大傾角上運(yùn)式帶式輸送機(jī)的選型設(shè)計(jì)

張 佳 王 飛 王曉亮 潘江如 黃 艷

（新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院）

帶式輸送機(jī)作為一種高效的傳送運(yùn)輸機(jī)械，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煤炭及礦山等行業(yè)［1］。 帶式輸送機(jī)主要有固定帶式輸送機(jī)、管型帶式輸送機(jī)、 氣墊帶式輸送機(jī)及壓帶式帶式輸送機(jī)等，煤礦大都采用固定帶式輸送機(jī)， 隨著煤炭業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)不能滿足企業(yè)個(gè)性化物料傳輸需求［2］。

近些年，大傾角、長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)逐漸應(yīng)用起來(lái)，大傾角帶式輸送機(jī)比普通帶式輸送機(jī)傾角更大，輸送距離更長(zhǎng)，容易出現(xiàn)皮帶振動(dòng)和物料滑落的情況，影響輸送效率和輸送安全，在運(yùn)用大傾角帶式輸送機(jī)時(shí)，必須要進(jìn)行嚴(yán)格的選型設(shè)計(jì)［3］。 新疆哈密某煤礦因改擴(kuò)建需要一臺(tái)大傾角上運(yùn)式皮帶輸送機(jī)，煤礦技術(shù)人員提供的設(shè)計(jì)條件為：運(yùn)量Q=350t/h；輸送長(zhǎng)度L=120.033m；帶速v=2.5m/s；輸送傾角δ=25°，上運(yùn)；原煤塊度a=200mm。

1 帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)方案

1.1 輸送帶的選用設(shè)計(jì)

輸送帶在物料輸送過(guò)程中起到承載作用，也起到牽引傳動(dòng)作用，輸送帶的帶速、帶寬均影響輸送機(jī)的輸送能力［4］。 根據(jù)給定條件可計(jì)算輸送帶的帶寬。

式中 B——輸送帶帶寬，mm；

K——貨載斷面系數(shù)，取460；

ε——貨載密度，取0.8t/m3；

μ——輸送機(jī)的傾斜系數(shù)，取0.81。

考慮到實(shí)際運(yùn)輸時(shí)，可能由于輸送帶的傾角較大、距離較長(zhǎng)造成物料撒落，同時(shí)根據(jù)輸送帶的規(guī)格，選擇帶寬B=1000mm的鋼絲繩芯輸送帶，型號(hào)為ST1600，帶重量qB=23.1kg/m，該輸送帶不僅可以滿足高強(qiáng)度、長(zhǎng)距離的工作要求，也滿足礦井內(nèi)防燃、防爆的要求。

1.2 輸送能力驗(yàn)算

如圖1所示，輸送物料是原煤，通過(guò)查原煤的物理參數(shù)可知，原煤的運(yùn)行堆積角θ=20°，托輥槽角λ=35°，承載托輥中間輥?zhàn)拥拈L(zhǎng)度l3=380mm，通過(guò)以上參數(shù)可求得輸送帶上的截面面積S， 進(jìn)一步求得理論運(yùn)量， 如果理論運(yùn)量大于設(shè)計(jì)運(yùn)量，則該設(shè)計(jì)可以滿足需求［4，5］。

如圖1所示，輸送機(jī)截面面積S=S1＋S2，其中：

圖1 輸送機(jī)輸送截面

輸送帶可用寬度b=850mm；輸送帶實(shí)際寬度B=1000mm。 由以上公式求得輸送機(jī)截面面積S=0.1127m3，理論運(yùn)量Ql=3.6Svkρ，其中，傾斜輸送機(jī)面積折算系數(shù)k=0.659，原煤堆積密度ρ=900kg/m3，由此可知，理論運(yùn)量Ql=634.27t/h，大于設(shè)計(jì)運(yùn)量Q，故該設(shè)計(jì)的輸送能力滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 輸送帶的布置形式

根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)并結(jié)合實(shí)際工作情況［6］，確定大傾角上運(yùn)式帶式輸送機(jī)的布置形式和張力點(diǎn)分布（1～13）如圖2所示。

圖2 輸送帶的布置形式和張力點(diǎn)分布

2 帶式輸送機(jī)選型設(shè)計(jì)

2.1 基本參數(shù)計(jì)算和托輥的選型

根據(jù)帶寬并綜合考慮原煤的松散密度、經(jīng)濟(jì)成本等因素［7］，按照托輥的選型標(biāo)準(zhǔn)，選用35°槽型托輥組，托輥直徑為133mm，承載分支托輥的間距ao=1.2m，回程分支托輥的間距au=3.0m。

