帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及研究

郝志剛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦勞資科，山西 大同 037001）

引言

帶式輸送機(jī)具有長(zhǎng)距離、連續(xù)運(yùn)輸且運(yùn)輸量大[1]等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為煤礦安全高效生產(chǎn)的重要設(shè)備，且隨著煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，安全、高效、節(jié)能已成為礦用帶式輸送機(jī)的發(fā)展潮流[2]。帶式輸送機(jī)的主要組成部件包含驅(qū)動(dòng)裝置、托輥、輸送帶、拉緊裝置、機(jī)架、清掃裝置和改向滾筒[3]，其中，托輥主要是降低因承載物料引起的干擾[4]；改向滾筒是輸送帶提供的運(yùn)輸導(dǎo)向裝置；驅(qū)動(dòng)裝置是應(yīng)用輸送帶和滾筒間的摩擦力作用產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力來承載運(yùn)輸物料，而輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供給驅(qū)動(dòng)裝置所需的牽引力；張緊裝置是保持輸送帶在運(yùn)行過程中的松緊張弛程度。帶式輸送機(jī)是由兩個(gè)滾筒和緊套其上的輸送帶組成，輸送帶與滾筒形成封閉環(huán)形，皮帶與滾筒間作用產(chǎn)生摩擦力，并在驅(qū)動(dòng)滾筒作用下，帶動(dòng)輸送帶連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到將物料從輸送帶的一端輸送到另一端，實(shí)現(xiàn)物料的運(yùn)輸。由于帶式輸送機(jī)的托輥在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)輥皮中間位置斷裂或者變形嚴(yán)重的失效形式[5]，本文對(duì)托輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，選擇在托輥的輥皮中間位置焊接圓環(huán)來減小跨度，并對(duì)比分析改進(jìn)前和改進(jìn)后輥皮位移和軸向位移分布的變化情況，進(jìn)而提升帶式輸送機(jī)的工作性能。

1 帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

托輥為礦用帶式輸送機(jī)中重要的支撐輸送帶、物料的部件，還可有效降低運(yùn)行中輸送帶的阻力，保證輸送帶的垂度始終在合理范圍內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸送帶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。帶式輸送機(jī)托輥組成部件有輥皮、軸、軸承座、密封裝置以及軸承等，其中，輥皮是與軸承座焊接連接在一起的，種類有無縫和焊接鋼管兩種；托輥軸的兩端是采用托輥支架支撐固定，發(fā)揮著支撐托輥?zhàn)灾睾臀锪系淖饔茫煌休佪S承通常采用滾動(dòng)軸承，目前又出現(xiàn)了專用軸承和游隙軸承，這些種類更能夠大幅提高軸承的使用壽命；軸承座中有鑄造和沖壓式兩種，而沖壓式結(jié)構(gòu)因其重量小、價(jià)格低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為目前應(yīng)用的首選；密封裝置有迷宮式、接觸式和組合式，其中迷宮式結(jié)構(gòu)工作可靠、防塵效果好、阻力小[6]。帶式輸送機(jī)托輥的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)托輥的結(jié)構(gòu)

由于帶式輸送機(jī)在生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)托輥的輥皮因變形大而失效，或者中間位置斷裂等現(xiàn)象，不僅會(huì)加劇輸送帶的磨損，還會(huì)使輸送帶跑偏，甚至造成輸送機(jī)的停機(jī)故障。有研究[7]表明，托輥?zhàn)畲蟮刃?yīng)力、最大變形的區(qū)域都發(fā)生在輥皮中間位置，因此，為降低對(duì)輥皮影響，需對(duì)托輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。經(jīng)相關(guān)文獻(xiàn)[8]研究發(fā)現(xiàn)，通過減小輥皮的跨度值，就可減小最大應(yīng)力值和最大撓度值，進(jìn)而降低對(duì)輥皮的影響。所以，本文提出采用減小輥皮跨度值的方法來對(duì)托輥進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體是在輥皮的中間位置焊接一個(gè)圓環(huán)，以此來減小輥皮的跨度值。

2 帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的性能對(duì)比分析

為確定增加焊接圓環(huán)后，帶式輸送機(jī)托輥的最大應(yīng)力和最大變形是否減小，本文對(duì)比分析優(yōu)化前后帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)的輥皮位移和軸向位移分布的變化情況，進(jìn)而確定托輥的強(qiáng)度和剛度是否滿足要求。

