礦用膠帶輸送機(jī)滾筒壓裂原因與改進(jìn)

鄧 鑫

（山西焦煤集團(tuán)霍州煤電鑫鉅煤機(jī)裝備制造有限責(zé)任公司研究所， 山西 霍州 031400）

引言

膠帶輸送機(jī)承擔(dān)著煤礦井下運(yùn)煤系統(tǒng)的主要作業(yè)。由于其本身運(yùn)輸能力大，環(huán)境適應(yīng)性廣，后期維護(hù)技術(shù)度低，已逐漸在煤礦井下普及。然而受井下工況條件制約和環(huán)境影響，大部分膠帶輸送機(jī)滾筒工作2～3年后都會(huì)出現(xiàn)不同程度的形變[1]。若不及時(shí)修復(fù)，輕則引起跑偏落煤損失，重則導(dǎo)致皮帶撕斷、滾筒壓裂等事故。因此，從設(shè)計(jì)角度深入分析避免滾筒斷裂原因，提前采取預(yù)防性措施是非常必要的。

1 研究背景

1.1 滾筒結(jié)構(gòu)

膠帶輸送機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1，膠帶輸送機(jī)滾筒主要包括脹套、幅板、輪轂、加強(qiáng)環(huán)、筒體和主軸等部件。目前煤礦井下膠帶輸送機(jī)滾筒主要為鋼板打卷燒焊的鑄焊滾筒和焊接滾筒，材質(zhì)較硬，皮帶滾筒之所以變形壓裂，主要是幅板、輪轂和加強(qiáng)環(huán)等結(jié)構(gòu)部件發(fā)生不同程度的形變，以及主軸發(fā)生徑向偏移所導(dǎo)致。

1.2 工作原理

井下膠帶輸送機(jī)滾筒主要為傳動(dòng)滾筒、變向滾筒，兩者都是依靠摩擦力傳遞牽引力或改變方向。以傳動(dòng)滾筒為例，工作時(shí)通過(guò)主軸與接盤相互連接，接盤再向主軸傳遞徑向驅(qū)動(dòng)力，并通過(guò)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)使?jié)L筒面轉(zhuǎn)動(dòng)，使膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。

2 受力分析

膠帶輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，其滾筒軸向應(yīng)力分布和徑向應(yīng)力分布如圖2[2]所示。

圖2 膠帶輸送機(jī)滾筒軸向、徑向應(yīng)力分布圖

圖中 ：A為滾筒，B為膠帶，d為法線，x為水平線，Sy為滾筒與膠帶相遇點(diǎn)張力，N；S1為滾筒與膠帶分離點(diǎn)張力，N；S為筒面與膠帶摩擦力，N；S-dS為最大受力點(diǎn)的張力差，N；φ為轉(zhuǎn)動(dòng)角度，rad；N為水平壓力，N；μ為動(dòng)摩擦系數(shù)。

如圖2所示，膠帶輸送機(jī)為理想狀態(tài)下的撓性體，彎曲應(yīng)力恒定；滾筒在理想狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，膠帶所受的重力和離心力忽略不計(jì)，此時(shí)滾筒主要受到三個(gè)力的作用：即膠帶張緊時(shí)所受到上方的正壓力、與運(yùn)動(dòng)方向相反的動(dòng)摩擦力和使?jié)L筒運(yùn)轉(zhuǎn)的牽引力，其中牽引力的大小與正壓力的大小呈正向分布，此時(shí)滾筒軸向應(yīng)力的最遠(yuǎn)點(diǎn)即為應(yīng)力集中區(qū)，即滾筒外圍最邊緣部分受到的形變最大。因此在膠帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)增加牽引力的方式來(lái)提高皮帶運(yùn)行效率，勢(shì)必會(huì)使膠帶速度增大，正上方壓力急劇增加，作用在滾筒上的扭矩也急劇增加，其變化程度服從正向分布。

3 壓裂分析及措施

3.1 壓裂分析

膠帶輸送機(jī)受長(zhǎng)期壓力影響，滾筒整體發(fā)生形變壓裂，例如焊點(diǎn)斷裂、幅板軸向斷裂或徑向斷裂，原因如下：

1）膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)張力最大，漲緊力與驅(qū)動(dòng)力成正比，導(dǎo)致滾筒所受壓力短時(shí)間內(nèi)迅速增加，同時(shí)滾筒啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)加速度達(dá)到最大值，導(dǎo)致滾筒上扭矩瞬時(shí)變大，進(jìn)而導(dǎo)致滾筒變形，引起壓裂；

2）滾筒因本身鋼材質(zhì)量問(wèn)題或設(shè)計(jì)問(wèn)題；

3）焊后處理存在缺陷，導(dǎo)致滾筒整體抗拉能力不足，往往在焊縫處壓力集中，出現(xiàn)壓裂。

3.2 處理措施

1）嚴(yán)格把握設(shè)計(jì)關(guān)，規(guī)范滾筒型式設(shè)計(jì)。以目前井下在用的某型號(hào)膠帶輸送機(jī)為例，其滾筒設(shè)計(jì)圖和規(guī)格參數(shù)及對(duì)應(yīng)代號(hào)含義如圖3、表1[3]所示，可作為設(shè)計(jì)參考。

圖3 膠帶輸送機(jī)設(shè)計(jì)圖

表1 膠帶輸送機(jī)（筒距500～1400）尺寸設(shè)計(jì)對(duì)照表

2）選用合格優(yōu)質(zhì)鋼材，保證滾筒鑄造質(zhì)量。

3）創(chuàng)新滾筒支撐設(shè)計(jì)，比如增加滾筒設(shè)計(jì)厚度，在滾筒側(cè)沿滾筒軸向設(shè)置加強(qiáng)肋，提高整體支撐強(qiáng)度。

4）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和后期保養(yǎng)，選擇原廠備品配件。

5）嚴(yán)格定期檢修。

4 改進(jìn)試驗(yàn)

根據(jù)以上參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行井下調(diào)試試驗(yàn)。井下現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)空載運(yùn)行48 h，負(fù)載運(yùn)行24 h，測(cè)試及連續(xù)運(yùn)行結(jié)果表明：皮帶機(jī)各部件運(yùn)行正常，系統(tǒng)各類信號(hào)傳輸正常，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)要求。運(yùn)行過(guò)程中滾筒各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力參數(shù)與驗(yàn)證結(jié)果吻合；物料相對(duì)皮帶無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，起動(dòng)制動(dòng)平穩(wěn)，重載起車未發(fā)生滑料現(xiàn)象。膠帶在允許范圍內(nèi)對(duì)中運(yùn)行，運(yùn)行噪聲值75 dB，負(fù)載運(yùn)行時(shí)，滾筒未發(fā)現(xiàn)明顯形變，所有滾筒部件探傷無(wú)損壞，托輥及滾筒旋轉(zhuǎn)靈活。

5 結(jié)語(yǔ)

研究滾筒的基本結(jié)構(gòu)，深入分析各區(qū)域各部件應(yīng)力情況，明確了滾筒面在負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力分布和防范重點(diǎn)，得出最佳的工況參數(shù)，重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行了地面及井下實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與研究結(jié)果吻合；同時(shí)提出了滾筒設(shè)計(jì)方面的處理措施，通過(guò)規(guī)范滾筒型式設(shè)計(jì)、選用合格優(yōu)質(zhì)鋼材、創(chuàng)新滾筒支撐設(shè)計(jì)、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和后期保養(yǎng)、定期檢修等方法，從多方面防范滾筒壓裂事故，提高礦井設(shè)備技術(shù)能力。