2.1.1 基本參數(shù)計(jì)算

2.1.2 托輥的選型

托輥靜載荷可分為承載分支托輥靜載荷Po和回程分支托輥靜載荷Pu。托輥載荷系數(shù)fe=0.80，輸送帶每米質(zhì)量qB=23.1kg/m，并代入其他參數(shù)值可得，Po=feao（qG+qB）g=584N，Pu=feauqBg=680N。

托輥動(dòng)載荷可分為承載分支托輥動(dòng)載荷Po′和回程分支托輥動(dòng)載荷Pu′。 運(yùn)行系數(shù)fR=1.2，沖擊系數(shù)fd=1.0，工況系數(shù)fa=1.1，并代入其他參數(shù)可得Po′=PofRfdfa=771N，Pu′=PufRfa=897N。

已知承載分支托輥輥?zhàn)宇~定載荷Poe=4070N，回程分支托輥額定載荷Pue=1120N，經(jīng)計(jì)算，該選型設(shè)計(jì)的托輥靜、動(dòng)載荷均小于額定載荷，滿足設(shè) 計(jì) 要 求［10］，因 此，確 定 托 輥 規(guī) 格 為φ133mm×1000mm，查相關(guān)資料，托輥軸承選用6305/C4。

2.2 各項(xiàng)阻力及圓周驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

主要阻力FH=fgL［qro+qru+（2qB+qG）cosδ］，其中，摩擦系數(shù)f=0.03，重力加速度g=9.81m/s，承載分支每米長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量qro=15.75kg/m； 輸送帶傾斜角度δ=25°，經(jīng)計(jì)算，主要阻力FH=3470N。

附加阻力FN=（C-1）FH，其中，附加阻力系數(shù)C取1.78，經(jīng)計(jì)算，附加阻力FN=2706N。

一般地，附加特種阻力FS2為清掃器摩擦產(chǎn)生阻力Fr與卸料器摩擦阻力之和［13］，該設(shè)計(jì)無(wú)需卸料器，故附加特種阻力FS2等于清掃器摩擦產(chǎn)生阻力Fr，即FS2=Fr=nqstFrRO+nqsvFrRU，其中，頭部清掃器個(gè)數(shù)nqst取1；尾部清掃器個(gè)數(shù)nqsv取2；頭部清掃器摩擦阻力FrRO，經(jīng)計(jì)算為600N；尾部清掃器摩擦阻力FrRU，經(jīng)計(jì)算為900N；經(jīng)計(jì)算，附加特種阻力FS2=2400N。

傾斜阻力Fst=qGgH， 其中輸送機(jī)輸送高度H=50.7m；經(jīng)計(jì)算，傾斜阻力Fst=19342N。

輸送機(jī)圓周驅(qū)動(dòng)力Fu為上述計(jì)算中各項(xiàng)阻力之和，即，F(xiàn)u=FH+FN+FS1+FS2+Fst=28038N。

2.3 傳動(dòng)輥筒的選型

傳動(dòng)輥筒的直徑D≥145dB，其中，鋼絲芯直徑dB查表可取4.0mm；經(jīng)計(jì)算，直徑D=580mm。 考慮到覆蓋膠變形量和輸送帶表面比壓［14］，取傳動(dòng)輥筒的直徑D=800mm。 查輥筒的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，選用型號(hào)為10080.3，許用合力為168kN。

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)傳動(dòng)輥筒的功率PA=Fuv×10-3=70.1kW。

2.4 電動(dòng)機(jī)和減速器的選型

2.4.1 電動(dòng)機(jī)選型

根據(jù)求得的傳動(dòng)輥筒的功率PA，可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)功率PM=PA/（η1η2η3）， 其中傳動(dòng)效率η1取0.8；電壓降系數(shù)η2取0.95； 不平衡系數(shù)η3取1.0； 經(jīng)計(jì)算，電動(dòng)機(jī)功率PM=92.2kW。

根據(jù)計(jì)算得出的電動(dòng)機(jī)所需功率，查電動(dòng)機(jī)型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)［15］，并考慮實(shí)際工作時(shí)損耗情況，采用1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)選用Y315S4型號(hào)，電動(dòng)機(jī)的額定功率110kW，額定轉(zhuǎn)速為1 480r/min。

2.4.2 減速器選型

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，并考慮與電動(dòng)機(jī)功率匹配［16］，可選擇專(zhuān)用皮帶輸送機(jī)減速器B3SH09-B-40型減速器，功率110kW，傳動(dòng)比40，實(shí)際工作時(shí)電動(dòng)機(jī)需要連接變頻器再次調(diào)速以滿足帶速需求。

