運輸機皮帶撕裂原因分析及特征實驗研究

李海龍

（山西潞安集團 余吾煤業有限責任公司，山西 長治046100）

皮帶運輸機是最常見的連續性運輸設備，被廣泛應用于港口、礦山、冶金和電廠等諸多領域〔1〕。隨著皮帶運輸機的應用范圍越來越廣，皮帶撕裂事故率也越來越高，皮帶撕裂是一種破壞性很大的損壞形式，往往會造成較大的經濟損失，甚至會造成安全隱患，因此，預防皮帶撕裂一直是許多專家、學者研究課題〔2－5〕。盡管許多皮帶生產廠家和科研院校采用單片機、線激光、超聲波等先進手段進行皮帶撕裂的檢測和預防，但依舊難以避免皮帶撕裂現象的發生。筆者認為有效預防皮帶撕裂應當首先了解皮帶撕裂發生的原因和特征，現就此方面進行分析研究。

1 皮帶撕裂原因分析

帶式運輸機在運輸物料的過程中會因種種原因發生皮帶撕裂現象，皮帶撕裂是一種破壞性極大的損壞形式，尤其對于大型皮帶運輸機而言，皮帶撕裂甚至會造成價值數百萬元的整條皮帶報廢，而修補皮帶費時費力，會影響企業正常生產，給企業造成巨大的直接和間接損失。分析認為引起皮帶撕裂的原因主要有：

1）在皮帶運行過程中，皮帶發生跑偏，在運輸機一側褶皺或者疊起，造成皮帶受力不均引起撕裂。這種皮帶跑偏引起的皮帶撕裂往往會經過一定的時間過程，容易被發現，防止此類事故可以經常對皮帶運行狀態進行檢查，發現皮帶跑偏及時調正。

2）鋼繩芯類皮帶在使用過程中，若遭受劇烈沖擊力作用，則會造成皮帶內部鋼絲繩斷裂，若未及時發現，斷裂的鋼絲繩經過一定時間的磨、壓、拉等外力作用下會從皮帶接頭處和粘口處露出，當露出的鋼絲繩達到一定長度時，在經滾筒、托輥等作用下從皮帶蓋膠中被抽出，引起皮帶撕裂。為防止該類撕裂，可以加強皮帶檢查與檢修，當發現外露的鋼絲繩頭時及時剪掉，或者根據實際情況更換皮帶。

3）物料卡壓堵塞也容易引起皮帶撕裂發生，皮帶溜槽前沿與皮帶面之間過于狹窄，且皮帶下托輥皮帶承載不均勻容易促使大塊物料卡在溜槽前沿與皮帶之間，在遭受到擠壓作用時造成皮帶撕裂。此外，不當運輸長桿狀及利器時會造成皮帶因劃破而撕裂，在皮帶轉載過程中該類物料從上皮帶轉運到下皮帶時也會因慣性作用沖擊下穿透皮帶，若不及時發現，在皮帶傳動過程中造成皮帶撕裂。

2 皮帶撕裂特征分析

2.1 試驗裝置布置

受到實際情況限制，在實驗室構建皮帶運輸機模型來研究皮帶撕裂特征。該實驗模型由試驗臺架和測量系統兩個部分組成：試驗臺架主要包括寬1.8m、長20.25m的輸送帶1件，Φ630mm膠面滾筒2件，機架和中間架各1個，拉緊裝置和拉緊裝置尾架各1件，35°槽型托輥3個，10°過渡托輥2個，20°過渡托輥2個，這些托輥間隔1m，布置順序為10°、20°、35°、35°、35°、20°、10°托輥；測量系統包括拉緊力測量系統、有載分支皮帶負載測量裝置、皮帶應力測量系統、皮帶變形測量系統、漏載特征測量裝置等。實驗裝置見圖1。

