龐 靜

（汾西礦業(yè)集團設備修造廠，山西 介休032000）

皮帶輸送機具有運輸能力強、便于操控、自動化程度高、運輸成本低等優(yōu)點，現(xiàn)階段已成為煤礦井下主要運輸方式[1]。隨著礦井生產(chǎn)能力提升對皮帶輸送機運輸能力以及布置方式有更高的要求，為了更好的適應井下運輸需要，需要對皮帶輸送機進行針對性改進，如將定頻、液力耦合器軟啟動改變PLC控制變頻控制，采用的改進技術措施在一定程度上提升了皮帶輸送機適應性[2]。但現(xiàn)階段皮帶輸送機改造多是集中在控制方式以及輸送帶方面，對托輥方面技術改造相對較少，特別是輸送機交匯位置處緩沖托輥一般仍是傳統(tǒng)的橡膠托輥，存在容易損壞問題[3]。為此，文中就對緩沖托輥損壞原因進行分析并根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗以及以往研究成果對緩沖托輥進行改進，在一定程度上提升了礦井皮帶輸送機使用效率。

1 緩沖托輥損壞原因及改進必要性分析

1.1 皮帶輸送機搭接方式

隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模以及生產(chǎn)能力的提升，井下布置的皮帶輸送機運輸距離從以往的幾千米提升至十幾公里以上甚至更遠。采用一條皮帶輸送機難以滿足煤炭運輸需要，特別是巷道有拐彎、距離較長時往往采用搭接方式進行運輸[4-5]。

在井下皮帶運輸系統(tǒng)中搭接顯現(xiàn)較為普遍，根據(jù)輸送機間搭接方式可分為有角度搭接、直線搭接兩種方式，具體見圖1所示。

圖1 皮帶輸送機搭接方式

其中，H表示搭接的輸送機間皮帶高度差（即為物料拋落高度）；L為物料拋落距離；具體長度與皮帶輸送機運行速度V、皮帶高度差H有關。

皮帶輸送機搭接位置處物料拋落時產(chǎn)生的沖擊力F與下述因素有關[6-7]：皮帶高度差H；運行速度V；物料質(zhì)量Q；物料棱角α。具體可通過下式表述：

1.2 緩沖托輥損壞原因

輸送機間搭接位置物料產(chǎn)生的沖擊力F會對輸送機正常運行帶來影響，具體表現(xiàn)為：

1）物料拋落時產(chǎn)生較大沖擊力，特別物料較重、硬度較高時會給輸送帶產(chǎn)生脈沖式或者連續(xù)沖擊，造成較大縱向撕裂、增加磨耗，降低皮帶使用壽命。

2）拋落的物料沖擊力通過膠帶作用于緩沖托輥，現(xiàn)階段最為常用的橡膠緩沖托輥雖然有一定緩沖能力，但是物料頻繁沖擊作用下極容易失效，需要頻繁檢修。

1.3 緩沖托輥改進必要性分析

現(xiàn)階段礦井采用的緩沖托輥結(jié)構見下頁圖2所示，具體為在普通的鋼面托輥上增加布置橡膠圈，通過橡膠圈彈性來降低物料拋落時沖擊力影響。緩沖托輥具有的緩沖能力有效，對托輥本身、輸送皮帶產(chǎn)生的保護作用有限。如礦井1508運輸順槽皮帶輸送機與南5采區(qū)運輸巷皮帶輸送機搭接位置處，由于1508采面設計推進長度2 300 m，生產(chǎn)時間超過1.5 a。在輸送機搭接位置處，經(jīng)常出現(xiàn)煤炭灑落問題，同時緩沖托輥不同程度損傷，部分托輥不運轉(zhuǎn)，因此，為了提高皮帶輸送機運輸效率，需要對緩沖托輥進行針對性改進。

圖2 常用緩沖托輥示意圖

2 緩沖托輥改進

2.1 改進原理

在分析原有緩沖托輥結(jié)構基礎上，根據(jù)礦井機械廠具有的加工能力，提出在原有的緩沖托輥側(cè)增加緩沖裝置，從而提升緩沖托輥緩沖能力，且礦機械廠可進行加工。具體增加的緩沖裝置采用曲柄滑塊機構，結(jié)構原理見圖3。

