矿用皮带自动收放装置的设计及校核

庞玉龙

(大同煤矿集团 电业公司，山西 大同 037003)

1 装置简介

1.1 概 述

矿用皮带自动收放装置是为了实现井下巷道(煤巷、岩巷、半煤岩巷以及出煤系统)皮带机的皮带自动收放、起吊转运作业而设计的[1-2]. 该装置使井下带式输送机皮带的收放作业更加快速、科学合理、安全可靠，提高了井下作业的自动化和机械化程度，达到了提高作业效率，安全有序进行生产的目的。

1.2 装置组成及主要功能

该装置由多个组件组合而成，包括主传动组件、起吊转向组件、导向组件、手刹组件以及机架与底座组件等，可实现卷带或放带、起吊转向、导向、制动等功能，适用于长距离，带宽为800～1 000 mm的皮带机组。各组件装拆简单，操作方便，主要功能组件如下[3-4]：

1) 主传动组件。

该组件主要由电机、减速机、联轴器、传动轴、接头、卷轴或放带滚筒以及轴承和轴承座等部分组成，主要用于实现卷带和放带功能。

2) 起吊转向组件。

该组件主要由轴承、轴承套、方钢和圆钢等组成，主要用于将卷好的输送带吊起，并将其转载到运输车中。

3) 导向组件。

该组件主要由托辊、托辊架等组成，主要用于实现输送带在被卷上卷轴之前的规整作用，防止输送带卷偏。

4) 手刹组件。

该手刹组件主要由制动钢带、制动石棉带以及一些安装用的底座等组成。其结构简单，可实现在紧急情况下对皮带自动收放装置的制动，预防事故的发生。

5) 机架与底座组件。

机架部分主要由14b槽钢和角钢焊接而成，强度足够，并设计有斜撑部分，加强了结构的稳定性。

机架焊接在底座上，与机架连为一体，底座为整个装置提供安装底座。由于要求该装置设计成组合式，方便在井下装拆，因此将底座也设计成组合式。底座为两部分，用连接钢板通过螺栓连接，达到可拆卸的目的。

2 主传动组件设计

卷带装置主传动部分原理见图1. 电机通过联轴器和减速机相连，减速机输出轴经联轴器和传动轴相连，传动轴通过接头连接卷轴，实现皮带的卷取[5].

1—隔爆电机 2—联轴器I 3—蜗轮蜗杆减速机 4—联轴器II 5—传动轴1 6，7，11—调心球轴承 8，10—接头 9—卷轴 12—传动轴2图1 主传动原理图

2.1 电机和减速机的选型设计

由《矿山运输与提升设备》可知，上托辊段皮带运行阻力WS为：

式中：

g—重力加速度，m/s2，取9.8；

qd—皮带线密度，以800mm宽，ST2000胶带为例，抗断拉力为200×800=160 000kg，取qd=10.1kg/m；

G′—上托辊重量，kg，取28；

L—皮带总长，m，取1 000；

ω′—上托辊阻力系数，取0.03.

代入数据计算得，WS=5 712N

由《矿山运输与提升设备》查得，下托辊段皮带运行阻力WX为：

式中：

ω″—下托辊阻力系数，取0.025；

代入数据计算得，WX=3 525N

卷带时张紧松开，总的运行阻力FZ近似为：

FZ=c(WS+WX)

(3)

式中：

c—附加阻力系数，取1.1.

按最大卷带外径1.2m计算，取半径R=0.6m，最大转矩Tm=FZ·R=6 173.6Nm.

根据上述计算，减速机选用JS400齿轮-蜗杆减速机，电机选用YB2系列防爆电机。

2.2 传动轴的设计

1) 传动轴1的设计。

传动轴1主要作用是传递减速机的输出扭矩，带动卷轴转动，完成主要的卷带功能。传动轴l结构形式采用阶梯轴形式，由四阶构成，第一阶与减速机输出轴通过联轴器相连，第二阶上装轴承座，同时轴承装在第二阶上，第三阶作为轴的阶梯部分，第四阶与接头相连，见图2.

传动轴所传递的最大扭矩按照减速机最大输出扭矩(6 300Nm)计算，所选用减速机的输出轴d80mm，选传动轴1第一阶d80mm，轴长应和标准联轴器的半联轴器相适应，故选用的长度为95mm，选用B型键，键的规格为宽22mm×高14mm×长90mm. 键槽长取90mm. 传动轴1第二阶与轴承相配合，由于第一阶轴径是80mm，要做成阶梯轴的形式，故取该段轴径为90mm.

配合的轴承为调心球轴承，型号为1218，轴承宽度为30mm，由于要给轴承内圈定位，其直径应考虑到轴承座孔的轴径，故第三阶轴径取100mm. 第四阶段轴和接头相接，由于做成阶梯轴形式，则必须比第三阶轴径要小，故d80mm，长度选80mm，采用B型键，规格为宽22mm×高14mm×长75mm，键槽取75mm.

