基于一种液压张紧装置的输送带寿命分析

范魁元,谭晓东,宋丕伟,李扬

(1.中国北车集团 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司 基础设备部，黑龙江 齐齐哈尔 161000； 2.大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 116028)



基于一种液压张紧装置的输送带寿命分析

范魁元1,谭晓东2,宋丕伟2,李扬2

(1.中国北车集团 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司 基础设备部，黑龙江 齐齐哈尔 161000； 2.大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 116028)

对一种液压张紧装置的输送带进行理论分析，首先从有效拉力与输送带寿命的关系出发，通过绘制其二者之间的函数曲线的方法，分析了有效拉力对输送带寿命的影响，并给出了有效拉力的合理的最大值.结合经典力学相关知识，计算出合理的有效拉力最小值，最终给出了施加有效拉力的合理范围.

液压张紧；输送带；有效拉力；输送带寿命

0 引言

输送带由于具有高效、连续运输的能力、使用简便、维护容易、运费低等优点，被广泛应用于机场[1-2]，车站以及煤矿[3]等领域中.但是输送带也存在一些缺点[4]，使用寿命低就是一个不容忽视的问题.输送带在使用过程中会因为磨损、应力变形等原因造成输送带的圆周长度增加，从而容易造成输送带打滑现象的发生.在输送带工作的过程中，当带的有效拉力太小，就会出现打滑的现象造成带的寿命降低，当带的有效拉力过大，就会使带受的应力过大，同样会降低带的寿命.输送带张紧装置是一种防止以上现象发生的装置.输送带制造商以及使用者十分关注输送带的使用寿命问题[5].从输送带工作时受力以及使用寿命的角度出发，分析如何设定输送带张紧装置的张力上下限，能使输送带在最长寿命下工作.

1 液压张紧装置的工作原理

液压张紧装置通过传感器实时监测输送带的张力，当实时张力小于工作拉力下限，该装置就会对输送带进行张紧，当输送带的是实时张力达到设定的工作拉力上限时，该装置就会停止对输送带进行张紧.如果工作拉力下限设定的太小，就可能会因为张力过小，而造成输送带的打滑现象，如果设置的太大，就会使输送带的寿命受到影响.

液压张紧装置工作原理图如图1所示：

图1 张紧小车原理示意图

2 输送带传动的理论分析

输送带和带传动理论相似，这里借用带传动的相关理论进行计算.单根输送带的有效拉力，也是输送带所需要的最小拉力[F0]min[6-7]

式中：Kα为包角修正系数，这里取1；Pca为计算功率；P为减速器输出的功率485 kW；KA为工作情况系数，取1.3；z为带的根数，这里为1；v为输送带的速度，3.15 m/s；q输送带单位长度的质量，19.5kg/m.代入上式得到[F0]min=150 kN.为了计算方便，这里假设输送带的横截面积为矩形，而带的宽度为1 400mm，厚度为14mm，横截面的面积A=1.96×10-2m2.则输送带在最小拉力下的应力[σmin]=7.65MPa.

输送带所受的应力与寿命有如下的关系[8]：

将式(3)变形后得到如下公式，

式中：[σ]为带所受的应力；C为由带的材料和结构所决定的常数；L为输送带的长度，495 m；j为带上某一点绕行一周后所经历的带轮数，这里为2；T为带的寿命.

现在将[σmin]带入式(4)，可以得到：

将参数都带入式(4)可以得到如下式子成立：

图2 输送带应力与寿命关系

从图2可以分析出，如果将输送带工作在最小拉力下的带的寿命看为单位1，当有效拉力为最小拉力的110%时，输送带的寿命将变为0.35，而当输送带的有效拉力为最小拉力的120%时，输送带的寿命将变为0.13，当输送带的有效拉力为最小拉力的130%时，输送带的寿命仅为0.05.当输送带的有效拉力为最小拉力的140%时，输送带的寿命将变为0.02.虽然输送带的有效拉力越接近最小拉应力越小，但是也不能无限的接近最小拉应力，最小拉应力仅仅是保证带在空载时不打滑的前提条件，当输送带有负载时，所需要的有效拉力将大于最小有效拉力，应该适当增大输送带的有效拉力.如果有效拉力过小将造成输送带频繁打滑，也会造成输送带的寿命降低.故应该选择合理的拉力.

从上述理论分析可知，由于该液压张紧装置主要应用于煤矿的传输，所以要求拉力要比最小拉力大的多.这里选用的有效拉力为输送带的最小初拉力的130%时，此时输送带的寿命为其再最小初拉力时的寿命的5%，在可以接受的范围.当有效拉力增大到最小初拉力的140%时，输送带的寿命仅为最小拉力是的2%，输送带的寿命将降低了50%以上.所以这里将有效拉力的值设定为最小初拉力的130%.从上面的计算可以知道，该型号的液压张紧装置的最小初拉力为150kN，该最小初拉力的130%为195kN，而该设备实际设定的张紧力为190kN.从输送带的寿命的角度出发，将输送带的有效拉力设定稍微小于130%可以延长带的寿命.

