皮帶輸送機(jī)緩沖托輥損壞原因分析及改進(jìn)研究

龐 靜

（汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)備修造廠，山西 介休032000）

皮帶輸送機(jī)具有運(yùn)輸能力強(qiáng)、便于操控、自動(dòng)化程度高、運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段已成為煤礦井下主要運(yùn)輸方式[1]。隨著礦井生產(chǎn)能力提升對(duì)皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸能力以及布置方式有更高的要求，為了更好的適應(yīng)井下運(yùn)輸需要，需要對(duì)皮帶輸送機(jī)進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，如將定頻、液力耦合器軟啟動(dòng)改變PLC控制變頻控制，采用的改進(jìn)技術(shù)措施在一定程度上提升了皮帶輸送機(jī)適應(yīng)性[2]。但現(xiàn)階段皮帶輸送機(jī)改造多是集中在控制方式以及輸送帶方面，對(duì)托輥方面技術(shù)改造相對(duì)較少，特別是輸送機(jī)交匯位置處緩沖托輥一般仍是傳統(tǒng)的橡膠托輥，存在容易損壞問題[3]。為此，文中就對(duì)緩沖托輥損壞原因進(jìn)行分析并根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)以及以往研究成果對(duì)緩沖托輥進(jìn)行改進(jìn)，在一定程度上提升了礦井皮帶輸送機(jī)使用效率。

1 緩沖托輥損壞原因及改進(jìn)必要性分析

1.1 皮帶輸送機(jī)搭接方式

隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模以及生產(chǎn)能力的提升，井下布置的皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸距離從以往的幾千米提升至十幾公里以上甚至更遠(yuǎn)。采用一條皮帶輸送機(jī)難以滿足煤炭運(yùn)輸需要，特別是巷道有拐彎、距離較長時(shí)往往采用搭接方式進(jìn)行運(yùn)輸[4-5]。

在井下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中搭接顯現(xiàn)較為普遍，根據(jù)輸送機(jī)間搭接方式可分為有角度搭接、直線搭接兩種方式，具體見圖1所示。

圖1 皮帶輸送機(jī)搭接方式

其中，H表示搭接的輸送機(jī)間皮帶高度差（即為物料拋落高度）；L為物料拋落距離；具體長度與皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度V、皮帶高度差H有關(guān)。

皮帶輸送機(jī)搭接位置處物料拋落時(shí)產(chǎn)生的沖擊力F與下述因素有關(guān)[6-7]：皮帶高度差H；運(yùn)行速度V；物料質(zhì)量Q；物料棱角α。具體可通過下式表述：

1.2 緩沖托輥損壞原因

輸送機(jī)間搭接位置物料產(chǎn)生的沖擊力F會(huì)對(duì)輸送機(jī)正常運(yùn)行帶來影響，具體表現(xiàn)為：

1）物料拋落時(shí)產(chǎn)生較大沖擊力，特別物料較重、硬度較高時(shí)會(huì)給輸送帶產(chǎn)生脈沖式或者連續(xù)沖擊，造成較大縱向撕裂、增加磨耗，降低皮帶使用壽命。

2）拋落的物料沖擊力通過膠帶作用于緩沖托輥，現(xiàn)階段最為常用的橡膠緩沖托輥雖然有一定緩沖能力，但是物料頻繁沖擊作用下極容易失效，需要頻繁檢修。

1.3 緩沖托輥改進(jìn)必要性分析

現(xiàn)階段礦井采用的緩沖托輥結(jié)構(gòu)見下頁圖2所示，具體為在普通的鋼面托輥上增加布置橡膠圈，通過橡膠圈彈性來降低物料拋落時(shí)沖擊力影響。緩沖托輥具有的緩沖能力有效，對(duì)托輥本身、輸送皮帶產(chǎn)生的保護(hù)作用有限。如礦井1508運(yùn)輸順槽皮帶輸送機(jī)與南5采區(qū)運(yùn)輸巷皮帶輸送機(jī)搭接位置處，由于1508采面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度2 300 m，生產(chǎn)時(shí)間超過1.5 a。在輸送機(jī)搭接位置處，經(jīng)常出現(xiàn)煤炭灑落問題，同時(shí)緩沖托輥不同程度損傷，部分托輥不運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，為了提高皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸效率，需要對(duì)緩沖托輥進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。

圖2 常用緩沖托輥示意圖

2 緩沖托輥改進(jìn)

2.1 改進(jìn)原理

在分析原有緩沖托輥結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)礦井機(jī)械廠具有的加工能力，提出在原有的緩沖托輥側(cè)增加緩沖裝置，從而提升緩沖托輥緩沖能力，且礦機(jī)械廠可進(jìn)行加工。具體增加的緩沖裝置采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理見圖3。

