礦用帶式輸送機(jī)卷帶機(jī)設(shè)計(jì)與研究

魏 利

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同家梁礦機(jī)運(yùn)一區(qū)， 山西 大同 037025）

引言

在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，帶式輸送機(jī)是常見(jiàn)的一種物料運(yùn)輸設(shè)備，主要用于輸送煤炭和部分機(jī)械設(shè)備，在實(shí)際輸送物料時(shí)可以在不同的位置點(diǎn)進(jìn)行卸料，自身具有運(yùn)量大、適應(yīng)性強(qiáng)、可以進(jìn)行連續(xù)輸送等優(yōu)點(diǎn)。皮帶是帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵承載構(gòu)件，在實(shí)際物料輸送過(guò)程中，皮帶直接與物料接觸，承受較大的載荷，不僅會(huì)受到外部摩擦力的作用，同時(shí)會(huì)受到拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等多種載荷的作用。所以，帶式輸送機(jī)膠帶常常會(huì)出現(xiàn)皮帶表面磨損嚴(yán)重、皮帶內(nèi)部斷絲、發(fā)生斷帶等事故[1]，從而對(duì)經(jīng)濟(jì)效益造成一定的損失。

根據(jù)煤礦安全管理要求和煤礦生產(chǎn)設(shè)備安全要求，對(duì)于磨損嚴(yán)重甚至承載力不達(dá)標(biāo)的皮帶，需要進(jìn)行定期更換，保證生產(chǎn)能力。傳統(tǒng)的皮帶更換主要是采用人工來(lái)完成，膠帶具有厚度大、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。一般是幾卷膠帶通過(guò)兩兩對(duì)接硫化成一整條大長(zhǎng)度膠帶在輸送機(jī)上運(yùn)行，膠帶自重比較高，受到巷道作業(yè)空間的限制，在實(shí)際進(jìn)行更換時(shí)相當(dāng)困難。在實(shí)際換帶過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題[2]：換帶過(guò)程不同步，需要人力物力比較大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)于企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失比較大；受煤礦巷道作業(yè)空間的影響，換帶過(guò)程危險(xiǎn)系數(shù)比較高，作業(yè)頻繁，容易發(fā)生人員傷亡事故。

基于以上對(duì)帶式輸送機(jī)皮帶更換存在的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)皮帶更換傳統(tǒng)工藝進(jìn)行相關(guān)研究，提出了一種卷帶機(jī)，可以代替人工完成井下帶式輸送機(jī)皮帶的更換，大大提高更換效率和速度。

1 帶式輸送機(jī)換帶工藝方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的換帶過(guò)程均是靠大量的人力來(lái)完成，具體工藝為：首先通過(guò)絞車或人工將需要更換的皮帶拆卸下來(lái)，并且將新帶通過(guò)人力使用某些工具或輔助設(shè)備鋪設(shè)到托輥上，通過(guò)硫化接頭將輸送帶進(jìn)行連接，最后進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試和糾偏。受到帶式輸送機(jī)皮帶自重比較大、內(nèi)部有等距排布的鋼絲繩，在實(shí)際更換過(guò)程中需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，尤其是對(duì)于某些長(zhǎng)距離大坡度的斜井帶式輸送機(jī)的更換，人工換帶變得相當(dāng)困難，非常容易引發(fā)安全事故。

一般而言，在實(shí)際進(jìn)行更換的過(guò)程中需要多臺(tái)絞車同時(shí)進(jìn)行工作，每更換一段距離就需要重新進(jìn)固定接頭，短巷帶式輸送機(jī)皮帶更換需要至少5～10 d 才能夠全部完成，耗時(shí)比較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了企業(yè)的生產(chǎn)效益和產(chǎn)量。

為此，需要重新布置生產(chǎn)工藝，將皮帶的更換過(guò)程變得更加高效，如圖1 所示為本次提出的換帶工藝流程示意圖。

圖1 換帶工藝示意圖

如圖1 所示，換帶工藝主要包括了卷帶裝置、切帶裝置、夾帶裝置、收卷裝置四大部分，每一臺(tái)裝置完成一道工藝，最終代替人工完成對(duì)輸送帶的更換[3-4]。本次設(shè)計(jì)的卷帶機(jī)主要位于收放側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舊帶的回收和對(duì)新帶的釋放，一臺(tái)設(shè)備完成兩步工藝。

