皮带输送机缓冲托辊损坏原因分析及改进研究

庞 静

（汾西矿业集团设备修造厂，山西 介休032000）

皮带输送机具有运输能力强、便于操控、自动化程度高、运输成本低等优点，现阶段已成为煤矿井下主要运输方式[1]。随着矿井生产能力提升对皮带输送机运输能力以及布置方式有更高的要求，为了更好的适应井下运输需要，需要对皮带输送机进行针对性改进，如将定频、液力耦合器软启动改变PLC控制变频控制，采用的改进技术措施在一定程度上提升了皮带输送机适应性[2]。但现阶段皮带输送机改造多是集中在控制方式以及输送带方面，对托辊方面技术改造相对较少，特别是输送机交汇位置处缓冲托辊一般仍是传统的橡胶托辊，存在容易损坏问题[3]。为此，文中就对缓冲托辊损坏原因进行分析并根据现场工作经验以及以往研究成果对缓冲托辊进行改进，在一定程度上提升了矿井皮带输送机使用效率。

1 缓冲托辊损坏原因及改进必要性分析

1.1 皮带输送机搭接方式

随着矿井生产规模以及生产能力的提升，井下布置的皮带输送机运输距离从以往的几千米提升至十几公里以上甚至更远。采用一条皮带输送机难以满足煤炭运输需要，特别是巷道有拐弯、距离较长时往往采用搭接方式进行运输[4-5]。

在井下皮带运输系统中搭接显现较为普遍，根据输送机间搭接方式可分为有角度搭接、直线搭接两种方式，具体见图1所示。

图1 皮带输送机搭接方式

其中，H表示搭接的输送机间皮带高度差（即为物料抛落高度）；L为物料抛落距离；具体长度与皮带输送机运行速度V、皮带高度差H有关。

皮带输送机搭接位置处物料抛落时产生的冲击力F与下述因素有关[6-7]：皮带高度差H；运行速度V；物料质量Q；物料棱角α。具体可通过下式表述：

1.2 缓冲托辊损坏原因

输送机间搭接位置物料产生的冲击力F会对输送机正常运行带来影响，具体表现为：

1）物料抛落时产生较大冲击力，特别物料较重、硬度较高时会给输送带产生脉冲式或者连续冲击，造成较大纵向撕裂、增加磨耗，降低皮带使用寿命。

2）抛落的物料冲击力通过胶带作用于缓冲托辊，现阶段最为常用的橡胶缓冲托辊虽然有一定缓冲能力，但是物料频繁冲击作用下极容易失效，需要频繁检修。

1.3 缓冲托辊改进必要性分析

现阶段矿井采用的缓冲托辊结构见下页图2所示，具体为在普通的钢面托辊上增加布置橡胶圈，通过橡胶圈弹性来降低物料抛落时冲击力影响。缓冲托辊具有的缓冲能力有效，对托辊本身、输送皮带产生的保护作用有限。如矿井1508运输顺槽皮带输送机与南5采区运输巷皮带输送机搭接位置处，由于1508采面设计推进长度2 300 m，生产时间超过1.5 a。在输送机搭接位置处，经常出现煤炭洒落问题，同时缓冲托辊不同程度损伤，部分托辊不运转，因此，为了提高皮带输送机运输效率，需要对缓冲托辊进行针对性改进。

图2 常用缓冲托辊示意图

2 缓冲托辊改进

2.1 改进原理

在分析原有缓冲托辊结构基础上，根据矿井机械厂具有的加工能力，提出在原有的缓冲托辊侧增加缓冲装置，从而提升缓冲托辊缓冲能力，且矿机械厂可进行加工。具体增加的缓冲装置采用曲柄滑块机构，结构原理见图3。