對(duì)帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的輥皮位移進(jìn)行分析，分別得到下頁圖2和圖3所示的變化曲線。從圖2中可看出，優(yōu)化前，輥皮的最大位移大小是0.165 mm，最大位移值在托輥輥皮的中間位置；輥皮的最小位移大小是2.63×10-3mm。本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13793—2008可知，托輥輥皮的許用變形[9]是：

圖2 優(yōu)化前的帶式輸送機(jī)輥皮位移（m）變化圖

圖3 優(yōu)化后的帶式輸送機(jī)輥皮位移（m）變化圖

式中：[y]為許用變形；L1為輥皮長(zhǎng)度，取465 mm。因此，輥皮的許用變形[y]=0.5×465/1 000=0.232 5 mm，大于本文中輥皮的最大變形0.165 mm，盡管優(yōu)化前托輥輥皮的剛度也符合要求，但是還是存在很大的保留。

從圖3中可看出，優(yōu)化托輥結(jié)構(gòu)后，輥皮上的最大位移大小同樣也位于增加輥皮端面和圓環(huán)的中間位置處，大小是6.58×10-2mm，相比于托輥優(yōu)化前圖2中的最大位移大小1.65×10-1mm，減小了60.1%，降低的幅度明顯比較大。優(yōu)化后，降低輥皮的位移值對(duì)帶式輸送機(jī)托輥的運(yùn)行有著重要的意義，不僅能有效地降低托輥運(yùn)行過程中出現(xiàn)的徑向跳動(dòng)，還可緩解因托輥的橫向激勵(lì)振動(dòng)對(duì)輸送帶的影響[10]，防止出現(xiàn)輸送帶跑偏的現(xiàn)象，從而保證托輥在工作中的正常平穩(wěn)運(yùn)行。

為進(jìn)一步研究增加焊接圓環(huán)后，托輥輥皮上的位移分布情形，本文選取帶式輸送機(jī)輥皮上表面的中線，也就是經(jīng)過最大位移點(diǎn)的直線，分別得到托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后輥皮位移分布的曲線圖，如圖4和圖5所示。

從圖4中可看出，未改進(jìn)托輥結(jié)構(gòu)前，帶式輸送機(jī)輥皮上的軸向位移分布呈現(xiàn)出如下的變化規(guī)律：從兩端到中間位置，位移大小不斷增大，且在中間位置，位移大小達(dá)到最大值。

圖4 優(yōu)化前的帶式輸送機(jī)輥皮軸向位移分布曲線圖

圖5 優(yōu)化后的帶式輸送機(jī)輥皮軸向位移分布曲線圖

從圖5可以看出，在輥皮上焊接一個(gè)圓環(huán)后，輥皮沿軸向也就是圓環(huán)兩側(cè)的位移分布呈現(xiàn)出對(duì)稱的分布規(guī)律。具體分布情形是：位于輥皮端面初始位置，位移大小不斷增大，到輥皮端面和圓環(huán)的中間位置，位移大小達(dá)到峰值，隨后又逐漸減小，到達(dá)圓環(huán)位置處，位移大小減小至最小值。由此可見，焊接一個(gè)圓環(huán)后，可大幅提升帶式輸送機(jī)輥皮的性能。對(duì)比圖4和圖5還可看出，對(duì)托輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，輥皮上同一位置處的位移大小大幅減小，同時(shí)，相比于優(yōu)化前，位移分布更加均勻，能夠大幅提升帶式輸送機(jī)輥皮的性能。

3 結(jié)論

為降低帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行中的故障，進(jìn)而保證輸送機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。本文對(duì)托輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，選擇在托輥輥皮的中間位置焊接圓環(huán)來減小跨度，并對(duì)比分析改進(jìn)前和改進(jìn)后輥皮位移和軸向位移分布的變化情況，結(jié)論是：

1）改進(jìn)前后，托輥輥皮的最大變形均位于中間位置，但是增加焊接圓環(huán)后，能夠明顯降低輥皮的位移變形值，從而保證托輥的正常平穩(wěn)運(yùn)行。

2）改進(jìn)后，托輥輥皮上同一位置處的軸向位移分布值大幅減小，且位移分布更加均勻，大幅提升了托輥輥皮的性能。