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理圖

在滑桿（L2）上增加布置緩沖彈簧，從而提升緩沖托輥緩沖能力，降低物料拋落給輸送機(jī)影響，即為增加緩沖托輥柔性來提升緩沖托輥緩沖能力。具體增加的緩沖裝置運(yùn)行原理為：當(dāng)物料拋落產(chǎn)生的沖擊力F做到到緩沖托輥上后，曲柄（L1）會(huì)有小幅擺動(dòng)，從而帶動(dòng)滑桿（L2）上下小幅滑動(dòng)；滑桿（L2）在滑動(dòng)過程中壓縮上面布置的彈簧，通過彈簧伸壓縮來降低物料拋落沖擊力影響，起到提升緩沖托輥緩沖能力以及對(duì)皮帶、緩沖托輥保護(hù)工作。

2.2 緩沖托輥改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面所述改進(jìn)原理，具體改進(jìn)后的緩沖托輥結(jié)構(gòu)見圖4。在緩沖托輥、皮帶重量作用下緩沖彈簧在擋片間處于壓縮狀態(tài)。在現(xiàn)場應(yīng)用中通過調(diào)整倔強(qiáng)系數(shù)來達(dá)到調(diào)整改進(jìn)后緩沖托輥緩沖能力作用。采用增加緩沖彈簧方式對(duì)緩沖托輥進(jìn)行改進(jìn)，僅需要安裝曲柄滑塊即可，不需要對(duì)輸送機(jī)機(jī)架進(jìn)行大量調(diào)整，改進(jìn)成本費(fèi)用也較低。

在改進(jìn)的緩沖托輥應(yīng)用中面臨的主要問題是如何確定緩沖彈簧倔強(qiáng)系數(shù)（μ），以便在物料拋落過程與緩沖托輥共同工作起到緩沖作用。

物料拋落形成的沖擊力F=（H、V、Q、α），由于物料形狀不規(guī)則，物料棱角α難以定量表達(dá)，因此，為了簡化計(jì)算，將沖擊力F簡化為：F=（H、V、Q）。根據(jù)計(jì)算出來得到的沖擊力，利用杠桿原理即可計(jì)算得到緩沖彈簧受到到壓力（P），從而確定彈簧倔強(qiáng)系數(shù)及彈簧規(guī)格。在具體使用過程中根據(jù)應(yīng)用效果可適當(dāng)對(duì)彈簧進(jìn)行調(diào)整。

圖4 改進(jìn)后的緩沖托輥結(jié)構(gòu)

2.3 沖擊力計(jì)算

由于采用的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄（L1）、滑桿（L2）長度接近，因此可近似認(rèn)為沖擊力與作用到彈簧上的壓力P相等，通過計(jì)算沖擊力即可得到緩沖彈簧壓力（P），具體計(jì)算公式為：

2.3.1 靜載載荷Pu

托輥靜載載荷由托輥承載分支靜載荷（Pu1）、回程分支靜載荷（Pu2）兩部分構(gòu)成。具體承載分支（Pu1）、回程分支（Pu2）可分別通過下述公式計(jì)算

式中：e為載荷系數(shù)（取0.8）；a0托輥間距（取1 200 mm）；Im為輸送機(jī)運(yùn)量（取55.56 kg/s）；V為輸送機(jī)運(yùn)度（取2.0 m/s）；q0為皮帶質(zhì)量（取27.0 kg/m）。

將參數(shù)帶入公式（2）、（3）求得：Pu1=515.9 N，Pu2=259.2 N，即靜載載荷Pu=775.1 N

2.3.2 動(dòng)載載荷P0

具體動(dòng)載承載分支動(dòng)載荷（P01）、回載分支動(dòng)載荷（P02）可通過下式計(jì)算：

式中：fs為運(yùn)行系數(shù)（取值1.2）；fd為沖擊系數(shù)（取1.06）；fa為工況系數(shù)（取1.1）。

將參數(shù)帶入公式（4）、（5）求得：

P01=721.9，NP02=681.0N，動(dòng)載載荷P0=1 402.9 N

通過上述計(jì)算，求得P=P0=1 402.9 N，緩沖彈簧受到的壓力為1 402.9 N，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，選用礦用緩沖礦車彈簧即可滿足使用需要，具體使用的緩沖彈簧見圖5所示。

圖5 緩沖彈簧實(shí)物圖

2.4 效果分析

采用緩沖彈簧對(duì)緩沖托輥改進(jìn)后，在皮帶輸送機(jī)搭接位置搭接位置物料基本不出現(xiàn)拋灑到巷道底板情況，同時(shí)緩沖托輥在2 a內(nèi)基本不需要更換。改進(jìn)后的緩沖托輥可在一定程度上提升皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸效率。

3 結(jié)論

1）皮帶輸送機(jī)搭接位置緩沖托輥經(jīng)常出現(xiàn)損壞原因主要是物料沖擊載荷較大，緩沖托輥本身緩沖能力不足導(dǎo)致。

2）采用機(jī)械原理中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理，將緩沖彈簧對(duì)緩沖托輥進(jìn)行改進(jìn)，并詳細(xì)對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行闡述。提出的改進(jìn)方案簡單、改造簡單，所需要的設(shè)備礦井機(jī)械廠即可加工，改進(jìn)投入低。

3）采用理論計(jì)算方法對(duì)緩沖彈簧受力進(jìn)行分析，得出緩沖彈簧最大受力在1 402.9 N，采用緩沖礦車彈簧即可滿足使用需要。