長距離帶式輸送機自適應車式拉緊系統設計

張營章，李輝中

(華電重工股份有限公司，北京 100070)

隨著帶式輸送機行業的發展，帶式輸送機逐漸向長距離、大運量與高帶速方向發展[1]，結構趨于大型化。在輸送物料的過程中，滿載和空載情況下的輸送帶張緊松弛程度不一，尤其滿載時，輸送帶松弛就直接影響和降低輸送帶與傳動滾筒間的摩擦力，為保持其張緊力，就需輸送帶自適應張緊。隨著使用時間推移，膠帶會逐漸彈性伸長，其張緊力亦隨之降低，啟動時動張力可能導致輸送帶局部或整體打滑[2]。帶式輸送機常用的拉緊裝置分為螺旋拉緊裝置、垂直拉緊裝置、車式拉緊裝置和液壓拉緊裝置[3]，車式張緊裝置在長距離帶式輸送機應用最多，因拉緊行程長，造成拉緊車架過長、拉緊塔架過高，傳統方法需增設拉緊裝置[4-12]，不經濟，甚至會因空間限制而無法滿足施工需求。通過設計一種新型纏繞方式的車式拉緊系統，使拉緊行程縮短為傳統拉緊裝置的四分之一，分別將拉緊車架長度減少一半、拉緊塔架高度降低一半，滿足狹小場地的施工需求，受力合理、自適應性強與自動化程度高，對長距離帶式輸送機拉緊系統的設計提供重要參考。

1 拉緊系統工作原理

拉緊系統結構如圖1所示。棧橋上輸送帶通過拉緊改向滾筒支座進行改向，經夾帶裝置導向后纏繞到組合改向滾筒座進行改向，組合改向滾筒座上三個改向滾筒適于與拉緊小車一端三拉緊滾筒配合，增加輸送帶纏繞層數，組成一動滑輪系統，使拉緊行程減少一半。組合改向滾筒座與拉緊小車間由拖帶導鏈系統和拖帶小車對多層輸送帶進行托舉，當拉緊小車一端由于輸送帶伸長向前行走時，連接拉緊小車和拖帶裝置的拖帶導鏈被拉緊，拖帶小車自動行走并對多層輸送帶進行支撐，防止多層輸送帶間互相干涉。拉緊小車另一端為定滑輪，鋼絲繩定滑輪進行纏繞牽引；水平改向滑輪座固定第一牽引端，適于對鋼絲繩進行固定，鋼絲繩通過拉緊小車上定滑輪纏繞改向后，再通過水平改向滑輪座上定滑輪進行水平改向。鋼絲繩通過水平改向后纏繞到豎直改向滑輪座上的滑輪進行豎直改向；第二牽引端固定在塔架上，鋼絲繩通過滑輪組進行纏繞，其中二滑輪固定在塔架上，二滑輪固定在重錘箱上，組成二倍率滑輪系統，拉緊行程再減半。

1—輸送帶；2—拉緊改向滾筒支座；3—夾帶裝置；4—組合改向滾筒座；5—拖帶裝置；6—拖帶小車；7—拉緊小車；8—拉緊車架；9—鋼絲繩；10—第一牽引端；11—水平改向滑輪座；12—豎直改向滑輪座；13—滑輪組；14—第二牽引端；15—重錘箱；16—塔架圖1 拉緊系統結構

2 拉緊系統結構設計

現對該拉緊系統非常規部件：夾帶裝置、組合改向滾筒座、拖帶裝置、拖帶小車、拉緊小車、水平改向滾筒座進行結構設計。

2.1 夾帶裝置

利用空間結構，夾帶裝置支架與棧橋、組合改向滾筒座相連，每隔一定距離設置一組托輥，對輸送帶進行夾緊，防止輸送帶發生劇烈抖動、跑偏，影響輸送機運行安全。

2.2 組合改向滾筒座

組合改向滾筒座上固定三改向滾筒，對從棧橋上輸送下來的輸送帶進行改向，并適于和拉緊小車進行配合纏繞，增加輸送帶纏繞段數。其中，改向滾筒II連接于斜撐上，與水平方向呈45°夾角，滾筒合力方向垂直于斜撐，使螺栓只承受壓力，受力合理、增強穩定性。

