大柳塔选煤厂胶带机带式逆止装置强度分析与安装

白刘贵

摘 要：针对大柳塔选煤厂胶带机带式逆止装置保护在设计、加工安装过程不规范，导致胶带机故障停车时带式逆止装置不起作用。因此对胶带机带式逆止装置进行了强度计算，并进行分析，提出了对带式逆止装置加工过程材料规格型号、焊接、安装要求等。从而提高胶带机保护效果，降低胶带机的故障停车后反转事故，提高选煤厂生产效率。

关键词：胶带机；带式逆止装置；强度校核；安装要求

中图分类号：TD94 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0022-04

Abstract： The belt backstop protection of belt conveyor in Daliuta Coal Preparation Plant is not standard in the process of design， processing and installation， which causes the belt reverse stop device to be ineffective when the belt machine fails to stop. Therefore， the strength of belt reverse stop device of belt conveyor is calculated and analyzed， and the material specification， welding and installation requirements of belt reverse stop device are put forward， in order to improve the protective effect of belt conveyor， reduce the reverse accident after the fault stop of belt conveyor， and improve the production efficiency of coal preparation plant.

Keywords： belt conveyor； belt backstop； strength check； installation requirements

1 概述

胶带机是选煤厂重要的运输设备，其主要的功能是实现物料的远距离运输。由于从原煤从筛分、主洗、产品仓通过胶带机运输，需要一定的倾角，有的胶带机减速器没有逆止器，在胶带机故障停车，造成倾斜胶带机反向转动，为此神东洗选中心各选煤厂倾斜胶带机必须安装带式逆止装置保护，由于带式逆止装置属于非标加工件，在加工时没有设计、加工标准随意，导致加工出现带式逆止装置不起作用。为此对带式逆止装置设计和强度校核，并对加工材料选择、加工要求进行说明是必不可少，同时明确对带式逆止装置安装规范。

2 胶带机带式逆止装置工作原理

胶带机带式逆止装置工作原理是指带式输送机停车制动装置装于倾斜带式输送机的头部滚筒奔离点处停车时逆止带，卷进滚筒与输送带之间从而达到胶带机的制动。

3 大柳塔选煤厂胶带机逆止装置现状分析

3.1 胶带机运行中存在问题

选煤厂胶带机运输物料多数存在一定的高度提升，当胶带载物料运行时，如果出现突发性事件，比如突然断电，突发事故停车等事故时，在驱动力停止的瞬间，最初由于惯性胶带会继续运行，这样处在胶带机下方的刮板有可能产生堆积煤，影响刮板的正常启动，在胶带机正向运转停止下来后，由于存在上升角度，这样由在上升段物料重力所产生的向下运动的趋势会可能导致胶带的逆运行，这种胶带机的逆转同样在生产中是极其有害的，会导致胶带机机尾堆煤，影响正常起车，严重时如果没有及时清理而起车时，会拽断胶带，如果堆积严重外泄则会阻塞胶带机走廊，同时当煤粘在皮带滚筒上时会带来运行跑偏隐患。所以在生产中应该尽最大努力消除这种有害现象的发生。

3.2 大柳塔选煤厂胶带机现状分析及存在问题

大柳塔选煤厂逐步在所有倾角的胶带上都配备了作为辅助逆止装置的皮带逆止装置。经过统计大柳塔选煤厂共有胶带40余条，其中包括手选带8条，由于带速低没有设置逆止装置，还有10条水平皮带也没有安装逆止装置，其余22条都同时安裝了2种或2种以上的逆止装置。在运行过程中有带式逆止装置设计和加工不合理，以及安装不合理，出现了带面磨损加剧；触带不够起不到逆止效果，以及钢材规格选择不统一，造成强度不同。

为此要对带式逆止装置的加工强度校核、材料选择进行说明，确保给胶带安装制动装置和逆止装置起到作用。制动器的主要作用是阻止胶带正方向运行，大柳塔选煤厂胶带机主要使用抱闸；逆止装置的主要作用就是实现皮带逆运行时的制动作用。两者在实际生产中是相辅相成的。

