皮帶卷帶裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造應(yīng)用

張 楠

（唐山曹妃甸煤炭港務(wù)有限公司，河北唐山 063000）

0 引言

唐山曹妃甸煤炭港務(wù)有限公司裝船部共有15 條皮帶機(jī)設(shè)備，包括BQ1-7、BJ 1-4、BM1-4 等型號(hào)，單線長(zhǎng)度為600 ～1500 m。由于皮帶機(jī)單線長(zhǎng)度可達(dá)1000 m 以上，需要將多卷皮帶利用接頭連接，在長(zhǎng)期使用中發(fā)現(xiàn)接頭處為薄弱位置，皮帶斷裂往往在此處發(fā)生。因此，長(zhǎng)皮帶的接頭越少，皮帶斷裂的風(fēng)險(xiǎn)越小，可以增加皮帶使用壽命，減少皮帶更換維修費(fèi)用[1]。

為了降低皮帶接頭斷裂風(fēng)險(xiǎn)，提高皮帶運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，在采購皮帶時(shí)，通常選用尺寸較長(zhǎng)的單卷皮帶，但受皮帶運(yùn)輸車高度限制，運(yùn)輸一卷400 m 的皮帶，需采用從兩頭向中間盤卷的方式，將其盤卷成“眼鏡”形式，并將皮帶頭放置在最內(nèi)側(cè)（圖1）。

圖1 “眼鏡”形雙筒皮帶

對(duì)“眼鏡”形式的雙筒皮帶進(jìn)行維修時(shí)，需要在維修現(xiàn)場(chǎng)使用吊車，先后將兩個(gè)皮帶卷吊起、打開，使皮帶堆放到地面上，才能找到皮帶頭，再進(jìn)行硫化、牽引皮帶等。維修過程需要較大的場(chǎng)地，且打開皮帶帶卷需耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，極大地影響了皮帶更換效率[2-4]。為了減少設(shè)備占用場(chǎng)地面積，縮短皮帶維修更換時(shí)間，優(yōu)化皮帶維修工藝，設(shè)計(jì)制造了雙筒皮帶的卷帶裝置[5-6]，實(shí)現(xiàn)在停機(jī)維修之前，提前將雙筒皮帶盤卷為單卷皮帶，直接用于現(xiàn)場(chǎng)皮帶的維修更換。

1 卷帶裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 卷帶裝置總體設(shè)計(jì)

行業(yè)內(nèi)的卷帶裝置一般將驅(qū)動(dòng)單元安裝在帶卷卷筒軸上，采用聯(lián)軸器連接，完成皮帶盤卷后，再將帶卷運(yùn)輸至存放地點(diǎn)。運(yùn)輸皮帶時(shí)需要專業(yè)的液壓機(jī)械臂，整套系統(tǒng)適合在生產(chǎn)線上使用，價(jià)格昂貴，不適用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

依據(jù)皮帶機(jī)運(yùn)輸煤炭的運(yùn)動(dòng)過程，設(shè)計(jì)卷帶裝置時(shí)，利用滾筒摩擦力使皮帶帶卷隨著滾筒旋轉(zhuǎn)而卷滾起來，從而實(shí)現(xiàn)將雙筒皮帶盤卷為單卷皮帶。卷帶裝置由驅(qū)動(dòng)單元、聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)滾筒、從動(dòng)滾筒、鏈輪、傳動(dòng)鏈條、機(jī)架、平托輥和4 個(gè)側(cè)面導(dǎo)向輥組成。采用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模，設(shè)計(jì)的卷帶裝置如圖2 所示。

圖2 卷帶裝置三維模型

使用時(shí)，雙筒皮帶其中的一個(gè)帶卷放置于機(jī)架上，帶卷的卷筒軸可以在機(jī)架上進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)帶卷使用吊車吊起。啟動(dòng)電機(jī)，主卷帶滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，副卷帶滾筒通過鏈條傳動(dòng)，與主卷帶滾筒進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)。帶卷在摩擦力的作用下隨滾筒運(yùn)動(dòng)，完成皮帶盤卷。

1.2 卷帶裝置主要結(jié)構(gòu)

對(duì)卷帶裝置的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型時(shí)，需在滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求的前提下，力求設(shè)構(gòu)造簡(jiǎn)單、拆卸方便。