图2 传动轴1图

2) 传动轴2的设计。

传动轴2和传动轴l的不同之处在于传动轴2没有和联轴器连接，即没有传动轴1的第一、二阶部分，其余均和传动轴1相同，见图3.

图3 传动轴2图

3 导向与手刹组件设计

3.1 导向组件设计

1) 压带滚筒设计。

压带滚筒为水平布置，也称水平托辊，主要调整卷带时的水平进带方向。根据带宽800mm，选用标准托辊，托辊两边支架采用长孔形式，每边采用两个M20长螺栓固定，两边支架长度均为250mm.

2) 导向滚筒设计。

导向滚筒位于卷轴前侧，分两边垂直布置，主要防止卷带卷偏。根据机架卷轴中心高度lm，选用标准托辊。为了方便调整卷偏的程度，将导向滚筒的一边设计成水平可调节的，效果图见图4.图4中左边的导向滚筒4个螺栓孔和机架的长条孔相连接，位置可调，使得两个导向滚筒间的间距可调，增加了装置使用的灵活性。右边的导向滚筒直接和机架采用4个螺栓做固定连接，强度大，连接安全性好。

图4 导向滚筒图

3.2 手刹组件设计

手刹组件制动的部分扭矩应该尽可能较小，这样施加的力比较小，容易设计和安装。结合装置实际情况，将手刹组件安装在机架上，且正好跨过弹性柱销联轴器。该联轴器(LMD3梅花联轴器)传递的最大扭矩约为100Nm，是扭矩最小的地方，便于使用较小的力完成制动。结合机架实际情况，将手刹组件的底座选定为25b的槽钢，然后用螺栓将两个制动底座连接在槽钢上，这两个零部件采用螺栓与制动钢带连接，选用螺栓的规格为M10. 制动钢带上采用铆钉与制动石棉带铆接，联轴器凸缘外径为160mm，宽度为72mm，为了制动可靠，故钢带的宽度选为80mm，石棉带的宽度同样选为80mm，石棉带距离联轴器外径为2mm，厚度为5mm，钢带厚度为3mm. 石棉带采用铆钉铆接在制动钢带内侧，同时钢带和石棉带应该弯成半圆形，扣在联轴器凸缘上。因联轴器凸缘外径为160mm，为了使不制动时石棉带和联轴器不发生接触，故将制动钢带和石棉带弯曲成形后，取石棉带最内侧的半径为82mm.

4 起吊转向方案设计

在卷好一卷皮带后，要求装置能对卷好的皮带起吊，并能轻便地转向将其转运到矿车上，方便下次卷带作业。按800mm带宽计算，100m一卷皮带重约1.5t，要求起吊载荷按3t考虑，起吊和转向要求能够安全可靠地运行。

皮带卷好捆以后，为直径约1.2m、长约1.0m，重约1.5t的圆柱体。由人工将卷好的皮带捆卸下并转运，耗时耗力，并具有较大的危险性，故考虑设计将卷带捆起吊并转载装车的自动装置。可在起吊臂上设置一手动起吊葫芦，利用手动葫芦吊起卷带捆，然后转动起吊臂将卷带捆转向到轨道上的矿车上，再利用手动葫芦放下卷捆到矿车中。

由方案设计确定起吊转向组件下半部采取门框型结构，两个支腿用螺栓连接在机架下面的底盘上，两个支腿间用螺栓连接起吊横梁；上半部为起吊连接与转向以及起吊臂部分，起吊连接部分用螺栓连接在横梁上，转向部分上面连接起吊臂，起吊转向组件效果见图5.

1—起吊臂 2—起吊轴 3—门式横梁架图5 起吊转向机构图

根据机架高度和宽度，取起吊支腿高1.17m，为14号槽钢对口焊接而成；横梁长度是2m，由两个16号槽钢对口焊接而成。起吊连接部分用d219×10-760钢管外加筋板加工而成，主要起增加高度作用，两端采用螺栓连接。起吊转向部件为轴承配合组件。由于起吊转向组件工作时，轴同时受很大的轴向力和径向力，故采用两圆锥滚子轴承反装，使起吊轴轴颈能同时承受轴向力和径向力。起吊臂是连接重物和转向部分的部件，为14号槽钢对口焊接而成。

4.1 起吊臂的设计计算

起吊臂是直接工作手臂，在其上面挂葫芦起吊卷带捆。根据门型起吊架支腿在装置中的位置及卷带宽度确定起吊臂总长1 700mm，其中悬伸部分长1 330mm. 考虑到利用已有材料，起吊臂采用两个14号槽钢对口焊接而成，具体结构见图6.

