帶式輸送機(jī)下平行增強(qiáng)托輥支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

李文軍

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)太原有限公司， 山西 太原 030000）

引言

帶式輸送機(jī)屬于煤炭運(yùn)輸常用設(shè)備，利用上皮帶運(yùn)行時對物料的摩擦力運(yùn)輸物料，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)長距離運(yùn)輸，方便上料和卸料。輸送帶由上托輥組和下托輥組支撐，托輥與皮帶之間屬于滾動摩擦，可有效保證皮帶的使用壽命。下托輥組主要支撐回程皮帶，托輥間距要滿足皮帶垂度要求。如果下托輥架強(qiáng)度不足或結(jié)構(gòu)形式不合理，會引發(fā)一系列問題。因此，設(shè)計時下托輥支架的強(qiáng)度及機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式也是需要重視的問題[1]。

1 下平行增強(qiáng)托輥支架存在的問題

現(xiàn)場使用的皮帶機(jī)下平行增強(qiáng)托輥支架橫梁與托輥之間的距離太小，容易積煤，積煤的存在會嚴(yán)重磨損下托輥棍殼，降低托輥使用壽命，冬季氣溫降到零度以下時積煤結(jié)冰，下托輥回轉(zhuǎn)阻力增大，發(fā)熱嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致托輥卡死或托輥斷裂。破損后的托輥如果不能及時發(fā)現(xiàn)，會割傷輸送帶，造成輸送帶突然撕裂發(fā)生重大安全事故，引起嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。為了提高下托輥的使用壽命，提高皮帶運(yùn)行時的安全性，需要對現(xiàn)場使用的下平行增強(qiáng)托輥支架進(jìn)行改造設(shè)計[2]。

2 下平行增強(qiáng)托輥支架改造設(shè)計

針對上述下平行增強(qiáng)托輥架積煤的問題，對下托輥架進(jìn)行兩方面的優(yōu)化設(shè)計，一方面是盡量減少煤塵在下托輥支架橫梁上的堆積，盡量選用不滿足煤粉堆積的型材，降低積煤概率。另一方面增加下托輥支架橫梁與托輥外表面之間的距離，避免由于濕度的影響造成積煤磨損下托輥，間隙的增大也有利于檢修人員清理。

相同物料靜休止角大于動休止角，由于港口運(yùn)煤時皮帶上泥煤最難清除干凈，加上泥煤的動安息角為40°，靜安息角為45°，容易產(chǎn)生堆積。為了避免泥煤的的堆積，初步選用100×100×10的角鋼作為橫梁替換原來的100×6方管。同時將橫梁下移，使橫梁與托輥外表面之間的距離由30.5 mm增加94.0 mm，角鋼的兩邊與豎直面呈45°放置[3]。

2.1 回程托輥靜載計算

根據(jù)帶式輸送機(jī)設(shè)計手冊可知，回程托輥靜載Pu計算公式為：

式中：e為輥?zhàn)虞d荷系數(shù)，與托輥形式有關(guān)，兩節(jié)棍取0.63；g為重力加速度，取9.8 N/kg；qB為每米長輸送帶質(zhì)量，取72 kg/m；au為回程分支托輥間距，取3 m。將數(shù)值帶入式（1）可得回程分支托輥靜載荷Pu=1 333.6 N。

2.2 回程分支托輥動載計算

式中：fs為運(yùn)行系數(shù)，fa為工況系數(shù)，該輸送機(jī)每天運(yùn)行10～12 h，查表可得，fs=1.1；fa=1。將數(shù)據(jù)帶入公式（2）中可得到回程分支托輥動載荷Pu'=1 466.9 N。

2.3 托輥架橫梁彎曲應(yīng)力計算

由托輥組的結(jié)構(gòu)形式可知，每個托輥架含有兩件托輥，托輥架通過兩端連接座安裝在皮帶機(jī)中間架上。托輥架上一共4個受力點(diǎn)，每個受力點(diǎn)壓力近似相等，單個受力點(diǎn)受到的壓力F=Pu'/4=366.7 N。由于托輥架上外側(cè)支撐點(diǎn)靠近皮帶機(jī)中間架，可認(rèn)為外側(cè)兩受力點(diǎn)壓力對托輥架不產(chǎn)生彎矩作用，托輥架中間兩支撐點(diǎn)下方懸空，對托輥架橫梁產(chǎn)生彎矩作用。下托輥架的兩端與皮帶機(jī)中間架之間是螺栓連接，屬于超靜定結(jié)構(gòu)。為了簡化計算，把托輥架看作簡支梁進(jìn)行計算，一段看作固定鉸支座，另一端看作是滑動鉸支座，這樣產(chǎn)生的彎矩比實(shí)際值要大，得到的應(yīng)力值偏大，偏大的應(yīng)力值如果不超過許用應(yīng)力，可認(rèn)為優(yōu)化的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度符合要求[4]。式中：Mmax為托輥壓力產(chǎn)生的彎矩，N·m；F為托輥架支點(diǎn)處受到的壓力，N，F(xiàn)=366.7 N；a為中間支點(diǎn)到托輥架兩端連接座的距離，m。

根據(jù)托輥架幾何尺寸得到a=1.108 m，將數(shù)值帶入公式（3）得到托輥架橫梁受到的彎矩Mmax=406.3 N·m[5]。

由材料力學(xué)可知，材料的最大正應(yīng)力出現(xiàn)在承受彎矩最大的截面上，與中性軸的距離成正比，在距離中性軸最遠(yuǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力最大值。相對于中性軸，一側(cè)材料被拉伸，一側(cè)材料被壓縮。根據(jù)彎曲應(yīng)力公式

式中：Iyo為截面慣性距，m4；ymax為在彎矩最大截面上離中性軸最遠(yuǎn)的距離，m。

角鋼下方材料被拉伸，上方材料被壓縮，由于選用的材料為Q235-A，屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的塑形，因此抗壓性能良好。分析其強(qiáng)度時一般考察其最大拉應(yīng)力。經(jīng)查閱相關(guān)資料確定100×100×10角鋼 ymax=3.62×10-2m。Iyo=7.435×10-7m4，將數(shù)據(jù)帶入公式（4），得到橫梁下方材料受到的最大拉應(yīng)力σmax=19.8 MPa，下托輥架的受力波動不大，可認(rèn)為受力恒定。一般取需用應(yīng)力值為215 MPa。因此，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上符合使用要求。

3 使用效果分析

更改后的橫梁，有效降低了積煤的堆積，橫梁與托輥的間距也顯著增大，取得了良好的使用效果，主要表現(xiàn)在：

1）物料堆積角度的破壞及托輥下方間隙的加大有效避免了積煤對托輥的磨損，使下托輥使用壽命延長2～3倍。節(jié)約大量托輥備件，降低托輥更換工時。一臺帶寬2 m的皮帶機(jī)可節(jié)省備件費(fèi)10多萬元。

2）托輥下方間隙的增大，降低了工人清掃托輥架積煤的難度，同時可延長清掃間隔時間，節(jié)約成本。

3）改進(jìn)后的下平行增強(qiáng)托輥架結(jié)構(gòu)合理，維護(hù)方便，有效避免煤料的堆積，延長了托輥的使用壽命，降低了運(yùn)行成本。