礦用膠帶輸送機滾筒壓裂原因與改進

鄧 鑫

（山西焦煤集團霍州煤電鑫鉅煤機裝備制造有限責任公司研究所， 山西 霍州 031400）

引言

膠帶輸送機承擔著煤礦井下運煤系統(tǒng)的主要作業(yè)。由于其本身運輸能力大，環(huán)境適應(yīng)性廣，后期維護技術(shù)度低，已逐漸在煤礦井下普及。然而受井下工況條件制約和環(huán)境影響，大部分膠帶輸送機滾筒工作2～3年后都會出現(xiàn)不同程度的形變[1]。若不及時修復(fù)，輕則引起跑偏落煤損失，重則導(dǎo)致皮帶撕斷、滾筒壓裂等事故。因此，從設(shè)計角度深入分析避免滾筒斷裂原因，提前采取預(yù)防性措施是非常必要的。

1 研究背景

1.1 滾筒結(jié)構(gòu)

膠帶輸送機滾筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1，膠帶輸送機滾筒主要包括脹套、幅板、輪轂、加強環(huán)、筒體和主軸等部件。目前煤礦井下膠帶輸送機滾筒主要為鋼板打卷燒焊的鑄焊滾筒和焊接滾筒，材質(zhì)較硬，皮帶滾筒之所以變形壓裂，主要是幅板、輪轂和加強環(huán)等結(jié)構(gòu)部件發(fā)生不同程度的形變，以及主軸發(fā)生徑向偏移所導(dǎo)致。

1.2 工作原理

井下膠帶輸送機滾筒主要為傳動滾筒、變向滾筒，兩者都是依靠摩擦力傳遞牽引力或改變方向。以傳動滾筒為例，工作時通過主軸與接盤相互連接，接盤再向主軸傳遞徑向驅(qū)動力，并通過主軸轉(zhuǎn)動使?jié)L筒面轉(zhuǎn)動，使膠帶輸送機啟動運行。

2 受力分析

膠帶輸送機運行時，其滾筒軸向應(yīng)力分布和徑向應(yīng)力分布如圖2[2]所示。

圖2 膠帶輸送機滾筒軸向、徑向應(yīng)力分布圖

圖中 ：A為滾筒，B為膠帶，d為法線，x為水平線，Sy為滾筒與膠帶相遇點張力，N；S1為滾筒與膠帶分離點張力，N；S為筒面與膠帶摩擦力，N；S-dS為最大受力點的張力差，N；φ為轉(zhuǎn)動角度，rad；N為水平壓力，N；μ為動摩擦系數(shù)。

如圖2所示，膠帶輸送機為理想狀態(tài)下的撓性體，彎曲應(yīng)力恒定；滾筒在理想狀態(tài)運行時，膠帶所受的重力和離心力忽略不計，此時滾筒主要受到三個力的作用：即膠帶張緊時所受到上方的正壓力、與運動方向相反的動摩擦力和使?jié)L筒運轉(zhuǎn)的牽引力，其中牽引力的大小與正壓力的大小呈正向分布，此時滾筒軸向應(yīng)力的最遠點即為應(yīng)力集中區(qū)，即滾筒外圍最邊緣部分受到的形變最大。因此在膠帶輸送機轉(zhuǎn)速一定時，通過增加牽引力的方式來提高皮帶運行效率，勢必會使膠帶速度增大，正上方壓力急劇增加，作用在滾筒上的扭矩也急劇增加，其變化程度服從正向分布。

3 壓裂分析及措施

3.1 壓裂分析

膠帶輸送機受長期壓力影響，滾筒整體發(fā)生形變壓裂，例如焊點斷裂、幅板軸向斷裂或徑向斷裂，原因如下：

1）膠帶輸送機啟動時張力最大，漲緊力與驅(qū)動力成正比，導(dǎo)致滾筒所受壓力短時間內(nèi)迅速增加，同時滾筒啟動時轉(zhuǎn)加速度達到最大值，導(dǎo)致滾筒上扭矩瞬時變大，進而導(dǎo)致滾筒變形，引起壓裂；

2）滾筒因本身鋼材質(zhì)量問題或設(shè)計問題；

3）焊后處理存在缺陷，導(dǎo)致滾筒整體抗拉能力不足，往往在焊縫處壓力集中，出現(xiàn)壓裂。

3.2 處理措施

1）嚴格把握設(shè)計關(guān)，規(guī)范滾筒型式設(shè)計。以目前井下在用的某型號膠帶輸送機為例，其滾筒設(shè)計圖和規(guī)格參數(shù)及對應(yīng)代號含義如圖3、表1[3]所示，可作為設(shè)計參考。

圖3 膠帶輸送機設(shè)計圖

表1 膠帶輸送機（筒距500～1400）尺寸設(shè)計對照表

2）選用合格優(yōu)質(zhì)鋼材，保證滾筒鑄造質(zhì)量。

3）創(chuàng)新滾筒支撐設(shè)計，比如增加滾筒設(shè)計厚度，在滾筒側(cè)沿滾筒軸向設(shè)置加強肋，提高整體支撐強度。

4）加強現(xiàn)場維護和后期保養(yǎng)，選擇原廠備品配件。

5）嚴格定期檢修。

4 改進試驗

根據(jù)以上參數(shù)重新進行設(shè)計，并進行井下調(diào)試試驗。井下現(xiàn)場連續(xù)空載運行48 h，負載運行24 h，測試及連續(xù)運行結(jié)果表明：皮帶機各部件運行正常，系統(tǒng)各類信號傳輸正常，達到技術(shù)指標和參數(shù)要求。運行過程中滾筒各測點應(yīng)力參數(shù)與驗證結(jié)果吻合；物料相對皮帶無相對運動，起動制動平穩(wěn)，重載起車未發(fā)生滑料現(xiàn)象。膠帶在允許范圍內(nèi)對中運行，運行噪聲值75 dB，負載運行時，滾筒未發(fā)現(xiàn)明顯形變，所有滾筒部件探傷無損壞，托輥及滾筒旋轉(zhuǎn)靈活。

5 結(jié)語

研究滾筒的基本結(jié)構(gòu)，深入分析各區(qū)域各部件應(yīng)力情況，明確了滾筒面在負荷運轉(zhuǎn)時的應(yīng)力分布和防范重點，得出最佳的工況參數(shù)，重新設(shè)計并進行了地面及井下實驗，現(xiàn)場試驗與研究結(jié)果吻合；同時提出了滾筒設(shè)計方面的處理措施，通過規(guī)范滾筒型式設(shè)計、選用合格優(yōu)質(zhì)鋼材、創(chuàng)新滾筒支撐設(shè)計、加強現(xiàn)場維護和后期保養(yǎng)、定期檢修等方法，從多方面防范滾筒壓裂事故，提高礦井設(shè)備技術(shù)能力。