大柳塔选煤厂的胶带逆止装置主要有以下几种：

（1）减速器自带逆止装置，一般在减速器的高速端，及一级传动轴非驱动侧，如410胶带机使用的道奇减速器；也有在二级传动轴非驱动侧安装的。

（2）驱动滚筒非驱动侧逆止装置。

由于大柳塔选煤厂使用的带式逆止装置的设计是根据大柳塔选煤厂参照相关皮带逆止装置标准自行加工安装的。在胶带机实现正常逆止的情况下还没有对皮带逆止装置进行相关力学理论分析，计算。因此一条胶带除皮带逆止装置外其他逆止装置都不运行时，皮带逆止装置到底可不可以实现胶带逆止，皮带逆止装置能不能满足强度要求，原来都没有进行计算。因此对胶带机带式逆止装置进行强度校核是有必要的。

4 大柳塔选煤厂胶带机逆止装置强度校核

4.1 大柳塔选煤厂410胶带机胶带受力分析

以大柳塔选煤厂410胶带技术参数为例，对胶带机的带式逆止器进强度校核。endprint

当胶带机正常停车时，及胶带上没有物料时，制动器会自动制动，使胶带机停止，由于皮带自身摩擦力的作用不会出现逆止运转。

当胶带机载有物料时，可以通过分析得出：对于倾斜输送机，通过输送带作用于传动滚筒上的最大逆转力出现在输送机承载段只有上升段满载，而其他段为空载的条件下，具体见以下计算说明。

（1）皮带正方向运转受力分析

m，m1，m2为三段的物料质量，θ为皮带爬坡倾角。

皮带正方向运转时有：F=（m1+m2）g·f+mg cos？兹成立，由于v是恒定值所以没有加速度。F为驱动力，g为重力常数，f为摩擦系数。

（2）故障停车受力分析

当出现停车时，由于没有了正方向的驱动力，而提升段却能产生向下的动力，所以有：mg sin？兹-[（m1+m2）g·f+mgf cos？兹]=（m1+m2+mg cos？兹）a

要出现最大的加速度a从而产生最大的v1那么对于等式的左边而言，只能是减少[（m1+m2）g·f+mgf cos？兹]的数值，由于m是驱动力的来源，所以只有m1+m2=0时才有最大的a值。所以有：对于倾斜输送机，通过输送带作用于传动滚筒上的最大逆转力出现在输送机承载段只有上升段满载，而其他段为空载的条件下。

如图，对于L长度皮带物料总重力G=L·qG·g=qG·g·■

由于倾斜力只有沿？兹方向才产生逆转作用力，所以沿？兹方向G的分力G'=G·sin？兹=qG·g·H

为阻止逆转，传动滚筒上需要逆止力FL，

FL=Fst-0.8fg[L（qRO+qRu+2qB）+（H×qG）÷sin？啄]

Fst：倾斜阻力Fst=qG×g×H=15555.55n

qG：每米输送物料质量（kg）：105.83

g ：重力加速度，一般取9.8n/kg

H：输送机受料点与卸料点高差（m）：15

f：模拟摩擦系数（工作环境好，制造良好，带速低取0.02；多尘，过载，高带速，安装不良，托辊质量差，取0.023-0.03；按标准设计制造，调整好，取0.022。根据410胶带工作环境，带速取0.026）

qRo：输送机承载分支每米托辊旋转部分质量（kg）： 20.8

qRu：输送机回程分支每米托辊旋转部分质量（kg）： 6.7

L：输送机长度：196m

δ：输送机上倾角：12.5°

qB：承载或回程分支每米输送带每米质量（kg）：15

FL=13801.15N

作用于传动滚筒上的逆止力矩，

M'L=（FL×D）÷2000=6.9kn·m

减速器高速轴上需要的逆止力矩：

ML=M'L÷（？浊·i）=0.244kn·m

现在来计算仅有皮带逆止装置工作时的状况：

根据洗选中心下发的关于带式逆止装置安装标准，结合经济性，实用性410选择了与运载皮带相同规格的皮带NN300×1200×5（3+1.5）作为逆止装置用皮带，皮带逆止装置包括三部分组成：皮带：M20×45螺栓8颗，1200mm槽钢支架。

4.2 皮带强度受力校核

分析皮带逆止装置的受力可知道：对于处于逆止作用的皮带可分为四部分：第一部分是被压在滚筒和载料皮带中间主要受压应力的皮带，第二部分是槽钢与滚筒之间的皮带，主要受拉应力，第三部分是处于压应力和拉应力之间的过度皮带，第四部分是被螺栓固定的皮带，这四部分中受集中作用力的是第三部分和第四部分。