2.3 拖帶裝置

拖帶裝置包含拖帶導鏈系統(如圖2所示)與拖帶小車(如圖3所示)，作用為對多層輸送帶進行托舉，減小輸送帶下垂度及相互干涉。

圖2 拖帶導鏈系統

1—拖帶架體；2—托輥；3—圓形輪；4—V形輪；5、6—防傾翻裝置；7—穿板；8—固定鋼絲繩；9—導鏈圖3 拖帶小車

2.3.1 拖帶導鏈系統

其包括鋼絲繩組件、吊環與導鏈，鋼絲繩組件處于伸直狀態，其上設有多個吊環，鋼絲繩與導鏈從吊環中穿過，吊環可拖動導鏈在鋼絲繩上自由滑動，導鏈一端固定于架體上，另一端與拖帶小車相連。當拖帶小車向前行走時，導鏈被拉直拉動拖帶小車向前行走，達到設定間隔距離對輸送帶進行托舉，自適應性強、自動化程度高。

2.3.2 拖帶小車

圖4 V形輪放大圖

拖帶小車上設有三托輥2對多層輸送帶進行托舉；拖帶架體1上設多排孔，對托輥上下位置進行調整，以適應因拉緊小車移動造成的輸送帶位置變化；圓形輪3適于槽鋼軌道上行走，V形輪4(如圖4所示)適于在焊接于槽鋼上的角鋼軌道上行走，既保證拖帶小車能夠沿軌道直線行走，又能釋放一端自由度以便于安裝；防傾翻裝置5、6與槽鋼軌道配合，分別與槽鋼腹板和翼緣板接觸，避免受力不均造成輪子翹起或偏移；穿板7用于固定鋼絲繩8和導鏈9，以拉動拖帶小車向前行走。

2.4 拉緊小車

拉緊小車左側三改向滾筒用于輸送帶多層纏繞，以增加纏繞段數、縮短拉緊行程；鋼絲繩纏繞右側滑輪來對輸送帶進行拉緊。

2.5 水平改向滾筒座

鉸接點與水平改向滑輪固定于水平帶向滾筒座上，對鋼絲繩進行改向并使輸出力減小一半，水平改向滾筒座承擔一半受力。

3 受力分析

3.1 拉緊系統纏繞模型建立

重錘箱與X段鋼絲繩滑動配合，拉緊小車與Y段鋼絲繩滑動配合，使拉緊小車滾筒牽引Z段輸送帶移動，I段輸送帶通過與拉緊改向滾筒座和組合改向滾筒座配合，其中，X≥2，Y≥1，Z≥2，I≥1。其中“X段”并非指有X根鋼絲繩，而是一根鋼絲繩通過與滑輪組配合纏繞，使得有X段鋼絲繩承擔重錘箱重量；同理，“Y段”指一根鋼絲繩通過與拉緊小車滑輪纏繞，使得有Y段鋼絲繩拉動拉緊小車滑輪運動，進而帶動拉緊小車運動；Z段輸送帶是一根輸送帶通過與拉緊小車滾筒配合纏繞，使得拉緊小車在鋼絲繩對拉緊小車滑輪拉動下做隨動運動，并進一步由拉緊小車上滾筒牽引Z段直接相連的輸送帶移動。

重錘箱在滑輪組作用下，每移動距離a時，帶動鋼絲繩移動a·X的距離，其中a≥0m；拉緊小車與Y段鋼絲繩滑動配合，Y≥1，當重錘箱上鋼絲繩移動a·X距離時，拉緊小車移動a·X/Y的距離，其中a≥0m；拉緊小車在鋼絲繩的拉動下，帶動平臺上滾筒運動，進而帶動輸送帶移動，Z≥2，當拉緊小車移動a·X/Y距離時，帶動輸送帶移動a·X/Y·Z的距離。

3.1.1 拉緊行程計算

拉緊滾筒的拉緊行程可按式(1)計算[13]：

lsp=(ε0+ε1)L+lN

(1)

式中，lsp拉緊滾筒的拉緊行程，m；ε0輸送帶彈性伸長和永久伸長綜合系數；ε1托輥組間輸送帶屈撓率；L帶式輸送機長度；lN輸送帶安裝附加行程，m；lu輸送帶接頭制作總長度。以下為常用輸送帶拉緊行程系數，其設置見表1。

