高效多用卷帶機設(shè)計與應(yīng)用*

王洪賓 楊永望

國能黃驊港務(wù)有限責任公司 滄州 061100

0 引言

帶式輸送機常用于散料連續(xù)輸送領(lǐng)域，具有結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、高效率、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于礦山、建材、食品、物流等行業(yè)。帶式輸送機規(guī)?；膽?yīng)用在提升工業(yè)生產(chǎn)效率的同時也產(chǎn)生了輸送帶安裝與回收的難題。研究表明，我國輸送帶年產(chǎn)量近年較為穩(wěn)定，每年輸送帶年產(chǎn)量在5億m2的水平上下小幅波動。每年我國都將有大量的輸送帶需要安裝和回收。帶式輸送機輸送帶的安裝及更換一直都是廣大技術(shù)人員面臨的重要問題，每臺設(shè)備都面臨著不同的安裝環(huán)境和較難統(tǒng)一的方法，需要不同的維修工藝和更多設(shè)備投入。如何解決好輸送帶的安裝和舊輸送的回收問題，是制約企業(yè)生產(chǎn)運營效率和安全的技術(shù)關(guān)鍵之一，然而目前國內(nèi)外適用的卷帶裝置均為固定式安裝且多應(yīng)用于井下環(huán)境，使用效率低、投資大、應(yīng)用場景單一、運輸困難安裝環(huán)境苛刻，因此，需開發(fā)研制可移動的多用地面卷帶機，開發(fā)高效環(huán)境友好的設(shè)備安裝方法和輸送帶回收裝置，實現(xiàn)新輸送帶的高效安裝和廢舊輸送帶無污染的定制回收。

有關(guān)卷帶機的設(shè)計研究多圍繞井下固定式安裝和自行走換帶裝置展開，驅(qū)動系統(tǒng)多采用液壓動力系統(tǒng)，對于適用于多場景多功能的高效卷帶機公開發(fā)表的資料相對較少。研究早期，相關(guān)工作主要是對卷帶機的工作原理、結(jié)構(gòu)特點和操作方法進行總結(jié)。程常現(xiàn)[1]對包裝印刷中料帶復(fù)卷裝置的張力控制原理進行了研究，為包裝復(fù)卷設(shè)備的設(shè)計與選擇提供了依據(jù)；黃雷等[2]比較分析了卷帶機的優(yōu)缺點，探討了卷帶機在井下的應(yīng)用前景；李勇[3]總結(jié)了可伸縮帶式輸送機卷帶機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；王道明等[4]采用仿真和試驗的方法研究了卷帶機驅(qū)動液壓系統(tǒng)恒功率特性。近年來，對卷帶機的研究多集中于動力系統(tǒng)控制和產(chǎn)品的改型研究方面。姚志功[5]基于井下多功能產(chǎn)運平臺，設(shè)計了一種緊湊型大扭矩車載式卷帶機；王淵[6]根據(jù)實際生產(chǎn)需求對順槽帶式輸送機卷帶機進行了設(shè)計和動力學(xué)分析，并開展了工業(yè)應(yīng)用試驗，顯著降低了人員勞動強度。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，從卷帶機原理和結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，重點了設(shè)計了電動機驅(qū)動的可重復(fù)利用卷軸裝置，結(jié)合卷帶機的特點，提出了多功能卷帶機的結(jié)構(gòu)；利用叉車的良好機動性能，設(shè)計了可配載叉車卷帶機的掛鉤裝置和機架，為進一步拓展卷帶機的應(yīng)用場景提供新思路。