1.2.1 驅(qū)動(dòng)單元

減速機(jī)選用行星式齒輪減速機(jī)，速比i 為70。采用型號(hào)為ZDR51-4 的三相異步一體減速電機(jī)，額定功率P 為13 kW，額定轉(zhuǎn)速n電為1400 r/min。為了便于整體搬運(yùn)，將減速電機(jī)基座制作成箱型，并與卷帶裝置機(jī)架用螺栓連接成一體。由電機(jī)額定功率可知，電機(jī)額定輸出力矩T 和減速機(jī)輸出軸扭矩M 分別為：

1.2.2 聯(lián)軸器

對(duì)比梅花彈性聯(lián)軸器和注銷式彈性聯(lián)軸器。柱銷式聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、拆裝便捷，具備緩沖避振特性，有良好的補(bǔ)償軸向、徑向和角向軸線偏移性能，適合在中低轉(zhuǎn)速中使用。因而選用柱銷式彈性聯(lián)軸器（圖3）。

圖3 柱銷式聯(lián)軸器

1.2.3 主從動(dòng)滾筒

常用滾筒直徑分別為1000 mm、800 mm、630 mm，其重量為2～5 t，會(huì)使得整個(gè)卷帶裝置變得十分沉重，不便于搬運(yùn)和存放。本裝置的主動(dòng)、從動(dòng)滾筒選用現(xiàn)有的測(cè)速滾筒，直徑為320 mm，較常用滾筒小很多，重量?jī)H0.3 t 左右，在能夠滿足使用需求的同時(shí)，大大減輕裝置重量（圖4）。

圖4 滾筒裝配圖

1.2.4 傳動(dòng)裝置

為了確保傳動(dòng)的同步性，同時(shí)考慮制造和安裝精度，在主動(dòng)、從動(dòng)滾筒軸端安裝鏈輪，通過鏈條進(jìn)行傳動(dòng)。為提高裝置可靠性，采用雙排鏈條傳動(dòng)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 雙排鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.2.5 導(dǎo)輥結(jié)構(gòu)

卷帶裝置設(shè)計(jì)制造完成后，首次成功應(yīng)用于2021 年的BM1 皮帶更換工作，總體盤卷成功，但盤卷過程中存在跑偏現(xiàn)象。為了防止盤卷皮帶時(shí)發(fā)生跑偏情況，對(duì)卷帶裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在機(jī)架斜梁上安裝有4 個(gè)Φ194 mm×800 mm 的側(cè)面導(dǎo)向輥，同時(shí)，也在皮帶給進(jìn)的水平方向加裝Φ194 mm×2420 mm 的托帶輥（圖6）。優(yōu)化后的卷帶裝置成功用于2022 年初BQ3 皮帶更換工作，完成了400 m ST1250、ST1600 雙筒膠帶的盤卷，未出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象。

圖6 導(dǎo)向輥和托帶輥

2 運(yùn)動(dòng)分析與力學(xué)校核

對(duì)自主設(shè)計(jì)的皮帶卷帶裝置的運(yùn)動(dòng)過程和主要部件受力情況進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證本裝置的可靠性和實(shí)用性。

2.1 運(yùn)動(dòng)分析

在卷帶過程中，驅(qū)動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，帶卷隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶卷半徑越來越大，其卷筒軸在機(jī)架滑槽內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)。對(duì)于400 m 長(zhǎng)“眼鏡”形雙筒皮帶，將其盤卷成一卷時(shí)，則需盤卷的皮帶長(zhǎng)度L 為200 m。

驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)速與減速機(jī)輸出端轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)速n 可以表示為：

驅(qū)動(dòng)滾筒與皮帶接觸位置的線速度可以表示為：

其中，r 為滾筒半徑。

將雙筒皮帶盤卷為單卷皮帶所需時(shí)間為：

由式（1）～式（3）計(jì)算得出，單次盤卷所需時(shí)間t 為9.95 min。

2.2 主要部件力學(xué)校核

2.2.1 電機(jī)功率校核

帶卷在兩個(gè)滾筒上盤卷時(shí)，帶卷A 和主從滾筒的橫截面如圖7 所示。

圖7 帶卷A 與滾筒截面示意

假設(shè)盤卷過程中，帶卷與驅(qū)動(dòng)、從動(dòng)滾筒之間不發(fā)生滑動(dòng)，負(fù)載阻力為雙筒帶卷中帶卷B（未在卷帶裝置上）對(duì)帶卷A（在卷帶裝置上）的拉力，其最大值不超過帶卷A 受到驅(qū)動(dòng)、從動(dòng)滾筒的滾動(dòng)摩擦力。

