基于一種液壓張緊裝置的輸送帶壽命分析

范魁元,譚曉東,宋丕偉,李揚

(1.中國北車集團 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司 基礎設備部，黑龍江 齊齊哈爾 161000； 2.大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028)

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基于一種液壓張緊裝置的輸送帶壽命分析

范魁元1,譚曉東2,宋丕偉2,李揚2

(1.中國北車集團 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司 基礎設備部，黑龍江 齊齊哈爾 161000； 2.大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028)

對一種液壓張緊裝置的輸送帶進行理論分析，首先從有效拉力與輸送帶壽命的關系出發，通過繪制其二者之間的函數曲線的方法，分析了有效拉力對輸送帶壽命的影響，并給出了有效拉力的合理的最大值.結合經典力學相關知識，計算出合理的有效拉力最小值，最終給出了施加有效拉力的合理范圍.

液壓張緊；輸送帶；有效拉力；輸送帶壽命

0 引言

輸送帶由于具有高效、連續運輸的能力、使用簡便、維護容易、運費低等優點，被廣泛應用于機場[1-2]，車站以及煤礦[3]等領域中.但是輸送帶也存在一些缺點[4]，使用壽命低就是一個不容忽視的問題.輸送帶在使用過程中會因為磨損、應力變形等原因造成輸送帶的圓周長度增加，從而容易造成輸送帶打滑現象的發生.在輸送帶工作的過程中，當帶的有效拉力太小，就會出現打滑的現象造成帶的壽命降低，當帶的有效拉力過大，就會使帶受的應力過大，同樣會降低帶的壽命.輸送帶張緊裝置是一種防止以上現象發生的裝置.輸送帶制造商以及使用者十分關注輸送帶的使用壽命問題[5].從輸送帶工作時受力以及使用壽命的角度出發，分析如何設定輸送帶張緊裝置的張力上下限，能使輸送帶在最長壽命下工作.

1 液壓張緊裝置的工作原理

液壓張緊裝置通過傳感器實時監測輸送帶的張力，當實時張力小于工作拉力下限，該裝置就會對輸送帶進行張緊，當輸送帶的是實時張力達到設定的工作拉力上限時，該裝置就會停止對輸送帶進行張緊.如果工作拉力下限設定的太小，就可能會因為張力過小，而造成輸送帶的打滑現象，如果設置的太大，就會使輸送帶的壽命受到影響.

液壓張緊裝置工作原理圖如圖1所示：

圖1 張緊小車原理示意圖

2 輸送帶傳動的理論分析

輸送帶和帶傳動理論相似，這里借用帶傳動的相關理論進行計算.單根輸送帶的有效拉力，也是輸送帶所需要的最小拉力[F0]min[6-7]

式中：Kα為包角修正系數，這里取1；Pca為計算功率；P為減速器輸出的功率485 kW；KA為工作情況系數，取1.3；z為帶的根數，這里為1；v為輸送帶的速度，3.15 m/s；q輸送帶單位長度的質量，19.5kg/m.代入上式得到[F0]min=150 kN.為了計算方便，這里假設輸送帶的橫截面積為矩形，而帶的寬度為1 400mm，厚度為14mm，橫截面的面積A=1.96×10-2m2.則輸送帶在最小拉力下的應力[σmin]=7.65MPa.

輸送帶所受的應力與壽命有如下的關系[8]：

將式(3)變形后得到如下公式，

式中：[σ]為帶所受的應力；C為由帶的材料和結構所決定的常數；L為輸送帶的長度，495 m；j為帶上某一點繞行一周后所經歷的帶輪數，這里為2；T為帶的壽命.

現在將[σmin]帶入式(4)，可以得到：

將參數都帶入式(4)可以得到如下式子成立：

圖2 輸送帶應力與壽命關系

從圖2可以分析出，如果將輸送帶工作在最小拉力下的帶的壽命看為單位1，當有效拉力為最小拉力的110%時，輸送帶的壽命將變為0.35，而當輸送帶的有效拉力為最小拉力的120%時，輸送帶的壽命將變為0.13，當輸送帶的有效拉力為最小拉力的130%時，輸送帶的壽命僅為0.05.當輸送帶的有效拉力為最小拉力的140%時，輸送帶的壽命將變為0.02.雖然輸送帶的有效拉力越接近最小拉應力越小，但是也不能無限的接近最小拉應力，最小拉應力僅僅是保證帶在空載時不打滑的前提條件，當輸送帶有負載時，所需要的有效拉力將大于最小有效拉力，應該適當增大輸送帶的有效拉力.如果有效拉力過小將造成輸送帶頻繁打滑，也會造成輸送帶的壽命降低.故應該選擇合理的拉力.

從上述理論分析可知，由于該液壓張緊裝置主要應用于煤礦的傳輸，所以要求拉力要比最小拉力大的多.這里選用的有效拉力為輸送帶的最小初拉力的130%時，此時輸送帶的壽命為其再最小初拉力時的壽命的5%，在可以接受的范圍.當有效拉力增大到最小初拉力的140%時，輸送帶的壽命僅為最小拉力是的2%，輸送帶的壽命將降低了50%以上.所以這里將有效拉力的值設定為最小初拉力的130%.從上面的計算可以知道，該型號的液壓張緊裝置的最小初拉力為150kN，該最小初拉力的130%為195kN，而該設備實際設定的張緊力為190kN.從輸送帶的壽命的角度出發，將輸送帶的有效拉力設定稍微小于130%可以延長帶的壽命.

