礦用皮帶機運輸帶優化及導料槽結構改造研究

王玉明

（西山煤電（集團）有限公司馬蘭礦，山西古交 030200）

0 引言

礦用皮帶機的主要作用是將散料運輸到指定位置，這種設備對物料只完成位置的轉移，僅要求設備應用靈活，運輸路線也比較隨便。皮帶機技術的發展也是比較成熟，皮帶機主要優點：（1）結構簡單，維修更換方便；（2）運輸比較平穩，可以基本實現對物料的保護作用；（3）成本低，可以適應比較惡劣的工作環境；（4）運輸能力強，對物料的適應能力強[1]。皮帶機的主要缺點：（1）運輸過程比較適應直線運輸，在有轉彎的情況下是不適用的；（2）占地空間比較大；（3）密封性不好，粉狀物料的粉塵污染比較大[2]。

礦用皮帶機有其自身的優缺點，在現代礦業發展中占領著不可替代的作用，然而運輸帶作為皮帶機的關鍵零部件，直接影響著皮帶機的使用壽命及工作效率。

1 礦用皮帶機運輸帶應用缺陷

每個礦場的運輸帶基本都不能通用，按材質分：普通帆布帶、尼龍帶、EP帶、鋼絲帶等。運輸帶的規格線層從4層到8層線不等；在制造工藝方面，上膠面厚度為4～10 mm[3]。根據其不同的材質和承載能力，有種類繁多的型號，占據大量的空間和資源，從而造成了不必要的浪費；同時對備件設備的選擇和檢修都帶來了比較大的困難。因此對礦場皮帶機所用的輸送帶進行全面校核，減少規格型號，對輸送帶進行優化處理，意義重大。

2 礦用皮帶機運輸帶優化

（1）運輸帶下垂的最小張力[4]

式中：qB為運輸帶每米長度的質量，kg/m；qG為輸送物料每米長度的質量，kg/m；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；a為帶輪中心距，單位m，h為帶輪厚度，單位m。

（2）最大圓周驅動力

式中：Fu為圓周驅動力，N；Ka為驅動力系數。

（3）運輸帶不打滑的最小驅動力

綜合式（1）、（2），一般情況下，保證運輸帶不打滑的最小驅動力[5]為：

式中：euφ一般取2.5。

通過以上運算可以找到滿足運輸穩定性的最基本的運輸帶承載能力。

（4）運輸帶的層數[6]

理論計算如下：

式中：B為帶寬，m；σ為物料密度，kg/m3。

通過理論計算，對運輸帶的類型進行優化，可以確定一款皮帶機在穩定安全運輸的情況下，所需要的最基本的運輸帶型號及規格，從而進行優化，減少其種類，降低了管理及檢修的復雜性。

3 傳統皮帶機導料槽缺陷

運輸帶的類型優化對礦場的管理及占地和檢修費用有了很大的改善。然而運輸帶作為礦用運輸機最關鍵的零部件，價格昂貴，耐久性差。為了進一步提升運輸帶的使用壽命，對失效的運輸帶進行研究，發現大約80%的失效都是由于導料槽擋板對運輸帶的磨損導致的。因此有必要對導料槽擋板的結構進行優化，以達到延長運輸帶壽命的目的。

導料槽擋板的作用主要有兩個方面：一是可以對物料起到導料的作用，給物料一個正確的傳輸方向；二是密封作用，防止物料粉塵溢出。傳統導料槽的基本機構如圖1所示。傳統的導料槽通過擋板與運輸帶之間的壓力來實現密封和導料的相互作用，而在此壓力條件下，導料槽結構上既會產生一定的多余的負荷，也會對輸送帶產生很大的磨損。

圖1 傳統導料槽的基本機構示意圖

4 皮帶機導料槽結構改造升級

運輸帶在運輸過程中主要承受的外力有：（1）物料和運輸帶的摩擦力；（2）清掃器、卸料器等固定部件對支撐運輸帶來的阻力；（3）物料提升所需要的阻尼；（4）導料槽摩擦阻力。通過分析可以得出物料和運輸帶的摩擦力、物料提升所需要的阻尼都是必須要克服的必要阻力；而導料槽的摩擦阻力、清掃器和卸料器等固定部件對支撐運輸帶來的阻力是可以進行優化的不必要阻力。

導料槽的擋板一般是選擇膠料的材質，而橡膠的小變形彈性理論[7]如下：

式中：K為體積壓縮模量，GPa；P為施加壓力，Pa；ΔV為收縮體積，m3；V0為壓力初始體積，m3。

橡膠類的體積壓縮模量很高，由此可以說明：只要導料槽攔板發生一點變形就會產生對應的阻力，從而對運輸帶產生磨損。

針對以上分析，對導料槽的擋板進行了改造設計，采用非接觸式的擋板結構。非接觸式的導料槽結構如圖2所示。通過將原來擋板與輸送帶之間的接觸進行疏離，同時分別設置了導料裝置和密封裝置，采用廢舊的橡膠材質皮帶作為導料裝置，但是與輸送帶之間有3mm左右的間隙，不與輸送帶產生直接接觸，從而避免了接觸應力。在縫隙處使用軟質的布料，由于材質較軟也不會產生很大的摩擦，也可以使用小滾輪，滾動摩擦也會對阻力有很大的改善作用。

圖2 非接觸式的導料槽結構示意圖

5 皮帶機改造前后的性能對比

對導料槽改造前的一段運輸帶受力分析，受力分析圖如圖3所示。假設皮帶變形內徑為r，厚度為h，變形處夾角為α，欄板總長度為l，則變形狀態V′體積[8]為：

圖3 改造后的導料槽受力分析

然而改造后擋板不與輸送帶產生直接接觸，所以基本沒有摩擦力表現，而下面的軟質密封材料，質地很輕，摩擦力也基本可以忽略不計。

6 結束語

本文對運輸帶的種類進行了優化，并對導料槽結構進行了改造，設計出一種非接觸式的導料槽結構。

運輸帶種類及型號繁多，通用性不好。不僅給采購部門增加工作量，同時對煤礦企業產生較大的占地面積浪費及資源浪費。因此對輸送帶的型號及規格進行優化統一，通過計算得到可以使輸送機穩定工作的基本能力，從而可以給出更多的輸送帶選擇空間，減少了輸送帶的型號和規格，因此降低了公司的資源浪費及成本。

通過對輸送帶層數的計算，可以選擇直接可靠的層數即可，不必要保守選擇，造成一定的浪費。

通過改造導料槽的結構，即非接觸式的導料槽，有效降低了擋板與輸送帶之間的磨損，從而降低了輸送帶的壓力，減少磨損，提高了輸送帶的使用壽命。為企業降低運輸帶消耗42.8%，節省了約10.4%的電能消耗。