该输送带的相关参数如下：型号为ST800，钢丝绳公称直径为3.5mm，钢丝绳间距为10mm，钢丝绳根数为133.

该输送带为钢丝绳芯输送带，输送带的胶带部分的弹性模量远远大于钢丝绳芯的弹性模量.故输送带的拉力主要由钢丝绳芯承受，这里仅对钢丝绳芯进行有限元分析.当输送带的张力为液压张紧装置的张力上限时，输送带的拉力为190kN.则每根钢丝绳所受的拉力F1为

这里取安全系数K=2，钢丝绳的泊松比为0.3，弹性模量为206GPa，钢丝绳的屈服强度为600MPa，这里对单根钢丝绳建模并划分网格如图3(a)所示，并进行有限元分析如图3(b)所示.从

(a)网格模型

(b)受力云图

中可以看出钢丝绳的最大应力为388 MPa，小于钢丝绳的屈服强度.故在该拉力下，输送带的强度满足要求.

已知该型号的输送带的输送能力为平均1 800 t/h，由于物料对输送带的动态作用力很难准确计算[9]，故这里作用效果仅仅是一个平均值，也就是500 kg/s，如果被输送物体的流量突然增加，就会导致所需要的摩擦力变大也就是输送带的张力变大.如果此时的预紧力小于所需要的预紧力就会造成输送带的打滑，从而降低输送带的寿命.这里取过载系数为5，也就是允许输送带的瞬时输送流量为2 500 kg/s.由于带传动的滑动系数很小，通常控制在0.01～0.02范围内[10]，这里可以近似认为滑动系数为恒定值.根据物理学运动定律就有：

式中：v为输送带的输送速度，这里为3.15 m/s;a为被输送物体落在输送带上时的加速度；s为被输送物体达到输送带速度前相对输送带的位移；f为输送带与被输送物体之间的动摩擦力；m为单位时间落在输送带上的被输送物体的质量;μ为输送带与被输送物体之间的滑动摩擦系数，这里取0.5；g为重力加速度，这里取10m/s2.

通过以上计算可以得出满足设计要求的情况下，输送带与被输送物体之间的滑动摩擦力最大可以达到12.5kN，而输送带的最小张紧力为150N，故该型号的输送带的最小张紧力应设定为162.5kN.

综上所述输送带的张紧力下限应当设定为162.5kN，也就是说当输送带的张紧力小于162.5kN时，就应该启动液压张紧装置对输送带进行张紧，否则输送带就容易造成打滑从而影响输送带寿命.输送带的张力上限应当设定为190kN，也就是说当输送带的张紧力大于190kN时，液压张紧装置就应当立即停止张紧，否则会因为张紧力过大造成输送带的使用寿命严重缩短.根据使用的场合也可以将输送的张紧力下限适当提高，但是不可以提高过大，因为张紧力的下限如果设置的过高，虽然可以一定程度上降低输送带打滑的机会，但是由于系统存在泄露.当张紧装置停止张紧时系统的压力会逐渐降低，如果张紧压力下限设置的很高，就会造成张紧装置中的液压泵频繁启停，从而降低液压系统中的液压泵的寿命.

3 结论

结合实际的工程项目，通过理论推导，验证了该液压张紧装置的预紧力的设置的合理性，并通过专业的绘图软件绘制出输送带的有效拉力与输送带寿命的关系曲线，通过分析图像法，分析出了该液压张紧装置张紧力的上限，通过经典力学理论计算出液压张紧装置张力的下限.对皮带张紧装置的使用以及输送带的设计具有一定的指导意义.

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Life Analysis of Conveyer-Belt on a Hydraulic Tensioning Device

FAN Kuiyuan1,TAN Xiaodong2,SONG Piwei2,LI Yang2

(1.CNR Qiqihar Railway Rolling Stock Co.,Ltd,Qiqihar 161000,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Theoretical analysis is conducted on a conveyor belt conveyor tensioning device,and the relationship of effective strain and the life of the conveyor belt is obtained.Through the relationship curve,the influence of the effective tension on the conveyor belt life is discussed,and the reasonable maximum effective strain is presented.By the knowledge of classical mechanics,the minimum effective tension is calculated,and the rational range of the effective tension is obtained.

hydraulic tensioning;conveyer-belt;valid pulling stress;conveyer-belt life

1673-9590(2015)03-0048-04

2014-03-21

范魁元(1973-)，男，高级工程师，学士，主要从事机电系统及自动化技术的研究E-mail:ye9ling@163.com.

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