帶卷A 與滾筒的連心線與豎直方向的夾角為，由圖7 可知：

其中，l 為驅(qū)動(dòng)滾筒與從動(dòng)滾筒的中心距，R 為帶卷A 半徑，r 為滾筒半徑。

由不滑動(dòng)假設(shè)可得，最大負(fù)載拉力為：

其中，f1、f2分別為驅(qū)動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒對(duì)帶卷A 的摩擦力。

由摩擦力計(jì)算公式可得：

其中，mA為皮帶A 質(zhì)量，μ 為摩擦因數(shù)。

已知皮帶每米質(zhì)量為56 kg，在皮帶盤卷過程中，帶卷B 是越來越少的，隨盤卷的進(jìn)行負(fù)載阻力越來越小。盤卷剛開始時(shí)負(fù)載阻力最大，此時(shí)計(jì)算的帶卷A 質(zhì)量為1.12×104kg，需卷帶的皮帶長(zhǎng)度為200 m。

由式（4）～式（6）可得，最大負(fù)載阻力為Fmax=1.25×104N，由此可得最大負(fù)載扭矩Tmax為2005 N·m 最大負(fù)載功率Pmax為4.19 kW。

可知最大負(fù)載功率小于電機(jī)額定功率13 kW，設(shè)計(jì)滿足使用要求。

2.2.2 鏈條鏈輪受力校核

對(duì)于從動(dòng)滾筒，其最大負(fù)載力矩T從max為：

由式（4）～式（6）可得，從動(dòng)滾筒最大負(fù)載力矩為1002.5 N·m。

驅(qū)動(dòng)力矩由鏈傳動(dòng)進(jìn)行，簡(jiǎn)化鏈傳動(dòng)受力，則鏈條最大受力為：

其中，r輪為鏈輪分度圓直徑，r輪=0.1 m。

由式（8）可計(jì)算出鏈條最大受力為10025 N。由GB/T 1243—2006 《傳動(dòng)用短節(jié)距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪》可知，20 A 單排鏈的許用載荷為14600 N，雙排鏈傳動(dòng)時(shí)，許用載荷大于29200 N。所以鏈條最大受力在許用載荷范圍內(nèi)，滿足使用要求。因鏈條鏈輪為國標(biāo)配套設(shè)計(jì)，鏈輪選用也滿足使用要求。

3 卷帶裝置制造及應(yīng)用

將設(shè)計(jì)的卷帶裝置進(jìn)行制造和裝配，實(shí)際安裝設(shè)備如圖8所示。本卷帶裝置從2021 年開始已成功用于多條皮帶的更換和維修，使用效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖8 卷帶裝置

本卷帶裝置突破了原有卷帶機(jī)所需車間環(huán)境和液壓機(jī)械臂等條件限制，利用滾筒摩擦驅(qū)動(dòng)和雙排鏈傳動(dòng)，使帶卷在滾筒滾動(dòng)下進(jìn)行盤卷。卷帶完畢后可直接用吊車取出，方便快捷。并且驅(qū)動(dòng)裝置可置于地面，便于檢修。

通過設(shè)計(jì)制造本卷帶裝置，為提前更換皮帶提供了條件，優(yōu)化了皮帶的更換工藝流程。將原30 h 的維修工期縮短為24 h，減少了設(shè)備占用時(shí)間，提升了裝船作業(yè)綜合效率，為月度吞吐量增長(zhǎng)提供保障。

4 結(jié)束語

為將雙筒皮帶卷成單卷皮帶，自主設(shè)計(jì)制造了主從滾筒式卷帶裝置。與現(xiàn)有卷帶機(jī)器相比，主從滾筒式卷帶裝置造價(jià)更低、效率更高、更適合現(xiàn)場(chǎng)使用。卷帶裝置結(jié)構(gòu)精巧，利用主從滾筒滾動(dòng)和雙排鏈傳動(dòng)，采用柱銷式聯(lián)軸器等結(jié)構(gòu)，充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷、精度等。采用簡(jiǎn)單方式解決復(fù)雜問題，充分體現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的簡(jiǎn)單性、實(shí)用性。采用Solid Works 軟件進(jìn)行三維建模，輔助卷帶裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化。設(shè)計(jì)過程可視化、立體化、直觀化，大大縮短了設(shè)計(jì)和實(shí)際制造時(shí)間。通過增添導(dǎo)向輥和托帶輥結(jié)構(gòu)，解決了原裝置使用中的跑偏問題。