现在计算假设皮带逆止装置其他装置都是理想的情况下第三部分的受力（对于第四部分受力将分为俩部分一部分在螺栓部分验证）：

由NN300×1200×5（3+1.5）知道皮带每层扯断强度为300N/mm，皮带共有5层，其中上层胶3层（工作面），下层胶1.5层（非工作面），查工具书DTΙΙ（A）型带式输送机设计手册知道NN300×1200×5（3+1.5）胶带每层厚度1.25mm，胶带在受力是会伸长，同样可查伸长率为1.5%～2%，取最大伸长率2%，则对于带宽1200mm的皮带最小横截面为

s=1200×6.13=7356mm2，

拉断最小横截面需要拉力

F=s×300×5=110340kn>>13.80115kn，

这说明在皮带产生最大的倾斜拉力时皮带是安全可靠的；對于第四部分（即是被打孔的横截面的强度）：由M20×45知道每颗螺栓最大直径20mm，假设8颗螺栓在同一水平线上，这时皮带的抗拉强度最小，最小值F=300×5×6.13×（1200-20×8）=95628kn>>13.80115kn，于是我们可以知道皮带抗拉强度对与物料所产生的拉力是完全可以承受的。

4.3 带式逆止器连接螺栓强度校核

在皮带逆止装置中螺栓主要受两个方向的作用力，分别是沿轴向的力，这个力主要是预紧力，和垂直与轴向的剪切力。

以Q235钢材为原料制成的M20×45螺栓的相关数据为：

抗拉强度 ？滓B：410-470 MPa

屈服强度 ？滓S：240 MPa

疲劳极限：弯曲？滓-1：170-220 Mpa

拉压？滓-11：120-160 Mpa

对于单个螺栓有（有预紧力的情况下）：

抗拉：[？滓]1=■=171.43Mpa

n：安全系数，有预紧力时取1.2-1.5 这里取n=1.4

抗剪切：[？子]=■=96Mpa

这里需要注意的是，这里计算出的抗拉强度，抗剪切强度都是理论最大值，而且对于抗拉强度的安全系数取的值偏大，从计算中可以看出，同种螺栓的抗剪切强度小于抗拉强度，考虑到实际皮带逆止装置螺栓受力主要是受剪切力，而且轴向力是总拉力的一个分力，假设总拉力都作用成剪切力，如果能满足剪切力要求的话，螺栓轴向受力肯定能满足要求。endprint

下面检验螺栓在最大皮带拉力作用力全部为剪切力情况下的受力：

p=■=■=43.95Mpa<96Mpa

注意43.95Mpa这个计算值是单个螺栓在受全部载荷时的剪切力，按照设计要求安装8-10颗M20×45螺栓的要求，所以单个螺栓受力为4.45-5Mpa.410皮带逆止装置实际使用8颗螺栓，所以单个受力为5.5Mpa<<96Mpa.所以螺栓能够承受理论最大剪切力。

下面就螺栓预紧力对皮带的压力影响做一下分析（皮带部分的补充）：

P0=？滓0×AS=58800n

P0=螺栓预紧力

？滓0=（0.5-0.7）？滓S

AS=螺纹危险截面的面积，查表取245mm2

假设8颗螺栓全部预加最大拉力，则能产生作用力为：

F=8×P0=470400n

对于NN300×1200×5（3+1.5）尼伦皮带在被夹皮带部分可承受最大作用力为：

F=300×0.168×106=50.4×106n>>0.47×106n

所以螺栓满足强度要求。

4.4 带式逆止器槽钢的强度的校核

槽钢牌号按14a，进行验证。

焊接端口的受力。

由于设计要求使用的槽钢与皮带托辊支架槽钢规格相同，加上皮带托辊支架槽钢是槽向内开口，所以如果直接安装的话槽钢只有上下两翼缘被焊接，强度肯定不能满足要求。在实际安装过程中都是切除部分翼缘尽可能使腹板和托辊支架槽钢腹板进行焊接从而得到较大的焊接面。

