摘要：皮帶輸送機(jī)的主要組成部分為皮帶、機(jī)架、托輥、傳動裝置、拉緊裝置、驅(qū)動裝置以及其他裝置等。通過對皮帶輸送機(jī)的工作原理進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)了DTⅡ型帶式輸送機(jī)，嚴(yán)格按照皮帶選型原則、傳動滾筒選型原則，對帶式輸送機(jī)的圓周驅(qū)動力、拉緊力、傳動軸進(jìn)行受力分析計(jì)算，并在不打滑條件下進(jìn)行最小張緊力、軸的強(qiáng)度、軸承、鍵的校核，結(jié)果顯示校核結(jié)果符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。根據(jù)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)對煤粉式皮帶輸送機(jī)進(jìn)行三維建模，利用有限元軟件對托輥進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果滿足工作需求。

關(guān)鍵詞：煤粉；皮帶輸送機(jī)；傳動滾筒

中圖分類號：TH122? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）12-0031-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.009

0? ? 引言

帶式輸送機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)包括密封性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、工作能力可靠、噪聲低、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、傳動效率高、使用周期長、所需空間面積小[1]。帶式輸送機(jī)能根據(jù)各種不同的工作環(huán)境，包括潮濕、干燥、泥濘、粉塵多等惡劣工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)科技的發(fā)展，帶式運(yùn)輸機(jī)縮短了研發(fā)、生產(chǎn)、制造所需要的時(shí)間，且具備更優(yōu)化的功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了其在運(yùn)輸領(lǐng)域的競爭力。而在礦山機(jī)械的研究中，煤粉式皮帶輸送機(jī)已經(jīng)成為重要運(yùn)輸設(shè)備，如何實(shí)現(xiàn)制動與張緊，向智能化和自動化方向發(fā)展，是當(dāng)前研究帶式輸送機(jī)的主要方向[2]，也是本研究的目的和意義所在。本設(shè)計(jì)研究的是重載、長距離的水平煤粉專用皮帶輸送機(jī)。

1? ? 方案設(shè)計(jì)

1.1? ? 帶式輸送機(jī)工作原理

輸送帶繞經(jīng)傳動滾筒和機(jī)尾換向滾筒形成一個(gè)環(huán)形帶，輸送帶上下兩部分都由托輥支撐。拉緊裝置提供輸送帶工作的正常拉緊力，防止發(fā)生相對滑移[3]。運(yùn)輸物料時(shí)，物料由裝載點(diǎn)到輸送帶上，形成傳動滾筒和輸送帶間的連續(xù)摩擦運(yùn)動，在尾部進(jìn)行裝料。物料裝在上承載面上，在頭部卸載，如圖1所示。

1.2? ? 驅(qū)動裝置選擇與計(jì)算

1.2.1? ? 圓周力計(jì)算

輸送帶在材料的選擇上采用NN150，輸送帶每一層每平方米的質(zhì)量為1.15 kg，上層膠厚度是3 mm，下層膠厚度是1.5 mm，每毫米厚膠的重量為1.19 kg。根據(jù)公式（1）求得圓周力FU：

上式中的物理量含義及取值如表1所示。

根據(jù)表1取值計(jì)算圓周力：

FU=1.2×0.022×497.5×9.81×[10.18+2.8+（2×12.26+125）]+0+864.29+1 440≈23 241 N

1.2.2? ? 電動機(jī)功率計(jì)算

根據(jù)計(jì)算所得的圓周力，結(jié)合下式計(jì)算電動機(jī)功率：

PA=FUv=23 241×2=46 482 W≈46.5 kW

式中：v為皮帶輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)速度；η為傳遞效率，取值為0.88。

則電機(jī)的功率為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果并按常用電動機(jī)功率取55 kW，按文獻(xiàn)[1]中表2-77，查得55 kW電動機(jī)驅(qū)動裝置代號為120；再根據(jù)驅(qū)動裝置代號按文獻(xiàn)[1]中表2-78查得各部件型號如下：電動機(jī)型號Y250M-4；液力耦合器型號YOXⅡz450；減速器型號DCY280-31.5；制動器型號YWZ5-315。

