裝船機懸臂皮帶機張緊系統的優化改造

黃文俊

（國家能源集團黃驊港務有限責任公司，河北 滄州 061113）

0 引言

裝船機作為大型港口散料裝船設備，在物料裝卸過程中發揮重要作用。裝船機懸臂皮帶機物料傳輸的效率直接決定了裝船機的效能。當前，裝船機運行面臨懸臂打滑故障頻發需要限量作業、機械張緊形式操作困難、維護費時費力等問題，導致裝船機難以發揮實際設計能力。因此，改進張緊系統結構，找出一套校核皮帶張緊力的方法、皮帶打滑真正原因，制定科學合理的維護策略，提升設備安全可靠性和作業效率，顯得尤為重要。

皮帶機張緊系統分為固定式、恒力式和自動式等三種結構形式，廣泛應用于港口皮帶機部位。以某港裝船機為例，裝船機懸皮采用固定式張緊系統，在實際使用中發現，存在導軌上方無遮擋易積煤、滑道卡滯易造成張緊力誤判斷、液壓千斤頂調整張緊精度差、操作困難以及維護費時費力等系列問題。同時還存在裝船機俯仰角度高于6°（正常范圍±12°以內）的情況，導致懸皮打滑故障停機，需要限量作業，對安全高效運行造成一定影響。

1 懸臂皮帶機張緊系統優化改造

1.1 皮帶機張緊系統原理分析和優缺點對比

皮帶機張緊系統原理為對張緊滾筒施加張緊力，確保皮帶與張緊滾筒保持合理的正壓力，確保皮帶與張緊滾筒不會出現相對滑動，造成打滑故障。根據張緊形式的不同特點，分為固定式張緊系統、重錘式張緊系統和自動式張緊裝置。固定式張緊裝置的張緊滾筒通過千斤頂或者液壓油缸頂升張緊滾筒頂升點，調整張緊滾筒位置，從而對皮帶張緊力進行調整。重錘式張緊裝置通過張緊滾筒下方設置配重，通過配重的重力恒定皮帶張緊力。自動式張緊裝置通過在張緊滾筒增加自動拉緊裝置，能根據不同的工況自動調整張緊力，并能響應應皮帶機松緊度的變化。三種張緊形式優缺點對比見表1。

表1 固定式、重錘式和自動式張緊形式優缺點對比

1.2 皮帶機張緊系統優化設計

基于裝船機懸皮特點，通過帶壓力反饋的液壓系統設計，將原有固定式張緊形式改造為自動式張緊，通過增加機械防護和潤滑解決滑道銹蝕、卡滯等問題。液壓缸活塞桿與張緊滾筒相連，通過電動泵、電磁換向閥和壓力檢測開關控制液壓缸伸縮，帶動張緊滾筒沿導軌位移，根據油缸無桿腔壓力開關數值反饋來控制電磁閥的開閉，起到自動調整懸皮張緊力的作用。

該設計具有以下優點：1）采用液壓，根據裝船機臂架升降角度范圍（-10°～89°）合理布置液壓系統液壓站和液壓管路，使液壓站、液壓缸之間連接的液壓管路不用拆除，可以適應臂架各種工作角度。2）設計新型張緊液壓系統，此系統能實現通過操作按鈕（或者旋鈕）控制液壓系統自動調整張緊，實現液壓油缸伸縮，并且能單獨控制單個液壓缸伸縮動作。在新液壓系統上設置高壓報警信號，當系統壓力高于設定值時，自動報警停止打壓。此外，新系統上再加一套緊急手動打壓裝置，當自動系統出現故障時，可用手動打壓裝置打壓。3）張緊液壓缸上合理設計擋煤裝置，避免懸皮灑落煤積在液壓缸活塞桿和導軌上，影響張緊滾筒的移動。

