輸送帶接頭耐久性動態測試試驗臺的機架設計*

郭澤海，秦翥，侯紅偉

(中國煤炭科工集團 上海有限公司，上海 200030)

0 引言

輸送帶性能的優劣直接決定了整個運輸系統的運輸效率和安全性能。設計了一種試驗裝置，以較少的耗材，在盡可能符合實際的循環周轉運行情況下，使輸送帶樣品和接頭在一定時間內負載，旨在確定輸送帶(鋼絲繩芯輸送帶和織物芯輸送帶)在動力學持續震蕩應力(負載)情況下的抗拉強度，進而獲得輸送帶的具體性能參數。

1 試驗臺測試原理

1.1 試驗設備特征

該試驗設備為一種帶有驅動滾筒和張緊滾筒的持續運行機器。參照德國工業標準DIN 22110-3(2007)輸送帶接頭的測試方法，該試驗設備具有以下特征：

1) 直徑用D來表示的可更換滾筒，材料為鋼或橡膠，可用寬度不小于500 mm。

2) 檢驗力以鋸齒形曲線出現(齒形比例5∶1，見圖2)，加載循環持續時間為TLSp=(50±5) s。

3) 加載循環持續時間與輸送帶周轉時間比例固定。

4) 軸距L和張緊幅度SSp：最小軸距(張緊行程SSp=0)為6 000 mm。

5) 可調整的輸送帶速度ν。

6) 用于計算輸送帶周轉數和加載循環數的計數器。

7) 設有獲取檢驗力和輸送帶長度的裝置。

8) 設有直線運行控制器。

圖1 試驗臺測試原理

1.2 施加載荷和加載周期

由圖2所示，在檢測試驗中,加載力裝置(液壓油缸)作用到張緊滾筒的直線載荷為F,周期為T;前5/6T時間內，載荷從最小值Fmin直線增加到最大值Fmax;后1/6T時間內，載荷從最大值Fmax直線減小到最小值Fmin。檢測標準中,對施加載荷F以及加載周期T有如下規定：

T=(50±5)s

(1)

Fmax=50%FB

(2)

Fmin=6.6%FB

(3)

式中：FB為輸送帶樣品的額定致斷力。

圖2 檢測力加載曲線

2 試驗臺機架的設計

試驗臺整體機械結構的設計思路以實現試驗臺測試功能為基礎，確保結構穩固，便于安裝拆卸滾筒和輸送帶樣品，適應多種直徑的滾筒以及利于液壓缸執行動作，并便于制造和美觀等多方面綜合考量。試驗臺除液壓油缸和兩端滾筒外，其余零部件提供支撐、防護或其他輔助功能，使之整個試驗臺除特殊零部件外，都是由方鋼或H型鋼通過焊接工藝加工而成。

2.1 結構組成

裝置整體可分為下支撐和工作臺兩部分。下支撐主要為工作臺提供重力支撐、動作空間以及安裝拆卸平臺。工作臺為試驗裝置的核心部分，通過液壓缸的收縮運動給輸送帶周期性可控的負載，對輸送帶的動態耐久性進行檢驗。此外，試驗裝置還需布置防護欄、梯子、欄桿等輔助零部件。

2.2 基本原理

圖3為試驗臺結構示意圖,在檢測過程中，張緊滾筒1在工作臺的滑軌2上做循環往復運動，液壓缸3提供作用力。由電動機連接減速器提供驅動滾筒5運動的力矩，連接架4作為承力機架。后梁7、前梁9及中間梁8主要起支撐作用，底座10通過地腳螺栓固定于地面，支撐腿6便于拆卸，用于安裝和更換輸送帶樣品。

1-張緊滾筒；2-滑軌；3-液壓缸；4-連接架；5-驅動滾筒；6-支撐腿；7-后梁；8-中間梁；9-前梁；10-底座。圖3 試驗臺結構示意圖

3 環形輸送帶安裝方法

由于輸送帶樣品在檢測前已經完成拼接硫化等工藝，故采用“拆卸—穿入—固定—再拆卸”的方式來安裝或更換輸送帶，具體流程如圖4所示。

首先，拆卸活動支撐腿1，輸送帶穿入活動支撐腿1、2空間；然后，安裝活動支撐腿1，拆卸活動支撐腿2，輸送帶穿入活動支撐腿2、3空間；最后，安裝活動支撐腿2，依次拆卸下一活動支撐腿，直至輸送帶安全穿入。這種安裝輸送帶的方式在盡可能保證裝置整體機構不受破壞的前提下，將安裝工作簡化為拆卸與安裝支撐腿的重復動作，其操作性較強。

由于輸送帶的強度較大、長度較長，為方便試驗人員操作，支撐腿的設計高度和間距相對也較大。在整個安裝工作之前，工作臺機架上的托輥、欄桿和防跑偏裝置等都要拆卸，旨在方便輸送帶的安裝。由于滾筒和連接架的質量較大，支撐腿側水平梁的變形量會影響整個機構的水平精度，進而影響后續試驗的順利進行，故在安裝完畢后，須再次調整安裝精度。

4 主要承力機構的強度分析

由圖3可以得出，在液壓缸施加力作用到輸送帶后，該作用力作為整體裝置的內力由連接架承受。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

1-活動支撐腿1；2-活動支撐腿2；3-活動支撐腿3

圖4 輸送帶樣品安裝流程

連接架下端通過螺栓和定位銷固定在前后梁上，后端與滾筒軸承座螺栓固定，前端與液壓缸螺釘聯接。設定連接架下端面和后端面(即與滾筒軸承座結合的面)為固定面，在前端面(即與液壓缸結合的面)上施加負載F0，如圖5所示。

圖5 連接架施加載荷分布

整件為焊接件，焊接材料包括Q235B、Q345B以及ZG35。為簡化有限元分析，默認模型材料為ANSYS材料庫中“結構鋼”，其性能參數見表1。

表1 材料的性能參數

圖6為有限元分析結果。由圖6(a)所示，前端面中部深紅色區域變形量最大，達到0.677 mm，但從整體來看，變形相對均勻，變形量較小；由圖6(b)所示，前端面中部安裝液壓缸部位出現最大應力值，達到151.65 MPa，但在允許范圍內；由圖6(c)結果顯示，安全系數最小值出現在應力值最大部位，其最小值為1.65，最大值為15。

(a)總體變形

(b)等效應力場

(c)安全系數圖6 有限元分析結果

5 結論

1) 本文所設計的輸送帶接頭動態耐久性能試驗裝置的試驗原理是以檢測標準為基礎，整體結構簡單緊湊。

2) 利用液壓系統施加交變載荷模擬實際工況下的動態載荷，施加載荷曲線可檢測、可控制。

3) “拆卸—穿入—固定—再拆卸”的輸送帶安裝方式，其工作量盡管相對較大但原理簡單，易于操作。

4) 利用焊接的框型結構件作為承力件，強度高且穩定性強，易于分析其受力狀態。

5) 試驗裝置整體機架滿足功能、制造及安裝的各方面要求。