2 卷帶機設(shè)計原理

卷帶機系統(tǒng)由機架、卷軸、卷筒、定位擋圈、定位盤、控制系統(tǒng)和驅(qū)動裝置等組成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。卷帶機采用機電一體化設(shè)計，可利用操作臺或操作手柄控制卷帶機的主卷軸的轉(zhuǎn)動，使用操作手柄大幅減輕了現(xiàn)場操作人員的勞動強度，方便在現(xiàn)場使用，提升了維修效率和安全性。為了克服卷帶機機動性差的弊端，采用在卷帶機機架上設(shè)置叉車掛桿，通過安裝在叉車上的掛鉤掛接在卷帶機掛桿上實現(xiàn)與叉車配載使用，充分利用叉車承載能力大和機動性好的優(yōu)點實現(xiàn)卷帶機的移動功能。卷軸基于可拆卸重復(fù)利用卷軸的設(shè)計思路，研制了可重復(fù)利用卷軸裝置。卷軸的驅(qū)動裝置應(yīng)具有較大的負載能力，卷軸轉(zhuǎn)速控制應(yīng)具備調(diào)速功能，滿足不同輸送帶帶卷直徑的安全卷制。傳動系統(tǒng)應(yīng)充分考慮操作的安全性。卷帶機應(yīng)具有豐富的功能擴展空間，滿足多種柔性物體的卷收作業(yè)，同時應(yīng)考慮對環(huán)境的友好性，避免造成環(huán)境污染。

圖1 卷帶機結(jié)構(gòu)示意圖

卷帶機可固定位置使用也可掛載在叉車上使用，將卷筒安裝在卷軸上后，輸送帶連接在卷筒上。啟動卷帶機后，卷軸開始沿固定轉(zhuǎn)向牽引卷收輸送帶，當輸送帶卷制至固定直徑時，將輸送帶截斷，輸送帶連同卷筒一起拆除后，卷制完成的輸送帶卷放至固定位置，完成一次卷收作業(yè)。

3 卷帶機設(shè)計

3.1 卷軸裝置

卷軸裝置包含卷軸和卷筒。卷軸是卷帶機的核心組件，起著傳遞扭矩和承載輸送帶帶卷質(zhì)量的作用，既應(yīng)拆卸方便又應(yīng)具有足夠的強度，卷軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。卷軸一端通過銷軸孔連接驅(qū)動裝置，一端直接連接負載端。卷軸采用無縫厚壁管，厚壁管內(nèi)部裝入十字通長筋板并與厚壁管焊接，卷軸驅(qū)動側(cè)設(shè)置有與卷筒安裝定位用的插塊，卷軸通過銷軸孔與驅(qū)動裝置連接，卷軸非驅(qū)動側(cè)均勻布置2排定位錐孔，定位錐孔的數(shù)量和排布位置可根據(jù)卷制產(chǎn)品的特點靈活布置，卷筒一端安裝有與卷軸上卷筒插塊匹配的開孔，另一端卷軸可自由伸出，卷筒結(jié)構(gòu)如圖3所示，當卷筒安裝在卷軸上后，將卷筒端部對入卷筒插塊，卷筒插塊的作用是保證卷筒與卷軸同步旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)整定位擋圈的位置，將擋圈頂在卷筒另一端部，定位擋圈上設(shè)計有螺紋孔，定位擋圈頂在卷筒端部后，將定位螺栓穿入定位擋圈上的對應(yīng)螺紋孔，擰緊定位螺栓，使定位螺栓擰入定位錐孔內(nèi)，將卷筒在卷軸上固定。

圖2 卷軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 卷筒結(jié)構(gòu)示意圖

相鄰定位錐孔的中心間距小于卷筒插塊的長度，防止卷筒在卷軸上的軸向竄動掉出卷筒插塊，定位擋圈能夠鎖緊卷筒的軸向竄動量不大于2個定位錐孔間距，保證卷軸的軸向力能夠有效傳遞。卷軸內(nèi)部裝入十字筋板與厚壁圓管等長，可有效增強卷軸的結(jié)構(gòu)抗彎強度，同時相比實心卷軸降低了卷軸自重，便于在輸送帶卷收完成后高效地拆卸卷軸。卷軸驅(qū)動端通過銷軸插入連接卷帶裝置驅(qū)動側(cè)，為固定端，使卷軸系統(tǒng)與卷帶裝置驅(qū)動端連接，卷軸另外一端放置在卷帶機機架上的U形開口支撐處，采用旋轉(zhuǎn)活動端的設(shè)計可實現(xiàn)卷軸在機架U形開口支撐處的自由轉(zhuǎn)動，還可消減卷軸與卷帶裝置驅(qū)動減速器不同心對卷帶機的影響，減少對卷帶機驅(qū)動裝置徑向沖擊載荷，延長設(shè)備使用壽命，方便卷軸的拆卸。

