TBM主机皮带机螺旋托辊的安装及受力分析

蒋志国，王柏松

(中铁隧道装备制造有限公司，郑州 450016)

0 引言

TBM主机皮带机布置在主梁内，主要由头部驱动滚筒、尾部从动滚筒、皮带架、上托辊、下托辊、皮带、清扫器、渣斗等组成(如图1所示)。

图1 TBM主机皮带机二维图示Fig．1 2D picture of belt conveyor of TBM

作为带式输送机的主要部件，托辊均布在带式输送机皮带下面，主要用来托起皮带和承受载荷。缓冲、调偏、清扫皮带也是其主要功能。因此，其质量和选用，对整条带式输送机的使用寿命、安全稳定运行及能源消耗起着重要作用。

目前国外TBM主机皮带机双向螺旋橡胶托辊的应用已经比较广泛，在西秦岭应用的罗宾斯TBM主机皮带机采用的就是双向螺旋橡胶托辊，但国内TBM主机皮带机主要采用的是槽型三辊托辊，主要用来输送散装物料，而当前隧道内部输送的物料多为黏湿物料;而三辊托辊容易黏辊，增大了运行中的阻力，并且容易跑偏。在以往的研究中，张瑞平等［1］对影响托辊设计中的关键因素作了列举和分析;陈文海等［2］用Ansys对普通托辊进行了分析，得到了普通托辊在载荷作用下的应力和变形情况;刘文亮等［3］对连续皮带机胶带跑偏原因从力学方面作了详细的分析。但以上研究都是以普通托辊作为研究对象，而对双向螺旋橡胶托辊的研究甚少，鉴于其在运输黏湿物料中的独特优势，有必要对其安装和受力进行研究。

1 传统的三托辊辊径的选择

1．1 传统三托辊直径与带宽的关系

见表1。

表1 直径与带宽的对应关系Table 1 Relationship between roller diameter and belt width

1．2 直径与带速的关系

在确定带宽的条件下，托辊辊子的转速不能太大。在同样寿命情况下，转速大，使用时间就短，转速小，使用时间就长。但辊子直径不能太大，辊子直径太大，整个输送机不配套，固定投资也大。在带式输送机设计规范中规定:辊子的转速不能超过600r/min。托辊直径与输送机带速的关系如表2。

表2 直径与带速的对应关系Table 2 Relationship between roller diameter and belt speed

1．3 辊子载荷的计算

承载分支托辊静载荷

式中:a0为承载分支托辊间距，m;e为辊子载荷系数;v为带速，m/s;qu为单位输送带质量，kg/m;Im为输送能力，kg/s。

承载分支托辊动载荷

式中:fs为运行系数;fd为冲击系数;fa为工况系数。

传统三托辊在确定了带宽、带速和载荷［4-5］的情况下，便可以根据带式输送机设计手册［6］合理选取辊径。

2 主机皮带机双向螺旋橡胶托辊的受力计算

2．1 螺旋橡胶托辊的等效载荷分析

双向螺旋橡胶托辊由于结构与传统三连辊托辊有着很大的不同，在运输物料的过程中受力与传统三连辊也有着很大的不同，其选取主要是如何确立托辊中钢丝绳的直径(如图2所示)。

钢丝绳是机械设备中常用的零件，钢丝绳是一种挠性零件，具有强度高、自质量小、弹性好、运行平稳、适合于高速、远距离、换向传力以及极少突然破断的优点［7］，也是主机皮带机托辊中的重要零件之一;因此，有必要对其承载受力特性进行分析，以便更好地设计计算及维护使用。

图2 双向螺旋橡胶托辊Fig．2 Bidirectional spiral rubber roller

假设双向螺旋橡胶托辊受均布载荷的作用，将其模型等效为三铰拱［8］，如图3所示。支座A，B处的竖向反力分别为 Fay，Fby，水平反力分别为 Fax，Fbx。

图3 托辊等效模型Fig．3 Equivalent model of roller

选取截面C为研究对象，其与OA的夹角为φ，设其所受的弯矩、剪力、轴力分别以MC，FC，NC表示，微段ds=Rda，其上面的载荷为qds=qRda。

对截面C所产生的剪切力

对截面C所产生的轴拉力

支持力Fay对截面C所产生的弯矩

对截面C所产生的剪力

对截面C所产生的轴力

同理求得Fax对截面C所产生的弯矩、剪力和轴力分别为:

所以截面C所受的总弯矩、总剪切力、总轴力分别为:

由拱的整体平衡条件∑MB=0，得:

由D点的平衡条件∑MD=0，得

计算得:

将Fax=Fbx=qRcos(β/2)，Fay=Fby=qRsin(β/2)代入截面C得:

MC=qR2(1-cos φ)+qRcos(β/2)Rsin(φ/2)sin θqRsin(β/2)2Rsin(φ/2)cos θ;

FC=qRsin φ-qRcos(β/2)cos［(π -φ)/2+ θ］-qRsin(β/2)sin［(π -φ)/2+θ］;

NC=qRsin(β/2)cos［(π -φ)/2+θ］-qRcos(β/2)sin ［(π -φ)/2+θ］-qR(1-cos φ)。

由托辊槽角计算公式

在槭树科植物栽培和利用上，我国拥有着丰富的资源和悠久的栽培历史，但在相关研究及开发利用方面与欧美和日本还存在较大差距。随着城市的发展，极具特色的乡土彩叶树种应用越来越迫切，槭树科植物也越来越受重视。孟庆法等[3]、张璞等[4]分别对河南省槭树科植物资源进行了调查研究，结果表明，河南野生槭树在低海拔平原地区引种驯化、人工繁殖，以及城市绿化、美化应用是切实可行的。