圖1 實驗室皮帶運輸機試驗模型示意

2.2 應變片布置

考慮到在皮帶運輸機運行過程中上皮帶所受載荷相對較大，同時考慮到皮帶呈左右對稱，故取上皮帶一側為研究對象。撕裂口選擇在離皮帶中心線150mm處，從皮帶中心線到皮帶邊沿等距取5個試驗點，從運輸機皮帶中心線到35°槽型托輥處取3個試驗點，每個試驗點分別沿橫向和縱向安裝一個應變片來測試該試驗點的橫向縱向應變。應力片采用B×120－10AA型箔式紙基應變片，其精度等級為A，柵的長和寬分別為10mm和3mm，靈敏系數為2.04，根據試驗點數目可知共需該型號應變片30個。考慮到運輸機皮帶的張緊力由運輸機的螺旋拉緊裝置來控制，故在運輸機拉緊裝置左右兩側各布置兩個試驗點來調控加載作用力，皮帶運輸機試驗點應力片布置見圖2。

圖2 試驗點應力片布置 單位／mm

2.3 應變測試及分析

該實驗采用的是DH3817／18型動靜態應變測試系統，在進行測量時，可屏顯通道號和應變值。該測試系統的優點是可以實現測點自動平衡，并可根據應變計靈敏系數、橋式傳感器靈敏系數等對測量結果進行修正，同時可以滿足使用一臺計算機通過RS－232口自動控制多臺試驗儀器的測試工作。

皮帶運輸機兩端螺旋拉緊裝置的螺桿直徑為42mm，拉緊力為104N，即所受載荷為2t。軸向拉應力的計算公式：σ＝N／A＝N／πr2＝104／3.14×（21×10－3）2＝104／3.14×441×10－6＝1010／1384.7＝7.22×106Pa。取E為2.1×105Pa，根據虎克定律σ＝Eε計算可得ε＝σ／E＝34。

由此可知，當采用DH3817／18型測試系統進行測量時，應變值為34的時候，即為2t載荷量。同理分析計算出4t、8t載荷量時對應的應力變化值。皮帶未撕裂前載荷由2t增加到4t時試驗點拉、壓應變見圖3。由圖3可知，當張緊力載荷增大時，試驗點拉壓應變均增大。

圖3 皮帶未撕裂前試驗點拉—壓應力分析

分別對皮帶在撕裂前后進行加載試驗，加載量設為0.8t，結果發現在撕裂口附近的1＃、11＃和21＃試驗點應變變化較明顯。在皮帶未撕裂時，在皮帶上進行加載后試驗點所受拉應力明顯增大；當達到撕裂時，撕裂口附近皮帶各試驗點所受拉應力瞬間降至為0，對皮帶進行加載后撕裂口附近試驗點拉應力明顯增大，且距離皮帶托輥較近的的地方相對更大些，實驗結果見表1、表2。對皮帶輸送機皮帶撕裂口附近的11＃試驗點做單獨實驗分析，發現無論皮帶是否處于撕裂狀態下，皮帶加載后撕裂口附近的實驗點所測拉應力均變大，且拉應力隨著張緊力的增加而相應增加。

表1 皮帶撕裂前后試驗點應力變化情況

表2 皮帶撕裂前后11＃試驗點應力變化情況

3 結語

通過對皮帶運輸機皮帶撕裂的原因分析，皮帶撕裂主要由皮帶跑偏、遭受猛烈沖擊、物料的卡壓以及運輸不當等引起。認為通過實驗研究了皮帶縱向撕裂前后受力和變形特征，主要得到：① 在皮帶未發生撕裂前，皮帶所受拉—壓力隨張緊力增大而增大；② 在皮帶未撕裂時，在皮帶上加載后所受拉應力變大；③ 皮帶從未撕裂到撕裂后，撕裂口附近瞬間減小至0左右，而加載后受拉應力明顯增大；④ 加載后皮帶撕裂口附近所受拉應力均變大，而如果張緊力變大，其拉應力相應也增加。

〔1〕宋偉剛.散狀物料帶式輸送機的設計〔M〕.沈陽：東北大學出版社，2000.

〔2〕張 敏.淺談皮帶撕裂的成因及預防〔J〕.價值工程，2012，（15）：295－296.

〔3〕劉訓濤，毛 君.帶式輸送機斷帶抓捕器的研究〔J〕.礦山機械，2005，（2）：58－59.

〔4〕趙志斌，陳洪良，房 勇.輸煤皮帶撕裂檢測裝置的研制與應用〔J〕.東北電力技術，2011，（10）：50－52.

〔5〕王麗威，苗運江，張春光，等.新型帶式輸送機斷帶保護裝置的設計〔J〕.煤礦機械，2013，34（04）：172－173.