图3 曲柄滑块机构运行原理图

在滑杆（L2）上增加布置缓冲弹簧，从而提升缓冲托辊缓冲能力，降低物料抛落给输送机影响，即为增加缓冲托辊柔性来提升缓冲托辊缓冲能力。具体增加的缓冲装置运行原理为：当物料抛落产生的冲击力F做到到缓冲托辊上后，曲柄（L1）会有小幅摆动，从而带动滑杆（L2）上下小幅滑动；滑杆（L2）在滑动过程中压缩上面布置的弹簧，通过弹簧伸压缩来降低物料抛落冲击力影响，起到提升缓冲托辊缓冲能力以及对皮带、缓冲托辊保护工作。

2.2 缓冲托辊改进设计

根据前面所述改进原理，具体改进后的缓冲托辊结构见图4。在缓冲托辊、皮带重量作用下缓冲弹簧在挡片间处于压缩状态。在现场应用中通过调整倔强系数来达到调整改进后缓冲托辊缓冲能力作用。采用增加缓冲弹簧方式对缓冲托辊进行改进，仅需要安装曲柄滑块即可，不需要对输送机机架进行大量调整，改进成本费用也较低。

在改进的缓冲托辊应用中面临的主要问题是如何确定缓冲弹簧倔强系数（μ），以便在物料抛落过程与缓冲托辊共同工作起到缓冲作用。

物料抛落形成的冲击力F=（H、V、Q、α），由于物料形状不规则，物料棱角α难以定量表达，因此，为了简化计算，将冲击力F简化为：F=（H、V、Q）。根据计算出来得到的冲击力，利用杠杆原理即可计算得到缓冲弹簧受到到压力（P），从而确定弹簧倔强系数及弹簧规格。在具体使用过程中根据应用效果可适当对弹簧进行调整。

图4 改进后的缓冲托辊结构

2.3 冲击力计算

由于采用的曲柄滑块机构曲柄（L1）、滑杆（L2）长度接近，因此可近似认为冲击力与作用到弹簧上的压力P相等，通过计算冲击力即可得到缓冲弹簧压力（P），具体计算公式为：

2.3.1 静载载荷Pu

托辊静载载荷由托辊承载分支静载荷（Pu1）、回程分支静载荷（Pu2）两部分构成。具体承载分支（Pu1）、回程分支（Pu2）可分别通过下述公式计算

式中：e为载荷系数（取0.8）；a0托辊间距（取1 200 mm）；Im为输送机运量（取55.56 kg/s）；V为输送机运度（取2.0 m/s）；q0为皮带质量（取27.0 kg/m）。

将参数带入公式（2）、（3）求得：Pu1=515.9 N，Pu2=259.2 N，即静载载荷Pu=775.1 N

2.3.2 动载载荷P0

具体动载承载分支动载荷（P01）、回载分支动载荷（P02）可通过下式计算：

式中：fs为运行系数（取值1.2）；fd为冲击系数（取1.06）；fa为工况系数（取1.1）。

将参数带入公式（4）、（5）求得：

P01=721.9，NP02=681.0N，动载载荷P0=1 402.9 N

通过上述计算，求得P=P0=1 402.9 N，缓冲弹簧受到的压力为1 402.9 N，根据相关规范，选用矿用缓冲矿车弹簧即可满足使用需要，具体使用的缓冲弹簧见图5所示。

图5 缓冲弹簧实物图

2.4 效果分析

采用缓冲弹簧对缓冲托辊改进后，在皮带输送机搭接位置搭接位置物料基本不出现抛洒到巷道底板情况，同时缓冲托辊在2 a内基本不需要更换。改进后的缓冲托辊可在一定程度上提升皮带输送机运输效率。

3 结论

1）皮带输送机搭接位置缓冲托辊经常出现损坏原因主要是物料冲击载荷较大，缓冲托辊本身缓冲能力不足导致。

2）采用机械原理中的曲柄滑块机构运行原理，将缓冲弹簧对缓冲托辊进行改进，并详细对改进方案进行阐述。提出的改进方案简单、改造简单，所需要的设备矿井机械厂即可加工，改进投入低。

3）采用理论计算方法对缓冲弹簧受力进行分析，得出缓冲弹簧最大受力在1 402.9 N，采用缓冲矿车弹簧即可满足使用需要。