2? ? 強(qiáng)度校核

2.1? ? 輸送帶最大張力及其校核

2.1.1? ? 輸送帶張力計(jì)算

從整體上看，輸送帶張力的長度是會變化的。輸送帶張力一定要滿足兩個(gè)要求：一方面，在處于任意一種負(fù)載的狀況下，在輸送帶上產(chǎn)生的張力需使所有傳動滾筒上的圓周力能借助摩擦力作用被傳送到輸送帶上，因此輸送帶和滾筒之間需要能夠確保不會出現(xiàn)打滑[4-5]；另一方面，為保證輸送帶位于兩組托輥之間的垂度，輸送帶上產(chǎn)生的張力不宜過小。

2.1.2? ? 輸送帶不打滑條件下的張力計(jì)算

輸送帶不打滑的條件下最小張力計(jì)算：

式中：Fmin為在傳送帶不打滑的情況下應(yīng)保持的最小張力；FU，max為在滿負(fù)荷啟動和制動輸送機(jī)時(shí)產(chǎn)生的最大圓周動力，計(jì)算得到34 861 N；eμφ為尤拉系數(shù)，查文獻(xiàn)[1]表2-34取值3.4。

按照上述取值計(jì)算Fmin=14 525 N，按公式計(jì)算各個(gè)特性點(diǎn)的張力，忽略附加阻力，計(jì)算帶式輸送機(jī)皮帶的張力，驗(yàn)證后可知最小張力取值為Fmin=14 525 N。

由下式計(jì)算穩(wěn)定工況下張力：

Fl，max=Fmin+FU

式中：Fl，max為穩(wěn)定工況下的張力；FU為穩(wěn)定工況下刮板輸送機(jī)的圓周力，取值為23 241 N。

Fl，max=F2+FU=14 525+23 241=37 766 N

2.1.3? ? 輸送帶層數(shù)的確定

式中：Z為輸送帶層數(shù)；n為穩(wěn)定工況下輸送帶的靜安全強(qiáng)度，本次設(shè)計(jì)取值為12；B為輸送帶帶寬；σ為輸送帶縱向扯斷強(qiáng)度，取值為150 N/（mm·層）。

按文獻(xiàn)[6]中表2-16選取層數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為4，即層數(shù)Z1=4層。

2.2? ? 輸送帶垂度與強(qiáng)度校核

2.2.1? ? 輸送帶垂度校核

根據(jù)文獻(xiàn)[1]得輸送帶垂度校核公式：

式中：h為輸送帶下垂的最大高度；a0為間距；F0為在該點(diǎn)處的最大圓周驅(qū)動力。

即輸送帶可以滿足最大下垂度的限制，所以符合使用要求。

2.2.2? ? 輸送帶強(qiáng)度校核

強(qiáng)度校核公式：

σ應(yīng)該小于輸送帶材料的縱向扯斷強(qiáng)度。

輸送帶材料符合輸送帶強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3? ? 滾筒設(shè)計(jì)計(jì)算

滾筒根據(jù)其承載能力、直徑等進(jìn)行分類，同樣型號的滾筒直徑也可以根據(jù)中心的長度和軸的直徑進(jìn)行選擇。根據(jù)傳動滾筒的表面形狀，人字形橡膠面具有防水性和防滑性好的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)本設(shè)計(jì)的工作環(huán)境，選用該滾筒[6]。