2 卷帶機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)化建模

目前卷帶機(jī)的主要設(shè)計(jì)思路有兩種，一種是中心收卷，另一種是表面收卷，這兩種收卷方式均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶的更換，其中中心收卷方式是利用電動(dòng)機(jī)連接減速器、驅(qū)動(dòng)卷帶芯軸對(duì)輸送帶進(jìn)行收卷，采用這樣的收卷方式結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，最終能夠卷曲的膠帶較長(zhǎng)，在一定程度上能夠節(jié)省設(shè)備的材料。表面收卷方式是利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)表面卷取錕進(jìn)行收卷，利用輸送帶自重使得表面產(chǎn)生一定的摩擦力進(jìn)行卷取，線速度比較穩(wěn)定[5-6]。

為此，設(shè)計(jì)了如圖2 所示的卷帶機(jī)三維結(jié)構(gòu)，首先通過(guò)使用SolidWorks2019 參數(shù)化建模，建立卷帶機(jī)各個(gè)零部件的三維模型，然后對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行智能裝配，得到卷帶機(jī)三維模型。

圖2 卷帶機(jī)參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)組成圖

如圖2 所示為本次設(shè)計(jì)的卷帶機(jī)三維模型方案，卷帶機(jī)主要由機(jī)架、輸送帶、卷帶芯軸、電動(dòng)機(jī)、減速器和支撐托輥等部分組成，通過(guò)將輸送帶送入卷帶機(jī)，利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)卷帶芯軸將輸送帶繞著芯軸進(jìn)行卷取，卷取過(guò)程更加平穩(wěn)，相比于傳統(tǒng)的人工卷取，需要的人力成本較低，節(jié)省企業(yè)的生產(chǎn)成本。

3 皮帶收卷表面受力仿真分析

卷帶機(jī)在實(shí)際進(jìn)行收卷過(guò)程中，皮帶將會(huì)發(fā)生彎曲變形，在不同變形期會(huì)出現(xiàn)不同的受力，受力不同對(duì)于芯軸的影響較大，為了分析皮帶所處的受力狀態(tài)，對(duì)卷帶機(jī)收卷受力情況進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析。

首先通過(guò)分析卷帶機(jī)工作原理和卷帶機(jī)帶的收卷方向，在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件recurdyn v8r3 建立了與實(shí)際情況相一致的輸送帶收卷系統(tǒng)仿真分析模型，通過(guò)設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)器，對(duì)輸送帶和托輥的壓力進(jìn)行檢測(cè)，利用軟件系統(tǒng)自帶的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論和完全遞歸算法對(duì)建立好的模型進(jìn)行求解計(jì)算。仿真分析結(jié)果表明：卷帶機(jī)在卷帶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中帶靠近內(nèi)側(cè)壓力值變化較大，通過(guò)調(diào)定不同的壓力值，分別設(shè)定壓力值為0.5 MPa、1 MPa 和1.5 MPa，分析結(jié)果表明隨著壓力值的增加，膠帶在靠近芯軸位置處膠帶出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為125 MPa。由于膠帶內(nèi)部緊密排布有成股鋼絲繩，鋼絲繩受到最大的應(yīng)力作用，對(duì)外部膠帶的應(yīng)力相互作用，在鋼絲繩纏繞過(guò)程中需要保證一定的速度，纏繞速度快將會(huì)導(dǎo)致張力波動(dòng)較大，速度慢會(huì)延長(zhǎng)纏繞時(shí)間。所以，在卷帶機(jī)運(yùn)行過(guò)程中需要控制好運(yùn)行速度，盡可能保證膠帶勻速緊密纏繞到芯軸上，皮帶張力變得更小。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的人工卷帶存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)高、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的卷帶工藝進(jìn)行研究，提出了使用多種工序結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收卷，由此設(shè)計(jì)了一臺(tái)自動(dòng)卷帶機(jī)，可以對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)舊帶進(jìn)行自動(dòng)收卷，收卷后很容易拆卸，相比于傳統(tǒng)的人工卷帶而言，采用本次設(shè)計(jì)的卷帶機(jī)可以最大程度提高卷帶效率和節(jié)省卷帶時(shí)間，適合在煤礦中實(shí)現(xiàn)大范圍推廣應(yīng)用。