图6 起吊臂结构示意图

下面对起吊臂进行强度验算。设卷带捆最大重量30kN，卷带捆悬挂位置离起吊臂连接中心距离为1.4m，则起吊臂最大弯矩Mmax为：

Mmax=F×l=30 000×1.4=42 000 (Nm)

(4)

由起吊臂截面尺寸，根据《机械设计实用手册》计算截面特性：

回转半径：

ix=0.44h=0.44×140=61.6 (mm)

(5)

总面积：

A总=2(21.316+16)=74.632 (mm2)

(6)

式中，起吊梁截面宽21.316mm，高16mm.

惯性矩：

(7)

按《材料力学》计算抗弯截面系数和最大弯曲应力为：

由起吊臂材料Q235，取许用应力[σ+1]=120MPa，σmax<[σ+1]，故强度满足。

4.2 起吊转向部分的设计计算

起吊转向部分为起吊轴颈用轴承支承在套筒内，套筒再用螺栓连接到下面的结构件，其中轴承选用圆锥滚子轴承32024. 起吊转向部分的结构见图7.

以下对起吊轴颈和轴承进行强度方面的计算校核。

起吊轴颈受力简图见图8.其中，轴向力Fa1=0，Fα2=Fa=20kN；径向力满足Fr×l=F×L=M，即：

图7 起吊转向部分结构图

图8 起吊轴颈受力简图

式中：

l—两圆锥滚子轴承的距离，mm，取150；

L—起吊臂的水平悬伸长，mm.

为减轻起吊轴轴颈重量，起吊轴轴颈采用空心轴，材料为45号钢，轴颈外径为120mm、内径尺寸为70mm. 根据受力图，轴颈强度按压弯组合计算：

<[σ+1]=195 MPa

(11)

因此，轴颈强度足够。

根据《机械设计实用手册》对圆锥滚子轴承(32024)进行强度验算。轴承当量静载荷为:

Por=X0Fr+Y0Fa

(12)

式中：

Por—当量静载荷，kN/m2；

X0—当量静载荷系数；

Fr—径向载荷，kN/m2；

Y0—当量静载荷系数；

Fa—轴向载荷，kN/m2.

轴承32024参数：X0=0.5，Y0=0.7,e=0.46，cy=242kN，cor=405kN

故Por=X0Fy+Y0Fa=0.5×187+0.7×20=107.5 (kN) 当Por

所以s0por=1.5×187=280.5 (kN)

(Coy=405kN)>(s0por=280.5kN)

Py=Fy=187 000 N=187 kN

(Cy=242 kN)>(Py=187 kN)

故轴承32024满足要求。

4.3 门式横梁架结构的强度计算

横梁架垂直方向受力见图9，各分力间满足：

图9 横梁架受力图

式中：

a—左支腿与起吊轴的间距，m，取0.365；

b—右支腿与起吊轴的间距，m，取1.165.

由此计算得Fa=15 229N，Fb=4 771N，弯矩图见图10. 最大弯矩为：

图10 横梁架弯矩图

横梁架所受扭矩：

Tmax=20 000×1.4=28 000 (Nm)

(15)

根据实际情况，起吊臂采用两个16号槽钢160×65×8.5(GB/T707-88)对口焊接而成。由《机械设计实用手册》计算截面特性：

16号槽钢参数：A0=25.162cm2

回转半径：ix=0.44h=0.44×160=70.4 (mm)

总面积：A=2×(25.162+16)=82.324 (cm2)

由横梁架材料是Q235钢，取许用应力[σ+1]=120MPa.根据《材料力学》，按第三强度理论校核计算：

97.4 (MPa)<[σ+1]

(16)

故横梁架结构满足强度方面的要求。

5 放带滚筒组件设计计算

组合式皮带自动收放装置应具有放带功能。在放带时，原卷带卷轴换成放带滚筒，放带滚筒上缠绕钢丝绳，钢丝绳的另一端连皮带捆，随着放带滚筒的转动，皮带便铺在了H架上。

放带滚筒直径选取要合适，直径过小，钢丝绳在缠绕时容易弯曲变形，严重时会折断，影响钢丝绳的使用寿命，也存在安全隐患；直径过大既没必要，也浪费材料。根据现场经验并参照《机械设计实用手册》，放带滚筒选用外径350mm.

根据安装空间及使用条件，初选档板外径800mm，又设钢丝绳长1 000m、外径16mm，则钢丝绳总体积为：

两挡板之间的体积为：

=278 850 369 (mm3)

(18)

6 结 论

本文描述了三维模型的建立过程，包括尺寸要求和材料使用；阐述了理论校核计算过程，保证了装置结构强度方面的可靠性，为有限元分析建立了基础。本文设计的皮带自动收放装置可实现卷带放带、起吊转向、导向、制动等功能，可在皮带输送机运输线H架的任一位置实现自动卷带功能，对减轻工人劳动强度，提高生产效率，减少安全隐患都具有重要意义。