3.1? ? 傳動滾筒參數(shù)計(jì)算

合力計(jì)算：

F滾=Fl，max+2Fmin

式中：F滾為滾筒的合力。

F滾=Fl，max+2Fmin=37 766+2×14 525=66 816 N≈66.8 kN

扭矩計(jì)算：

式中：P滾為傳動滾筒的功率，根據(jù)計(jì)算可得為48.4 kW； n滾為傳動滾筒的轉(zhuǎn)速，計(jì)算可得為47.7 r/min。

3.2? ? 傳動滾筒選型

在傳送帶的設(shè)計(jì)中，通常較大的直徑對于皮帶輸送機(jī)是有利的，但是如果直徑增大，則滾筒的質(zhì)量、驅(qū)動器和減速器的傳動比也會相應(yīng)增加。所以應(yīng)該按照滾筒上的帶寬、帶速、合力及扭矩查表確定滾筒的直徑。

3.3? ? 傳動滾筒軸設(shè)計(jì)

3.3.1? ? 尺寸設(shè)計(jì)

（1）輸入軸的轉(zhuǎn)矩、功率計(jì)算。

輸入軸的轉(zhuǎn)矩：

T1=T滾=9 690.1 N·m

輸入軸的功率：

P1=P滾=48.4 kW

（2）確定最小直徑。

選取軸的材料為45號鋼，熱處理為正火加回火，布氏硬度為HBW=100～300。按下式計(jì)算軸的最小直徑：

式中：dmin為最小直徑；A0為材料45號鋼的直徑，取值范圍為103～126 mm，這里取112 mm。

按照軸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，軸段Ⅰ與剛性聯(lián)軸器相連接，剛性聯(lián)軸器的孔徑為120 mm。

3.3.2? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核

根據(jù)擬定的裝配方案，確定各軸段長度和直徑的依據(jù)為軸向定位[1，7]，如表2所示。

確定尺寸后，按彎扭強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度，并根據(jù)上述計(jì)算的尺寸以及工作載荷對軸承、鍵等軸上零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核結(jié)果滿足工作要求。

4? ? 三維建模及仿真

4.1? ? 三維建模

本次設(shè)計(jì)為水平布置的煤粉專用帶式輸送機(jī)，卸料裝置在頭部，給料在尾部，且布置方式為水平，通過裝配各零件得到最后的總裝配圖，建模如圖2所示。

4.2? ? 有限元分析

對托輥和軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，如圖3、圖4所示。

如圖3所示，托輥底座的變形為零，這是因?yàn)楣潭s束被添加在了底座底端，因此，底座底端的剛性很大。同時(shí)托輥總的形變趨勢是由底端往上端逐漸增大的，在兩槽處達(dá)到最大，由最小應(yīng)變量0增大到底座上端應(yīng)變量3.072×10-9 m，總體來看，托輥總的應(yīng)變都很小。軸的總應(yīng)變分析如圖4所示，把固定約束添加在軸兩端，兩端應(yīng)變量為0，由最小逐漸增加到1.089 8×10-6 m，應(yīng)變在許可范圍內(nèi)。

5? ? 結(jié)論

根據(jù)企業(yè)的相關(guān)生產(chǎn)要求，選擇了DTⅡ式帶式輸送機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的型號。本設(shè)計(jì)采用的布置方式為水平布置，消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)因?yàn)橛懈叨嚷洳钤斐擅悍埏w揚(yáng)進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)境破壞和物料浪費(fèi)的缺點(diǎn)。

本文通過查找托輥選用設(shè)計(jì)表等，選擇了適合本次設(shè)計(jì)的槽角，并主要對輸送機(jī)圓周力的計(jì)算、最大張緊力的計(jì)算、驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算等進(jìn)行了說明，對于輸送帶及滾筒軸承、鍵的設(shè)計(jì)進(jìn)行了校核，符合設(shè)計(jì)使用要求。

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[6] 孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2018.

[7] 濮良貴，陳國定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

收稿日期：2023-02-21

作者簡介：劉文強(qiáng)（1987—），男，內(nèi)蒙古烏海人，工程師，國家能源集團(tuán)烏海能源利民煤焦有限責(zé)任公司機(jī)電科科長，主要從事煤礦機(jī)電管理、智能化礦山建設(shè)等工作。