卷筒在卷軸上安裝完成后，將卷軸系統(tǒng)裝入卷帶裝置，插入銷軸。啟動卷帶裝置，當輸送帶卷收完成后停止卷帶裝置，拿出卷軸驅(qū)動側(cè)的銷軸，將卷收完成的輸送帶連同卷軸系統(tǒng)一同向U形開口立柱處移出，卷軸從卷筒中抽出裝入新的卷筒，安裝于卷帶裝置上后可進行新輸送帶的卷收，實現(xiàn)了卷軸的可重復(fù)利用。

3.2 機架和驅(qū)動裝置

卷帶機機架為焊接結(jié)構(gòu)，其主要作用是支撐卷帶機上的各種部件，固定卷軸主驅(qū)動裝置。機架本身具有良好的穩(wěn)定性和承載特性，可滿足20 t輸送帶的承重。因卷帶機本身無行走功能，為了滿足現(xiàn)場的多點多應(yīng)用場景的使用，設(shè)計開發(fā)出了可配載叉車使用的卷帶機機架。機架底部平臺放置在貨叉上，通過安裝在叉車貨架兩側(cè)的掛鉤錨固在卷帶機機架掛桿上，如圖4所示，實現(xiàn)卷帶機與叉車的穩(wěn)固連接，從而可以利用叉車良好的機動性能實現(xiàn)卷帶機的自由移動卷制。卷制完成的輸送帶可由叉車連同卷帶機一起直接倒短運輸，豐富了輸送帶安裝與運輸?shù)姆椒?，減少了維修資源的占用。

圖4 叉車連接掛件實物圖

驅(qū)動裝置采用蝸桿蝸輪減速傳動，充分利用渦輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、承載能力強、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，實現(xiàn)大傳動扭矩輸出，并通過蝸輪蝸桿減速器的良好自鎖性能，防止輸送帶帶卷的倒轉(zhuǎn)。驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)正、反雙向旋轉(zhuǎn)輸出，主卷軸驅(qū)動電動機通過變頻器控制實現(xiàn)卷軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，可以提供多擋轉(zhuǎn)速供操作人員選擇，在卷帶機啟動卷帶初始階段采用較高轉(zhuǎn)速控制卷軸進行輸送帶卷收，在輸送帶帶卷直徑變大后，采用較低轉(zhuǎn)速進行輸送帶卷收，避免出現(xiàn)輸送帶卷制過程中，隨著帶卷直徑變大帶卷線速度越來越大的弊端。驅(qū)動電動機下方設(shè)計有電纜卷盤箱，可存放50 m電纜，滿足配載叉車在50 m半徑范圍內(nèi)對輸送帶移動卷收作業(yè)時的卷帶機供電需求。

3.3 卷帶機性能參數(shù)

卷帶機整機占用空間小，整體空間結(jié)構(gòu)尺寸3 400 mm×2 500 mm×2 000 mm（長×寬×高），可搭載于多種型號的叉車上使用。卷帶機采用可重復(fù)利用卷軸設(shè)計，每卷制一次輸送帶需消耗一個卷筒，通過調(diào)節(jié)定位擋圈的位置可以實現(xiàn)對不同帶寬輸送帶的卷收，輸送帶帶寬的卷制適用范圍為0～2 400 mm，卷軸可以反復(fù)使用。在卷軸上安裝不同形式的卷筒還可實現(xiàn)對鋼絲繩、線繩、電纜等柔性件的卷制，實現(xiàn)一機多用的多功能應(yīng)用。驅(qū)動裝置采用蝸輪蝸桿減速器，具有防倒轉(zhuǎn)的性能特點，特別對于傾斜帶式輸送機輸送帶的牽引卷收具有較高的安全性。卷帶機一次性輸送帶卷收長度最大為250 m，最大牽引力輸出可達80 kN，可與叉車配載使用，實現(xiàn)戶外作業(yè)靈活移動，較之國內(nèi)外同類型產(chǎn)品，新型卷帶機具有移動靈活、結(jié)構(gòu)簡單、整機強度高、操作簡便、輸出扭矩大、無污染、能耗低、維護成本低的特點。

