，而且焊接端承受的彎矩為中心的12倍，中心承受最大的變形，邊緣承受最大剪切力：

槽鋼受最大彎矩：M=■=17665.472n·m

槽鋼受最大剪力：F■=■=11040.8n

驗(yàn)證拉力強(qiáng)度：Wx=■=103.9cm3

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，知道14a槽鋼WX=80.5cm3<103.9cm3

所以實(shí)際中槽鋼截面彎曲系數(shù)小于設(shè)計(jì)要求值。

驗(yàn)證剪切力強(qiáng)度：

？子max=■

F■：剪切力

Smax：槽鋼簡(jiǎn)化尺寸下面積

IX：14a槽鋼慣性矩，查表的IX=564cm4

d：槽鋼的腹板厚度

帶入數(shù)值τmax=59.6 Mpa<100 Mpa的材料特性

可見槽鋼抗剪切滿足要求。

綜上所述從上面驗(yàn)證可以知道，槽鋼的抗拉強(qiáng)度不足，抗剪切力強(qiáng)度滿足，在實(shí)際生產(chǎn)中如果我們采用了雙槽鋼焊接固定的話（即有單個(gè)槽鋼的見面彎曲系數(shù)WX=103.9÷2=51.95cm3<80.5cm3），那么槽鋼就能滿足設(shè)計(jì)要求。但是實(shí)際情況是我們只對(duì)其中一條槽鋼實(shí)施了焊接，另一條只做背板，做加強(qiáng)使用，所以整個(gè)槽鋼的抗拉特性就處在51.95cm3～103.9cm3之間，即在滿足與不滿足之間徘徊。

4.5 帶式逆止器強(qiáng)度的校核結(jié)論及注意事項(xiàng)

綜合以上各方面因素，得出的結(jié)論是410膠帶機(jī)皮：對(duì)于皮帶逆止裝置相關(guān)的三要素中，皮帶和螺栓在正常情況下是能滿足強(qiáng)度要求的，只有槽鋼的抗拉力學(xué)特性有范圍的波動(dòng)，在滿足與不滿足之間，所以皮帶逆止裝置理論的最薄弱環(huán)節(jié)是槽鋼，而且還是在承受拉力時(shí)。還需要注意一點(diǎn)的是，上面的驗(yàn)算沒有考慮槽鋼因?yàn)殚_孔而減少的剛度，所以實(shí)際的波動(dòng)會(huì)比最大截面彎曲系數(shù)要求值還要大一些。這和大柳塔選煤廠在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)皮帶逆止裝置最容易出問題的是槽鋼的變形而不是皮帶和緊固螺栓的客觀事實(shí)相吻合。所以加強(qiáng)槽鋼的抗拉力學(xué)特性是提高皮帶逆止裝置大規(guī)模推廣使用的關(guān)鍵。

（1）總的說來皮帶逆止裝置由于其制作簡(jiǎn)單，具有一定效果，相對(duì)于其他機(jī)械式逆止裝置來說更是具有幾乎不需要任何維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，在我們洗選中心的作為逆止的輔助措施總的說來是成功的，但是由于自身的一些無法克服的狀況也限制了它的有效推廣。

（2）對(duì)于螺栓的預(yù)緊力的把握有條件的盡可能使用扭矩扳手，保持每個(gè)螺栓受力相同。

（3）槽鋼的選擇盡可能的沒有缺陷，開口要交替錯(cuò)開，不要應(yīng)力集中，從彎矩圖中可以知道，如果要發(fā)生變形，那么在中部是最容易的，所以，槽鋼的開口應(yīng)盡可能靠向兩翼。減小中間強(qiáng)度損失。

（4）皮帶開口盡可能的有一定的錯(cuò)開；槽鋼的腹板有條件的話最好添加一些筋板，加強(qiáng)中心剛度，槽鋼的焊接注意焊接工藝的選擇，保證最大程度減少應(yīng)力集中。

（5）槽鋼與托輥架連接處盡可能添加一些筋板。

5 帶式逆止器逆止裝置安裝標(biāo)準(zhǔn)

帶式逆止器加工選擇材料不合適導(dǎo)致起不到逆止效果，并且安裝不合適膠帶機(jī)膠帶加劇磨損，為此必須按照以下要求安裝，可以提高使用周期。

（1）傾斜膠帶機(jī)應(yīng)有高速或低速逆止器，不具備條件安裝的，須安裝帶式逆止裝置。

（2）逆止器儲(chǔ)帶部位應(yīng)選用50mm*50mm的扁鋼制作，端頭必須焊接牢固。

（3）逆止膠帶緊固端應(yīng)選用槽鋼焊接到機(jī)架或縱梁上，用相同規(guī)格的槽鋼與固定槽鋼用螺栓緊固夾緊帶面，不允許焊接。

（4）儲(chǔ)帶部位的角鋼與滾筒的距離保持在500mm～800mm為宜，儲(chǔ)帶扁鋼前后端距離一般在600mm～800mm之間。

（5）導(dǎo)向管的正下方應(yīng)焊接不小于14#槽鋼，并且要求立放。

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