工作原理如圖1所示，液壓站設置為封閉式油箱，空氣濾清器與外界聯通，確保液壓站滿足臂架升降角度范圍，不會出現液壓油外溢的問題。調整張緊信號觸發時，齒輪泵先開始工作，先導溢流閥得電，齒輪泵卸荷狀態。當收到張緊力增大調整指令時，先導溢流閥得電，電磁換向閥得電處于交叉機能。液壓油經過濾器過濾后，由齒輪泵吸入，先經過單向閥、電磁換向閥，后經過液壓鎖、分流閥、截止閥，到達液壓缸無桿腔。無桿腔壓力不斷上升，推動液壓缸缸桿伸出，進而推動張緊滾筒移動，達到調節張緊力的效果。當無桿腔壓力開關達到設定值時，電磁換向閥回到中位，液壓鎖對油缸進行鎖定，皮帶張緊力調整完畢。

圖1 張緊系統液壓原理圖和元件圖

1.3 皮帶機張緊系統施工和調試

用兩套10T導鏈將張緊滾筒固定，使原有機械張緊裝置的固定座及鎖母松動。拆下原有張緊絲杠頂端銷軸和固定尾座，將原有張緊支撐座調整到最大位置，并固定。將油缸頭部法蘭固定到支撐梁上，同時支撐梁上焊接安裝與油缸頭部法蘭配對的固定絲接法蘭，并將支撐梁結構安裝筋板加固。將新的張緊油缸穿過張緊固定尾座，與滾筒連接，安裝銷軸及機械鎖母。調整張緊固定座，保證油缸動作時油缸頭部與接觸面平穩接觸，并將頭部法蘭與固定絲接法蘭連接。調整好油缸行程后將油缸固定鎖母在固定座前后鎖緊，涂抹快干金色硬膜防銹油K2002。

將液壓站固定到指定位置，前提是不影響正常的作業和日常的維修工作，便于日常維護。液壓站安裝在臂架上方，便于操作和維護，液壓站底座焊接固定。

安裝前先用海綿清洗槍將管道內壁吹掃，管端采用擠壓成型方式密封。鋼管用TP316L精拔管，內部經過酸洗、鈍化。管路冷彎后用海綿子彈清洗內部灰塵，白色海綿彈射出后無變色為合格。

電控柜固定后，箱體開孔與液壓站內電氣設備接線，開孔處安裝格蘭頭，電纜用包塑軟管保護。電動調試液壓站使油泵正轉、輸出壓力達到設計值，反復動作油缸，達到無泄漏、油位、油溫正常的效果。斷電后調試手動功能，達到手壓泵動作無卡阻、油缸動作正常的效果。

2 懸皮張緊力核算

針對皮帶機設計核算，逐點張力法與簡易計算法相比，具有計算結果較精確的特點。根據以上故障表現，采用逐點張力法對懸皮輸送能力、電機功率和皮帶張緊力進行計算校核。

2.1 核算輸送能力

初始設計參數如下。物料為煤，密度為850kg/m～950kg/m。計算輸送能力取850kg/m。核定效率取950kg/m。帶寬=2200mm，皮速=4.97m/s，上托輥間距=1m，下間距2.15m，皮帶長度=44.85m，導料槽長9.9m，寬1.7m，電機功率=160kW，雙驅。液壓千斤頂壓強6.5MPa。

按照六號裝船機在俯仰最高角度14°作業計算如公式（1）所示。

式中：為輸送能力；為最大截面系數，取0.61m；為帶速，取4.97m/s；為傾斜系數，取0.91；為物料密度，取850kg/m。計算結果為=9091.5t/h＞6700t/h，輸送能力符合要求。

