煤礦用帶式輸送機自動張緊裝置的結構設計與應用

王輝

（山西潞安集團 蒲縣開拓煤業有限公司，山西 臨汾 041206）

1 概 況

煤礦中帶式輸送機是很重要的輔助運輸裝備，作用是對煤礦資源進行長距離運輸。由于帶式輸送機具備結構簡單、適應能力強、可實現長距離運輸等眾多優勢，所以在煤礦領域有廣泛的應用。張緊裝置是帶式輸送機中重要的結構裝置，作用是對皮帶進行張緊，保證皮帶與驅動滾筒之間具有足夠的接觸力，實現摩擦傳動。張緊力太小皮帶與驅動滾筒之間會打滑，輕則損害帶式輸送機設備，嚴重時引發生產事故；張緊力過大可能導致皮帶斷裂。所以張緊裝置的性能對帶式輸送機的運行穩定性有重要影響。本文以開拓煤業DSJ160/350/3×500 型煤礦用帶式輸送機為例，結合實際情況設計了一種帶式輸送機的自動張緊裝置，主要對結構進行設計，并應用到工程實踐中，達到了預期效果。

2 自動張緊裝置整體結構設計與工作原理

2.1 整體結構設計

對于煤礦中使用的大型帶式輸送機，不同使用階段對皮帶張緊力的要求存在差異，這就要求自動張緊裝置能夠根據實際需要對張緊力進行調整，確保帶式輸送機的穩定運行。圖1 為帶式輸送機自動張緊裝置的整體結構。自動張緊裝置在結構方面主要包括軌道、游動小車、滑輪、鋼絲繩、張力傳感器、制動器、聯軸器、張緊卷筒、電動機等。張緊卷筒的作用是對鋼絲繩進行纏繞，張力傳感器的作用是對鋼絲繩的受力大小進行檢測，得到皮帶的張緊力，作為張緊力調整控制的反饋。制動器的作用是完成張力調整后，對整個裝置進行制動，確保皮帶張緊力能夠保持穩定狀態。

圖1 自動張緊裝置的整體結構示意Fig.1 The overall structure of the automatic tensioning device

2.2 基本工作原理

自動張緊裝置接受控制箱的控制，主要是通過變頻器對電動機進行控制，實現張緊力的調整。電動機通過聯軸器與張緊卷筒進行連接并對其進行驅動，通過控制張緊卷筒的正轉和反轉，實現鋼絲繩的伸長或縮短。鋼絲繩伸長或縮短會影響游動小車在皮帶軸線方向的位移。流動小車與張緊滾筒連接，游動小車移動會帶動張緊滾筒移動，最終實現皮帶張力的調整。調整過程中，張力傳感器實時采集數據并上傳至控制箱中，控制箱根據張力采集結果對電動機進行控制，實現閉環控制，確保張力調整過程的穩定性和精度。

3 主要結構的設計計算

開拓煤業DSJ160/350/3×500 型帶式輸送機全長為5 000 m 左右，傾角幾乎為0，輸送帶的型號PVG2000，寬度1 600 mm，運行速度4 m/s，輸送量每小時可達到3 000 t。

3.1 鋼絲繩設計

帶式輸送機啟動階段、正常運行階段和停車階段對皮帶張緊力的需求存在差異。開拓煤業DSJ160/350/3×500 型帶式輸送機正常運行階段要求皮帶張緊力為180 kN。設備在啟動階段由于其自身重量相對較大，存在很大的慣性，因此對張緊力提出了更高要求，張緊力一般為正常運行階段的1.5 倍，所以啟動階段的皮帶張緊力為270 kN。制動階段對張緊力要求低一些，通常為正常運行階段的0.9 倍，所以停車階段的張緊力為162 kN。

此次設計的自動張緊裝置滑輪組結構如圖2 所示。在動滑輪和靜滑輪的作用下，共有6 根鋼絲繩參與受力。按皮帶張緊力最大時的工況，即設備啟動階段時的皮帶張緊力進行計算，每根鋼絲繩的受力大小為45 kN?？紤]到煤礦用帶式輸送機要求的可靠性較高，因此選用鋼絲繩時設定的安全系數也應取大，此次設計中設置為5，計算得到的鋼絲繩理論破斷拉力為225 kN。根據上述計算結果選用的鋼芯鋼絲繩的抗拉強度為1 870 MPa，公稱直徑為20 mm。該鋼絲繩的最小破斷力為266 kN，可以滿足實際使用要求。