3.1.2 案例分析

現對具體方案分析，滾筒滑輪纏繞、受力如圖5所示。重錘箱通過滑輪組與4段鋼絲繩配合，當向下移動10m距離時，帶動鋼絲繩移動10×4=40m距離；進而帶動拉緊小車移動，拉緊小車與2段鋼絲繩配合，鋼絲繩移動40m距離時，帶動拉緊小車移動40÷2=20m距離；拉緊小車和其上滑輪移動20m時，帶動輸送帶移動20×4=80m；相應可達拉緊行程為80÷2=40m。因此，重錘箱下移10m距離時，根據式(1)，若選鋼絲繩芯帶，帶式輸送機長度可達約11km，拉緊車架長度減少一半、塔架高度降低一半，達到四倍拉緊行程效果。

表1 行程參數

圖5 滾筒滑輪纏繞、受力圖

3.2 拉緊系統受力分析

通過案例分析，拉緊車架長度減少一半和塔架高度降低一半，根據能量守恒W=F·S，其中功W、受力F、距離S，組合改向滾筒座、拉緊小車、水平改向滾筒做與塔架受力分別增加一倍，巧妙地將行程的縮短轉化到地面上的組合改向滾筒架、水平改向滾筒架的受力及增加廉價配重塊重量。

3.2.1 組合改向滾筒座

組合改向滾筒座(如圖6所示)設于地面上，當拉力為F時，輸送帶纏繞于三改向滾筒上，其受豎直方向拉力F和水平方向拉力2F；同時支承夾帶裝置受力。

圖6 組合改向滾筒座受力圖

3.2.2 拉緊小車

拉緊小車(如圖7所示)承受水平拉力2F，拉緊行程縮短一半，受力增加一倍。

圖7 拉緊小車受力圖

3.2.3 塔架與重錘箱

塔架上二固定滑輪與重錘箱上二滑輪組成二倍率動滑輪組系統，拉緊行程減少一半，塔架受力增加一倍，即承受向下拉力4F，可使塔架高度降低一半，轉化成重錘塊的重量增加一倍，造價降低。

3.2.4 水平改向滑輪座

水平改向滾筒座受力圖如圖8所示，鋼絲繩受到拉力F時，水平改向滑輪與第一牽引端分別受力F，即水平改向滑輪座承受拉力2F，垂直于水平方向拉力F，鋼絲繩輸出到塔架力F，這樣設計使輸出力減半。

圖8 水平改向滾筒座受力圖

4 拉緊系統設計方案優缺點

1)適于長距離、大運量帶式輸送機，通過對組合改向滾筒座與拉緊小車配合，增加輸送帶在拉緊小車上的纏繞段數，與傳統帶式輸送機相比能夠縮短拉緊車架長度、降低塔架高度，拉緊行程大大縮短，滿足狹小施工場地施工需求，節約生產成本，經濟效益可觀，適應性強；

2)拖帶裝置設于拉緊車架上，能夠對多段輸送帶進行隨動托舉，自動化程度高，自適應性好，保證輸送帶運行平穩；

3)鋼絲繩經繞拉緊小車滑輪后，由水平改向滑輪進行水平改向，使水平改向滑輪座一側承受兩倍鋼絲繩拉力，另一側承受一倍鋼絲繩拉力，從而使水平改向滑輪座分擔塔架受力，降低塔架運行風險；

4)能夠縮短四倍拉緊行程，若需縮短更多倍拉緊行程，則需增設組合改向滾筒座和拉緊小車上滾筒數量進行更多層輸送帶纏繞或增設多倍率滑輪塔架系統，具有一定適用性。

5 結 論

針對傳統長距離、大運量帶式輸送機存在的問題，通過建立拉緊系統結構模型，設計一種多層輸送帶纏繞的拉緊小車與二倍率動滑輪塔架系統結構部件，建立拉緊系統纏繞模型，并對具體方案進行分析。結果表明：該拉緊系統拉緊車架長度減少一半、塔架高度降低一半，達到四倍拉緊行程效果。通過對拉緊系統部件受力分析，驗證其受力合理性，巧妙地將行程的縮短轉化到地面上組合改向滾筒架與水平改向滾筒架受力及增加廉價配重塊重量。因此，本設計提供的帶式輸送機自適應車式拉緊系統，能夠對上述問題進行很好解決，滿足狹小場地施工需求，自適應性強，自動化程度高，無需額外維護，節約成本，經濟效益可觀，對長距離帶式輸送機拉緊系統設計及應用提供重要參考。