2.2 核算電機功率

按照六號裝船機在俯仰9°、通過量6000t/h作業計算圓周力如公式（2）所示。

式中：為圓周力；為裝料系數，取1.0.為主要阻力，取4670N；為傾斜阻力，取23058N；為特種阻力，取6825N；為附加阻力，取12483N。

計算結果為=47036N。

電機傳動軸功率計算如公式（3）所示。

式中：為驅動滾筒軸功率；為驅動滾筒圓周力，取47036N；為帶速，取4.97m/s。

計算結果為=233.7kW。

電機功率計算如公式（4）。

式中：為電機功率；為傳動滾筒軸功率；為總功率因數，取0.88。

計算結果為=278.9kW<320kW。電機功率符合要求。

2.3 核算懸皮張力

裝船機懸皮受力分析見圖2。

圖2 裝船機懸皮受力分析

按照六號裝船機在俯仰9°、通過量6000t/h作業情況下計算輸送帶最小張力滿足以下條件。

承載分支如公式（5）。

式中：為承載分支間距，取1m；為每米長度上膠帶質量，取32kg/m；為每米長度上物料質量，取335.35kg/m；g為重力加速度，取9.8m/s；（/）為輸送帶許用最大下垂度，取0.01。

計算結果為≥45000N。

非承載段分支如公式（6）。

式中：為回程分支間距，取2.15m；為每米長度上膠帶質量，取32kg/m。

計算結果為≥8232N。

按照不打滑條件，應滿足條件如公式（7）。

式中：為輸送帶滿載出現的最大圓周力，一般取1.5，即70554N；為尤拉系數，取3。

計算結果為≥35277N。

故驅動滾筒遠離點輸送帶張力取45000N。

根據逐點張力法對其他各點張力進行計算。

拋料滾筒1處皮帶張力如公式（8）。

式中：為每米長度上托輥轉動部分質量，取59.55kg/m；為皮帶機傾角，取9°；為模擬摩擦因數，取0.022；為輸送帶長度，取44.85m；為托輥前傾摩擦阻力，取840N；為輸送帶與清掃器摩擦阻力，取2384N；為加料段物料慣性阻力，取8283N。

計算結果為=85850N。

同理計算各點張力值。

為阻力系數，取1.02。

張緊滾筒單邊張緊力=（+）/2=100205N

液壓千斤頂壓強如公式（9）。

式中：為無桿腔截面積，取0.0123m。計算結果為=8.15MPa>6.5MPa。

綜上可得，懸皮實際張緊力不足，導致懸皮出現打滑故障停機。

2.4 核算輸送帶層數

穩定工況下，輸送帶最大張力為==100205N

輸送帶層數如公式（10）。

式中：為安全系數，取12；為帶寬，取2000mm，為單層皮帶強度，取200kg/cm。計算結果為=2.7<5。輸送帶層數符合要求。

2.5 計算結論

某港六號裝船機在俯仰正常角度范圍內出現限量問題，根本原因在于皮帶張緊力不足。

3 實踐應用

現場實踐，某港六號裝船機懸皮張緊由固定式改造為自動式張緊形式后，皮帶兩側張緊力可以同步調整到預定值，單人短時間內即可操作完成，降低了工人的勞動強度。懸皮張緊力由6.5MPa調整到10MPa后，在臂架俯仰9°以內，在6000t/h正常的作業流量下，各部件運行正常平穩，未出現懸皮打滑停機故障，提高了張緊系統的可靠度和作業效率。考慮到新皮帶運行初期會有較大延伸性，新皮帶更換完畢后，須限量80%運行，待運行48h后再次對皮帶張力調整到設計值即可正常作業。每年11月中旬，將皮帶張緊力重新調整到10MPa。

4 結論

該文通過對比不同張緊系統的原理和優缺點，創新提出了適用裝船機懸皮的液壓張緊系統改造方案和基于逐點張力法核算裝船機懸臂皮帶張緊力的方法，找出了懸皮打滑的實際原因，在某公司六號裝船機成功推廣應用，為科學合理調整懸皮張緊力提供了理論支撐，對裝船機皮帶機張緊系統設計優化研究、作業效率提升提供一定的借鑒參考。現有研究方法存在局限性，未考慮重載啟動的情況，有待下一步研究。