采煤工作面帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

李偉坤

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

引言

帶式輸送機(jī)作為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，將朝著長距離、大運(yùn)量以及高運(yùn)速的方向發(fā)展。托輥?zhàn)鳛閹捷斔蜋C(jī)的主要承載結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)表明：托輥質(zhì)量占整個設(shè)備質(zhì)量的35%左右，制造成本占整機(jī)的30%，而且其負(fù)擔(dān)了整機(jī)70%的工作阻力。托輥單個結(jié)構(gòu)尺寸和整個的布置是影響整機(jī)重量和承載能力的關(guān)鍵。當(dāng)托輥設(shè)計尺寸過大且布置相對緊密時，容易造成浪費(fèi)，反之，容易出現(xiàn)承載力和強(qiáng)度不足[1]。為在設(shè)計階段兼顧上述兩方面的因素，需對帶式輸送機(jī)托輥的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，并在保證強(qiáng)度和運(yùn)輸要求的基礎(chǔ)上對托輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文將對采煤工作面帶式輸送機(jī)的托輥部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 帶式輸送機(jī)的托輥結(jié)構(gòu)

托輥為帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其主要是減小整機(jī)的運(yùn)行阻力并保證輸送帶的垂度，以滿足相關(guān)技術(shù)要求，帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)示意圖

帶式輸送機(jī)托輥軸主要采用Q235 冷拔鋼制造而成。托輥壁常采用無縫鋼管或焊接鋼管，但是無縫鋼管由于其本身壁厚不均勻容易加劇輸送機(jī)的振動，一般采用焊接鋼管居多?？刹捎玫妮S承座包括有沖壓式和鑄造式兩種，其中鑄造式軸承座由于其重量大、制造成本高，與其未來輕量化的發(fā)展趨勢不符，一般采用沖壓式軸軸承座居多。在初級階段，托輥所采用的軸承以滾筒軸承為主，近年來隨著研究的不斷深入和研究成果的轉(zhuǎn)化為帶式輸送機(jī)設(shè)計了專用軸承，其對應(yīng)的運(yùn)行阻力不僅低而且壽命長[2]。

對于托輥而言，主要參數(shù)包括托輥直徑和間距。其中，托輥直徑的確定與輸送帶的寬度、運(yùn)行速度、實(shí)際生產(chǎn)中的靜載荷和動載荷相關(guān)。本文所研究的帶式輸送機(jī)運(yùn)輸物料的粒度范圍為0～100 mm，結(jié)合相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求其對應(yīng)的運(yùn)行、沖擊以及工況系數(shù)均為1，也就是說帶式輸送機(jī)的靜載荷和動載荷相等[3]。因此，只需考慮帶式輸送機(jī)的靜載荷對托輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

對于托輥間距而言，常結(jié)合經(jīng)驗(yàn)對該參數(shù)進(jìn)行選取，具體為：對于承載段，當(dāng)所運(yùn)輸物料的松散密度大于1 600 kg/m3時，一般取托輥間距為1 m；反之，取托輥間距為1.2 m。對于回程段，一般取其間距為3 m。

2 托輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

實(shí)踐表明，帶式輸送機(jī)托輥出現(xiàn)問題部位主要是托輥壁的中間位置，具體表現(xiàn)為：托輥壁的變形過大進(jìn)而失效，最終導(dǎo)致帶式輸送機(jī)輸送帶出現(xiàn)跑偏或?qū)е螺斔蛶p嚴(yán)重等問題。因此，需對托輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以解決其變形過大的問題，從根本上降低托輥壁所承受的最大等效應(yīng)力值。

托輥在對輸送帶的支撐效果可簡化為如下頁圖2 所示的模型。

圖2 托輥簡化受力模型

如圖2 所示，導(dǎo)致托輥中部出現(xiàn)斷裂的主要原因在于其承載跨度較大。因此，本文采用在托輥中部焊接一個圓環(huán)以增強(qiáng)其強(qiáng)度，而且所焊接圓環(huán)的壁厚與托輥壁的厚度相等。為具體分析托輥焊接圓環(huán)的數(shù)量，在托輥中部位置焊接一個圓環(huán)，并對托輥壁的等效應(yīng)力和位移變化進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 托輥焊接一個圓環(huán)后仿真結(jié)果

如圖3 所示，托輥中部焊接一個圓環(huán)后，其對應(yīng)的最大等效應(yīng)力由之前未焊接圓環(huán)的91.6 MPa 減小為41.7 MPa。其對應(yīng)的托輥壁的最大位移由0.165 mm 減小為0.065 8 mm?？偟膩碇v，在托輥中部焊接一個圓環(huán)后其對應(yīng)的最大等效應(yīng)力和位移均減小，即能夠?qū)ν休伒膹较蛱鴦舆M(jìn)行有效抑制，對托輥的橫向激勵振動也得到緩解，從而解決了托輥所造成的輸送帶跑偏的問題[4]。

采取同樣思路，分別在托輥內(nèi)部焊接2 個、3個、4 個以及5 個圓環(huán)，并對焊接圓環(huán)后托輥的最大等效應(yīng)力和最大位移進(jìn)行仿真研究。注意：所托輥內(nèi)部所焊接的圓環(huán)均是均勻分布的。焊接不同數(shù)量圓環(huán)對應(yīng)的最大等效應(yīng)力和最大位移的仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 焊接不同圓環(huán)數(shù)量對應(yīng)的仿真結(jié)果

如表1 所示，隨著托輥內(nèi)部焊接圓環(huán)數(shù)量的增加，對應(yīng)托輥所承受最大等效應(yīng)力和最大位移均在減小，即隨著焊接圓環(huán)數(shù)量的增加對應(yīng)托輥的強(qiáng)度增加。但是，當(dāng)托輥焊接數(shù)量增加時，對整機(jī)質(zhì)量的影響較大，而且，當(dāng)圓環(huán)數(shù)量大于2 個時，其對應(yīng)托輥中部的等效應(yīng)力減小量不是很明顯；當(dāng)圓環(huán)數(shù)量大于3 個，其對應(yīng)托輥?zhàn)冃瘟繙p小不是很明顯。

因此，綜合焊接圓環(huán)對托輥強(qiáng)度和變形的改善情況和托輥質(zhì)量的增加情況，在托輥內(nèi)部均勻焊接兩個圓環(huán)為最佳[5]。

3 結(jié)論

托輥為帶式輸送機(jī)的主要承載結(jié)構(gòu)，在實(shí)際生產(chǎn)中常出現(xiàn)托輥斷裂或輸送帶磨損嚴(yán)重的問題，最終導(dǎo)致輸送帶跑偏，從而嚴(yán)重威脅帶式輸送機(jī)的安全和運(yùn)輸效率。為此，本文擬采用在托輥壁內(nèi)部焊接圓環(huán)的方式對托輥強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)化，減小托輥的變形，并得出結(jié)論：

1）當(dāng)托輥中部焊接圓環(huán)后對應(yīng)托輥的最大等效應(yīng)力值和變形均得到改善；

2）為了兼顧托輥強(qiáng)度改善和整機(jī)質(zhì)量兩方面的因素，在托輥中部焊接兩個圓環(huán)為最佳。