該輸送帶的相關參數如下：型號為ST800，鋼絲繩公稱直徑為3.5mm，鋼絲繩間距為10mm，鋼絲繩根數為133.

該輸送帶為鋼絲繩芯輸送帶，輸送帶的膠帶部分的彈性模量遠遠大于鋼絲繩芯的彈性模量.故輸送帶的拉力主要由鋼絲繩芯承受，這里僅對鋼絲繩芯進行有限元分析.當輸送帶的張力為液壓張緊裝置的張力上限時，輸送帶的拉力為190kN.則每根鋼絲繩所受的拉力F1為

這里取安全系數K=2，鋼絲繩的泊松比為0.3，彈性模量為206GPa，鋼絲繩的屈服強度為600MPa，這里對單根鋼絲繩建模并劃分網格如圖3(a)所示，并進行有限元分析如圖3(b)所示.從

(a)網格模型

(b)受力云圖

中可以看出鋼絲繩的最大應力為388 MPa，小于鋼絲繩的屈服強度.故在該拉力下，輸送帶的強度滿足要求.

已知該型號的輸送帶的輸送能力為平均1 800 t/h，由于物料對輸送帶的動態作用力很難準確計算[9]，故這里作用效果僅僅是一個平均值，也就是500 kg/s，如果被輸送物體的流量突然增加，就會導致所需要的摩擦力變大也就是輸送帶的張力變大.如果此時的預緊力小于所需要的預緊力就會造成輸送帶的打滑，從而降低輸送帶的壽命.這里取過載系數為5，也就是允許輸送帶的瞬時輸送流量為2 500 kg/s.由于帶傳動的滑動系數很小，通常控制在0.01～0.02范圍內[10]，這里可以近似認為滑動系數為恒定值.根據物理學運動定律就有：

式中：v為輸送帶的輸送速度，這里為3.15 m/s;a為被輸送物體落在輸送帶上時的加速度；s為被輸送物體達到輸送帶速度前相對輸送帶的位移；f為輸送帶與被輸送物體之間的動摩擦力；m為單位時間落在輸送帶上的被輸送物體的質量;μ為輸送帶與被輸送物體之間的滑動摩擦系數，這里取0.5；g為重力加速度，這里取10m/s2.

通過以上計算可以得出滿足設計要求的情況下，輸送帶與被輸送物體之間的滑動摩擦力最大可以達到12.5kN，而輸送帶的最小張緊力為150N，故該型號的輸送帶的最小張緊力應設定為162.5kN.

綜上所述輸送帶的張緊力下限應當設定為162.5kN，也就是說當輸送帶的張緊力小于162.5kN時，就應該啟動液壓張緊裝置對輸送帶進行張緊，否則輸送帶就容易造成打滑從而影響輸送帶壽命.輸送帶的張力上限應當設定為190kN，也就是說當輸送帶的張緊力大于190kN時，液壓張緊裝置就應當立即停止張緊，否則會因為張緊力過大造成輸送帶的使用壽命嚴重縮短.根據使用的場合也可以將輸送的張緊力下限適當提高，但是不可以提高過大，因為張緊力的下限如果設置的過高，雖然可以一定程度上降低輸送帶打滑的機會，但是由于系統存在泄露.當張緊裝置停止張緊時系統的壓力會逐漸降低，如果張緊壓力下限設置的很高，就會造成張緊裝置中的液壓泵頻繁啟停，從而降低液壓系統中的液壓泵的壽命.

3 結論

結合實際的工程項目，通過理論推導，驗證了該液壓張緊裝置的預緊力的設置的合理性，并通過專業的繪圖軟件繪制出輸送帶的有效拉力與輸送帶壽命的關系曲線，通過分析圖像法，分析出了該液壓張緊裝置張緊力的上限，通過經典力學理論計算出液壓張緊裝置張力的下限.對皮帶張緊裝置的使用以及輸送帶的設計具有一定的指導意義.

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Life Analysis of Conveyer-Belt on a Hydraulic Tensioning Device

FAN Kuiyuan1,TAN Xiaodong2,SONG Piwei2,LI Yang2

(1.CNR Qiqihar Railway Rolling Stock Co.,Ltd,Qiqihar 161000,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Theoretical analysis is conducted on a conveyor belt conveyor tensioning device,and the relationship of effective strain and the life of the conveyor belt is obtained.Through the relationship curve,the influence of the effective tension on the conveyor belt life is discussed,and the reasonable maximum effective strain is presented.By the knowledge of classical mechanics,the minimum effective tension is calculated,and the rational range of the effective tension is obtained.

hydraulic tensioning;conveyer-belt;valid pulling stress;conveyer-belt life

1673-9590(2015)03-0048-04

2014-03-21

范魁元(1973-)，男，高級工程師，學士，主要從事機電系統及自動化技術的研究E-mail:ye9ling@163.com.

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