2.5 拉緊裝置的選型

輸送機(jī)拉緊裝置是保障輸送機(jī)正常運(yùn)行的必要結(jié)構(gòu)之一［17］，可以增加輸送帶與驅(qū)動(dòng)輥筒之間的摩擦力，以增加驅(qū)動(dòng)力，并且降低托輥間輸送帶的垂度，保障承載分支的張力［18］。 該設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)一拉緊裝置，拉緊裝置的配重G=2.1{FU/［g（euφ-1）］+（qB+qru）fL′-qBH′}，其中，歐拉系數(shù)euφ取3.39；摩擦系數(shù)f=0.022；垂直拉緊裝置與頭輪水平距離L′=10.0m； 垂直拉緊裝置與頭輪豎直距離H′=4.66m；經(jīng)計(jì)算，拉緊裝置的配重G=2164kg。

根據(jù)拉緊裝置所需的重量，選擇型號(hào)為YZL-01-50的自動(dòng)液壓拉緊裝置，拉緊力可達(dá)到50kN，滿足設(shè)計(jì)需求。

3 張力計(jì)算及校核

3.1 輸送帶不打滑的條件

綜上，要保證輸送帶在運(yùn)行時(shí)不打滑，輸送帶在傳動(dòng)輥筒繞出點(diǎn)的最小張力F2min≥30038N。

3.2 輸送帶各點(diǎn)張力計(jì)算

按照輸送帶不打滑的條件計(jì)算各點(diǎn)張力，即令傳動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)最小張力S1＝F2min=30038N，從而得知其他點(diǎn)的張力分別為：

3.3 輥筒的校核

根據(jù)之前計(jì)算得出的圓周驅(qū)動(dòng)力，可求得傳動(dòng)輥筒的合力。

啟動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)輥筒的合力Fna=Fua+2F2min，其中，運(yùn)行時(shí)傳動(dòng)輥筒圓周力Fua=43255N； 輸送帶在傳動(dòng)輥筒繞出點(diǎn)的最小張力F2min=30038N； 經(jīng)計(jì)算，傳動(dòng)輥筒的合力Fna=103.3kN。

由此，可計(jì)算傳動(dòng)輥筒扭矩Mmax=FuaD/1000。其中，運(yùn)行時(shí)傳動(dòng)輥筒圓周力Fua=28038N；經(jīng)計(jì)算，傳動(dòng)輥筒扭矩Mmax=22.4kN·m。

查輥筒的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)可知，初選輥筒的許用扭矩為168kN·m， 該輥筒的最大扭矩為22.4kN·m，小于許用扭矩，該選用的輥筒符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 輸送帶下垂度校核

輸送機(jī)垂度滿足的條件為：兩個(gè)托輥之間的輸送帶的垂度不能大于最小張力條件［19］。

根據(jù)上述計(jì)算可知，輸送帶13點(diǎn)的張力S13大于承載分支最小張力FROmin，同時(shí)12點(diǎn)的張力S12大于回程分支最小張力FRUmin，滿足輸送帶下垂度要求。

4 結(jié)論

4.1 筆者以新疆哈密某煤礦提供的設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，結(jié)合實(shí)際需求情況，參考固定帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)方法，選型設(shè)計(jì)一種大傾角上運(yùn)式帶式輸送機(jī)，運(yùn)量為350t/h；運(yùn)距達(dá)120m，輸送機(jī)傾角為25°，該設(shè)計(jì)參數(shù)符合設(shè)計(jì)需求。

4.2 對(duì)輸送機(jī)的主要工作部件進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)以及計(jì)算，最終，選用輸送帶的帶寬為1000mm，型號(hào)為ST160； 選用托輥規(guī)格為φ133mm×1000mm，托輥軸承選用6305/C4；傳動(dòng)輥筒的直徑D取800mm。 選用型號(hào)為10080.3； 電動(dòng)機(jī)選用Y315S4型號(hào)，電動(dòng)機(jī)的額定功率110kW，額定轉(zhuǎn)速為1 480r/min； 拉緊裝置選擇型號(hào)為YZL-01-50的自動(dòng)液壓拉緊裝置。

4.3 隨著煤礦機(jī)械的不斷發(fā)展， 標(biāo)準(zhǔn)化的帶式輸送機(jī)不能滿足多種行業(yè)的需求，長(zhǎng)距離、大傾角帶式輸送機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛， 在選型設(shè)計(jì)中，要結(jié)合實(shí)際工作情況來(lái)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，該選型設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)工作可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，為不同需求下的帶式輸送機(jī)的選型設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。