式中:φ为托辊槽角，ρ为物料的推积角。

假设TBM主机皮带机输送物料为石灰石，皮带运行速度为2．0m/s，由资料查得物料的运行堆积角ρ=25°，此时可求得φ=50°，所以β=2φ=100°。在实际应用中，双向螺旋橡胶托辊的张角β=70°，槽角φ=35°。

由以上分析可知，最大弯矩、最大剪力和最大轴力是与θ和φ有关的量，只要确定了这2个量便可以对托辊中钢丝绳直径进行合理的选取;但是当前对双向螺旋橡胶托辊受力研究较少，需引起重视。

2．2 主机皮带机双向螺旋橡胶托辊的安装

主机皮带机双向螺旋橡胶托辊支架结构组成如图4所示。

图4 托辊支架Fig．4 Roller frame

双向螺旋上托辊支架主要由旋转芯轴、轴端挡圈、旋转外套管、内套管、旋转承压板、旋转施压板、支架侧板、限位挡圈、固定板和支撑座组成。

双向螺旋橡胶上托辊支架可以手动转动，调节螺旋托辊的位置，从而调整皮带，具有很好的防跑偏功能［10］。

支架采用焊接式结构，加工和焊接方便，磨损件容易更换，节省时间和成本，托辊安装如图5所示。

图5 托辊安装图Fig．5 Roller installation

2．3 主机皮带机双向螺旋橡胶托辊的使用要求

双向螺旋橡胶托辊两端为短轴，中间部分为钢丝绳，在钢丝绳外包裹具有一定旋向的橡胶。

双向螺旋橡胶托辊使用要求:

2)把配套的托辊支架对应地安装在输送机的边梁上。

3)把托辊的两端轴壳放在支架的耳槽中，并保证托辊与机架上的水平角为一定的槽角或保证对应支架距离尺寸。

4)托辊运行时螺旋方向需一致。

5)每组托辊安装距离可根据输送物料的不同质量分数设计。

6)轴承部位设有黄油嘴，可根据实际情况进行注油润滑。

7)输送作业时的冲击力不得超过托辊极限应力。

8)运输及贮存中，禁防重压和机械损伤及黄油嘴损坏。

2．4 主机皮带机双向螺旋橡胶托辊的优点

双向螺旋橡胶托辊也称螺旋橡胶托辊或橡胶托辊，属于橡胶输送带辅助制动导向制品。独特的产品结构使输送带在输送黏湿物料的环境下，具有不粘辊、自洁力强、不粘带的特点;该产品从根本上解决了带式输送机普遍存在的腐蚀、粘辊、胶带跑偏和撕裂等严重问题。具有结构新颖、安装维修方便、自定中心输送平稳、不粘辊、噪音小、能耗低以及延长胶带使用寿命等特点。具有较强的自动较正输送带偏带的能力，同时最大限度地保护和避免了橡胶输送带的绞带以及撕裂的可能性;同时最大限度延长了输送带寿命，节约了能耗，大大降低了生产成本，提高了经济效益。

3 结论与讨论

1)新的双向螺旋橡胶托辊支架使托辊拆装更方便，易于更换。

2)双向螺旋橡胶托辊在皮带机运输物料的过程中受力跟三辊托辊有着很大的不同，受力比较复杂，如何选取合理的螺旋托辊目前还没有明确的方式，值得进一步研究。

3)双向螺旋橡胶托辊最大弯矩、最大剪力和最大轴力与φ和θ有关，只要确定了这2个量便可以对托辊中钢丝绳直径进行合理的选取。

4)当前双向螺旋橡胶托辊的安装槽角现在一般选取为30°，这是否为最合理的安装角度还需要进一步研究。

［1］张瑞平，裴文喜．影响托辊设计的因素分析［J］．煤炭工程，2011(5):10-12．

［2］陈文海，李金良，倪尚彬．基于ANSYS的带式输送机托辊仿真分析［J］．煤矿机械，2011，32(6):107-109．(CHEN Wenhai，LⅠJinliang，NⅠShangbin．Simulation analysis of belt conveyor roller based of ANSYS［J］．Coal Mine Machinery，32，2011(5):107-109．(in Chinese))

［3］刘文亮，张晓伟，董秋艳．连续皮带机胶带跑偏原因与力学分析［J］．水利水电技术，2006，37(3):26-27．

［4］孙可文．带式输送机的传动理论与设计计算［M］．北京:煤炭工业出版社，1997．

［5］冉隆河，王翠清．带式输送机设计中托辊的合理计算和形式选择［J］．煤矿机械，2006，27(6):935-937．(RAN Longhe，WANG Cuiqing．Reasonable calculating and form choice of idlers in design of conveyors［J］．Coal Mine Machinery，2006，27(6):935-937．(in Chinese))

［6］张尊敬．DTⅡ(A)型带式输送机设计手册［M］．北京:冶金工业出版社，2003．

［7］王宏武，魏发孔．钢丝绳承载受力特性分析及计算［J］．甘肃科技，2007，23(9):77-79．

［8］朱伯钦，周竟欧，许哲明．结构力学［M］．上海:同济大学出版社，2002．

［9］周为民．带式运输机托辊槽角的理论计算［J］．现代机械，2001(2):71-72．

［10］王廷进．带式输送机防跑偏托辊的设计［J］．煤矿机械，2009，30(4):4-5．(WANG Tingjin．Design for belt conveyor running deflection proof support roller［J］．Coal Mine Machinery，2009，30(4):4-5．(in Chinese))