圖2 滑輪組的結構示意Fig.2 Structure of pulley block

3.2 張緊卷筒結構設計

張緊卷筒的名義直徑可按下式計算：

式中：d為鋼絲繩直徑，為20 mm；h為與結構級別和鋼絲繩結構有關的系數，取為18?？捎嬎愕玫綇埦o卷筒名義直徑為360 mm?？紤]到張緊卷筒工作速度較小，穩定性高，所以在表面設置了鋼絲繩導向槽，導向槽的螺旋角為2°。另外，張緊卷筒的繩槽節距為22 mm，卷筒厚度為15 mm，卷筒長度為500 mm，卷筒實際工作長度為290 mm，兩邊預留一定長度方便與其他配件進行連接。設計的張緊卷筒結構如圖3 所示。

圖3 張緊卷筒結構示意Fig.3 Tight drum structure diagram

3.3 張緊電機功率計算及型號選擇

電機的作用是為張緊卷筒提供動力，實現鋼絲繩的伸長與縮短，因此必須具備足夠的動力。根據開拓煤業DSJ160/350/3×500 型帶式輸送機實際情況，假設電機額定轉速為90 r/min，考慮到帶式輸送機啟動階段的張緊力最大，按此工況條件進行計算。

張緊卷筒的轉矩為：

式中：D為張緊卷筒的直徑；F為張緊卷筒的皮帶張緊力。

通過式（2） 可以計算得到轉矩為8.1 kN·m，張緊卷筒的轉矩與電機的輸入轉矩相同，所以電機輸出轉矩也為8.1 kN·m。

電動機的功率可按下式計算：

式中：n為電機的額定轉速?？梢杂嬎愕玫诫姍C的功率為76 kW。

根據電動機的功率計算結果，并考慮煤礦復雜的工況環境，需要選用具備隔爆性能的電動機，最終確定的電動機型號為TBVF-90/40YC(660/1140)，主要參數如下：

3.4 張力傳感器設計

自動張緊裝置中張力傳感器是非常重要的構成部分，作用是對鋼絲繩的張力大小進行檢測，是實現張緊力精確調整的基礎。結合實際情況設計的張力傳感器的結構如圖4 所示。

圖4 張力傳感器的結構Fig.4 Structure of tension sensor

整體上屬于雙孔剪切梁式結構，具備使用壽命長、互換性好、操作便捷等優點，在鋼絲繩張力檢測方面展現出了明顯優勢。為了提升傳感器的使用效果，利用高強度合金鋼進行加工，表面鍍鉻處理，使材料在彈性變形階段的應力和應變具有良好的線性關系。鋼絲繩固定在U 型螺栓上，當鋼絲繩受力時，作用力會傳遞到傳感器主體上，應變片產生變形，根據變形量可以獲得對應的張力大小。設計的傳感器具備優良性能，完全能夠滿足自動張緊裝置的使用要求，主要技術性能參數如下：

4 實踐應用

為了對設計的自動張緊裝置的性能進行驗證，根據設計結果將其部署到開拓煤業工程實踐中。目前自動張緊裝置在工程中的服役時間有1 a 以上，期間對裝置的運行情況進行了詳細的觀察記錄。結果表明，設計的自動張緊裝置結構科學合理的，工作過程穩定、可靠，能夠根據不同工況條件比如啟動階段、正常運行階段、停車階段的實際需要，對皮帶張緊力進行調整。與原有張緊裝置進行比較，設計的自動張緊裝置響應時間更短，時間壓縮了12%左右，設備工作時的振幅降低20%左右。綜上所述，此次設計的自動張緊裝置具有更優異的性能，達到了預期的效果，為帶式輸送機的穩定可靠運行提供了堅實的保障。

5 結 語

以開拓煤業DSJ160/350/3×500 型帶式輸送機為對象進行研究，主要從結構層面對自動張緊裝置進行了設計，并部署到工程實踐中。自動張緊裝置在機械結構層面主要包括張緊卷筒、鋼絲繩、游動小車、張緊滾筒、制動結構等。根據開拓煤業實際情況，通過分析計算，設計選用的鋼絲繩直徑為20mm，設計的張緊卷筒名義直徑和寬度分別為360 mm 和500 mm， 選用的電動機型號為TBVF-90/40YC（660/1140）。將設計的自動張緊裝置應用到帶式輸送機工程實踐中，經過1 a 時間的實踐應用，表明自動張緊裝置可以結合實際情況對皮帶張緊力進行自動調整，運行穩定性很高，達到了預期效果，保證了煤礦安全高效生產。