卷帶機的適用場景多樣，不僅可用于井下、地面和高架帶式輸送機，對大型筒倉頂部廊道內(nèi)帶式輸送機的輸送帶安裝與回收也能發(fā)揮關(guān)鍵作用，特別是對于地面鋪開輸送帶的回收，可搭載在叉車上實現(xiàn)靈活卷收和直接運輸，減少了路面流動機械的使用，為工程技術(shù)人員提供了較大的維修方案選擇空間。

4 應(yīng)用效果

卷帶機系統(tǒng)研發(fā)后在某港口推廣應(yīng)用，如圖5所示，研制開發(fā)了3套不同能力的卷帶機，近5年年均卷制輸送帶長度近20 000 m，使該港口對帶式輸送機輸送帶的安裝與回收作業(yè)模式發(fā)生了本質(zhì)變化，取得了良好的工程示范應(yīng)用效果。主要表現(xiàn)在以下方面：

圖5 卷帶機實物圖

1）提高帶式輸送機輸送帶安裝與回收效率30%以上，大幅減少設(shè)備停機時間和人工消耗，促進港口行業(yè)帶式輸送機安裝由傳統(tǒng)依賴人工的模式到逐步實現(xiàn)自動化、數(shù)字化、智能化。

2）應(yīng)用場景廣泛，對傳統(tǒng)固定式安裝卷帶機形成了技術(shù)升級。卷帶機不僅可以獨立固定式使用，還可以配載叉車實現(xiàn)對輸送帶的移動卷收。對于高架帶式輸送機，可以將卷帶機安放帶式輸送機在中間架上，作為牽引機在完成對新輸送帶的牽引的同時，完成對舊輸送帶的卷收，實現(xiàn)卷牽同步進行。改變了大型散貨港口人工定尺剪斷輸送帶，吊車在平板車上折疊平鋪輸送帶，人工卸車輸送帶的人工生產(chǎn)方式，有效改變了港區(qū)短輸送帶亂堆亂放的現(xiàn)象，形成了成卷定制定工位擺放廢舊輸送帶的新方式。

3）卷帶機系統(tǒng)功能具有充足的性能擴展空間。設(shè)備具有較大的輸送帶帶寬卷制適用范圍，可根據(jù)作業(yè)對象的不同，設(shè)計安裝不同形式的卷筒，還可以實現(xiàn)對鋼絲繩、線繩、電纜等柔性件的卷制，實現(xiàn)一機多用的多功能應(yīng)用。

5 結(jié)語

1）研制了一種可配載叉車使用的新型卷帶機，滿足輸送帶卷收的靈活性、機動性要求，實現(xiàn)帶式輸送機輸送帶卷牽同步，具有防倒轉(zhuǎn)功能，大幅提升了輸送帶安裝效率，設(shè)備性能穩(wěn)定可靠。

2）研制了一種可重復(fù)利用卷軸系統(tǒng)，能夠?qū)Σ煌瑤挼妮斔蛶нM行卷收，可根據(jù)輸送帶寬度靈活調(diào)節(jié)卷筒鎖緊位置，實現(xiàn)對不同規(guī)格輸送帶的高效卷收。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于主卷軸的控制，實現(xiàn)卷帶速度的調(diào)節(jié)，解決了帶卷直徑變大后輸送帶卷收線速度的控制問題。

3）解決了戶外長距離輸送帶的卷收問題，通過配載叉車實現(xiàn)輸送帶靈活移動卷收，并可利用叉車的機動性解決輸送帶卷收過程中的跑偏問題。搭配不同形式卷筒可實現(xiàn)鋼絲繩、電纜等其他柔性件的卷制。

通過卷帶機的設(shè)計與應(yīng)用表明，采用新型卷帶機實現(xiàn)了帶式輸送機輸送帶的高效牽引與回收，減少了設(shè)備維護量和人員勞動強度，實現(xiàn)了自動化的輸送帶卷牽，具有工程應(yīng)用價值。