理论焊接面积为S=6×（140-9.5×2）×0.8=580.8mm2

其中：槽钢腹板厚d=6mm； 140：槽钢高h=140mm

9.5：槽钢翼缘厚；0.8：焊接有效系数

我们通常使用的焊条为E4303型焊条（即是J422）。

则能承受的应力为：

F=580.8×420×106=243936N≈243.94kn>13.8kn

现在验证槽钢整体在受到拉力作用时的受力.通过分析受力可得以下弯矩图：

由弯矩图知道，产生应力集中的地方是边缘焊接点和对称中心，而且焊接端承受的弯矩为中心的12倍，中心承受最大的变形，边缘承受最大剪切力：

槽钢受最大弯矩：M=■=17665.472n·m

槽钢受最大剪力：F■=■=11040.8n

验证拉力强度：Wx=■=103.9cm3

查机械设计手册，知道14a槽钢WX=80.5cm3<103.9cm3

所以实际中槽钢截面弯曲系数小于设计要求值。

验证剪切力强度：

？子max=■

F■：剪切力

Smax：槽钢简化尺寸下面积

IX：14a槽钢惯性矩，查表的IX=564cm4

d：槽钢的腹板厚度

带入数值τmax=59.6 Mpa<100 Mpa的材料特性

可见槽钢抗剪切满足要求。

综上所述从上面验证可以知道，槽钢的抗拉强度不足，抗剪切力强度满足，在实际生产中如果我们采用了双槽钢焊接固定的话（即有单个槽钢的见面弯曲系数WX=103.9÷2=51.95cm3<80.5cm3），那么槽钢就能满足设计要求。但是实际情况是我们只对其中一条槽钢实施了焊接，另一条只做背板，做加强使用，所以整个槽钢的抗拉特性就处在51.95cm3～103.9cm3之间，即在满足与不满足之间徘徊。

4.5 帶式逆止器强度的校核结论及注意事项

综合以上各方面因素，得出的结论是410胶带机皮：对于皮带逆止装置相关的三要素中，皮带和螺栓在正常情况下是能满足强度要求的，只有槽钢的抗拉力学特性有范围的波动，在满足与不满足之间，所以皮带逆止装置理论的最薄弱环节是槽钢，而且还是在承受拉力时。还需要注意一点的是，上面的验算没有考虑槽钢因为开孔而减少的刚度，所以实际的波动会比最大截面弯曲系数要求值还要大一些。这和大柳塔选煤厂在实际工作中发现皮带逆止装置最容易出问题的是槽钢的变形而不是皮带和紧固螺栓的客观事实相吻合。所以加强槽钢的抗拉力学特性是提高皮带逆止装置大规模推广使用的关键。

（1）总的说来皮带逆止装置由于其制作简单，具有一定效果，相对于其他机械式逆止装置来说更是具有几乎不需要任何维护的优点，在我们洗选中心的作为逆止的辅助措施总的说来是成功的，但是由于自身的一些无法克服的状况也限制了它的有效推广。

（2）对于螺栓的预紧力的把握有条件的尽可能使用扭矩扳手，保持每个螺栓受力相同。

（3）槽钢的选择尽可能的没有缺陷，开口要交替错开，不要应力集中，从弯矩图中可以知道，如果要发生变形，那么在中部是最容易的，所以，槽钢的开口应尽可能靠向两翼。减小中间强度损失。

（4）皮带开口尽可能的有一定的错开；槽钢的腹板有条件的话最好添加一些筋板，加强中心刚度，槽钢的焊接注意焊接工艺的选择，保证最大程度减少应力集中。

（5）槽钢与托辊架连接处尽可能添加一些筋板。

5 带式逆止器逆止装置安装标准

带式逆止器加工选择材料不合适导致起不到逆止效果，并且安装不合适胶带机胶带加剧磨损，为此必须按照以下要求安装，可以提高使用周期。

（1）倾斜胶带机应有高速或低速逆止器，不具备条件安装的，须安装带式逆止装置。

（2）逆止器储带部位应选用50mm*50mm的扁钢制作，端头必须焊接牢固。

（3）逆止胶带紧固端应选用槽钢焊接到机架或纵梁上，用相同规格的槽钢与固定槽钢用螺栓紧固夹紧带面，不允许焊接。

（4）储带部位的角钢与滚筒的距离保持在500mm～800mm为宜，储带扁钢前后端距离一般在600mm～800mm之间。

（5）导向管的正下方应焊接不小于14#槽钢，并且要求立放。

参考文献：

[1]成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社.

[2]JB/T 9015-2011.带式输送机用逆止器[S].

[3]DTⅡ（A）型带式输送机设计手册[M].冶金工业出版社.endprint