圖3 曲柄滑塊機構運行原理圖

在滑桿（L2）上增加布置緩沖彈簧，從而提升緩沖托輥緩沖能力，降低物料拋落給輸送機影響，即為增加緩沖托輥柔性來提升緩沖托輥緩沖能力。具體增加的緩沖裝置運行原理為：當物料拋落產(chǎn)生的沖擊力F做到到緩沖托輥上后，曲柄（L1）會有小幅擺動，從而帶動滑桿（L2）上下小幅滑動；滑桿（L2）在滑動過程中壓縮上面布置的彈簧，通過彈簧伸壓縮來降低物料拋落沖擊力影響，起到提升緩沖托輥緩沖能力以及對皮帶、緩沖托輥保護工作。

2.2 緩沖托輥改進設計

根據(jù)前面所述改進原理，具體改進后的緩沖托輥結(jié)構見圖4。在緩沖托輥、皮帶重量作用下緩沖彈簧在擋片間處于壓縮狀態(tài)。在現(xiàn)場應用中通過調(diào)整倔強系數(shù)來達到調(diào)整改進后緩沖托輥緩沖能力作用。采用增加緩沖彈簧方式對緩沖托輥進行改進，僅需要安裝曲柄滑塊即可，不需要對輸送機機架進行大量調(diào)整，改進成本費用也較低。

在改進的緩沖托輥應用中面臨的主要問題是如何確定緩沖彈簧倔強系數(shù)（μ），以便在物料拋落過程與緩沖托輥共同工作起到緩沖作用。

物料拋落形成的沖擊力F=（H、V、Q、α），由于物料形狀不規(guī)則，物料棱角α難以定量表達，因此，為了簡化計算，將沖擊力F簡化為：F=（H、V、Q）。根據(jù)計算出來得到的沖擊力，利用杠桿原理即可計算得到緩沖彈簧受到到壓力（P），從而確定彈簧倔強系數(shù)及彈簧規(guī)格。在具體使用過程中根據(jù)應用效果可適當對彈簧進行調(diào)整。

圖4 改進后的緩沖托輥結(jié)構

2.3 沖擊力計算

由于采用的曲柄滑塊機構曲柄（L1）、滑桿（L2）長度接近，因此可近似認為沖擊力與作用到彈簧上的壓力P相等，通過計算沖擊力即可得到緩沖彈簧壓力（P），具體計算公式為：

2.3.1 靜載載荷Pu

托輥靜載載荷由托輥承載分支靜載荷（Pu1）、回程分支靜載荷（Pu2）兩部分構成。具體承載分支（Pu1）、回程分支（Pu2）可分別通過下述公式計算

式中：e為載荷系數(shù)（取0.8）；a0托輥間距（取1 200 mm）；Im為輸送機運量（取55.56 kg/s）；V為輸送機運度（取2.0 m/s）；q0為皮帶質(zhì)量（取27.0 kg/m）。

將參數(shù)帶入公式（2）、（3）求得：Pu1=515.9 N，Pu2=259.2 N，即靜載載荷Pu=775.1 N

2.3.2 動載載荷P0

具體動載承載分支動載荷（P01）、回載分支動載荷（P02）可通過下式計算：

式中：fs為運行系數(shù)（取值1.2）；fd為沖擊系數(shù)（取1.06）；fa為工況系數(shù)（取1.1）。

將參數(shù)帶入公式（4）、（5）求得：

P01=721.9，NP02=681.0N，動載載荷P0=1 402.9 N

通過上述計算，求得P=P0=1 402.9 N，緩沖彈簧受到的壓力為1 402.9 N，根據(jù)相關規(guī)范，選用礦用緩沖礦車彈簧即可滿足使用需要，具體使用的緩沖彈簧見圖5所示。

圖5 緩沖彈簧實物圖

2.4 效果分析

采用緩沖彈簧對緩沖托輥改進后，在皮帶輸送機搭接位置搭接位置物料基本不出現(xiàn)拋灑到巷道底板情況，同時緩沖托輥在2 a內(nèi)基本不需要更換。改進后的緩沖托輥可在一定程度上提升皮帶輸送機運輸效率。

3 結(jié)論

1）皮帶輸送機搭接位置緩沖托輥經(jīng)常出現(xiàn)損壞原因主要是物料沖擊載荷較大，緩沖托輥本身緩沖能力不足導致。

2）采用機械原理中的曲柄滑塊機構運行原理，將緩沖彈簧對緩沖托輥進行改進，并詳細對改進方案進行闡述。提出的改進方案簡單、改造簡單，所需要的設備礦井機械廠即可加工，改進投入低。

3）采用理論計算方法對緩沖彈簧受力進行分析，得出緩沖彈簧最大受力在1 402.9 N，采用緩沖礦車彈簧即可滿足使用需要。