采煤工作面带式输送机托辊结构的优化研究

2021-09-21李伟坤

机械管理开发 2021年8期

李伟坤

（晋能控股煤业集团虎龙沟煤业有限公司，山西朔州 038300）

引言

带式输送机作为综采工作面的主要运输设备，将朝着长距离、大运量以及高运速的方向发展。托辊作为带式输送机的主要承载结构，数据表明：托辊质量占整个设备质量的35%左右，制造成本占整机的30%，而且其负担了整机70%的工作阻力。托辊单个结构尺寸和整个的布置是影响整机重量和承载能力的关键。当托辊设计尺寸过大且布置相对紧密时，容易造成浪费，反之，容易出现承载力和强度不足[1]。为在设计阶段兼顾上述两方面的因素，需对带式输送机托辊的薄弱环节进行重点关注，并在保证强度和运输要求的基础上对托辊结构进行优化设计。本文将对采煤工作面带式输送机的托辊部件进行优化设计。

1 带式输送机的托辊结构

托辊为带式输送机的关键结构，其主要是减小整机的运行阻力并保证输送带的垂度，以满足相关技术要求，带式输送机托辊结构如图1 所示。

图1 带式输送机托辊结构示意图

带式输送机托辊轴主要采用Q235 冷拔钢制造而成。托辊壁常采用无缝钢管或焊接钢管，但是无缝钢管由于其本身壁厚不均匀容易加剧输送机的振动，一般采用焊接钢管居多。可采用的轴承座包括有冲压式和铸造式两种，其中铸造式轴承座由于其重量大、制造成本高，与其未来轻量化的发展趋势不符，一般采用冲压式轴轴承座居多。在初级阶段，托辊所采用的轴承以滚筒轴承为主，近年来随着研究的不断深入和研究成果的转化为带式输送机设计了专用轴承，其对应的运行阻力不仅低而且寿命长[2]。

对于托辊而言，主要参数包括托辊直径和间距。其中，托辊直径的确定与输送带的宽度、运行速度、实际生产中的静载荷和动载荷相关。本文所研究的带式输送机运输物料的粒度范围为0～100 mm，结合相关规范及标准要求其对应的运行、冲击以及工况系数均为1，也就是说带式输送机的静载荷和动载荷相等[3]。因此，只需考虑带式输送机的静载荷对托辊结构进行优化设计。

对于托辊间距而言，常结合经验对该参数进行选取，具体为：对于承载段，当所运输物料的松散密度大于1 600 kg/m3时，一般取托辊间距为1 m；反之，取托辊间距为1.2 m。对于回程段，一般取其间距为3 m。

2 托辊结构的优化

实践表明，带式输送机托辊出现问题部位主要是托辊壁的中间位置，具体表现为：托辊壁的变形过大进而失效，最终导致带式输送机输送带出现跑偏或导致输送带磨损严重等问题。因此，需对托辊结构进行优化以解决其变形过大的问题，从根本上降低托辊壁所承受的最大等效应力值。

托辊在对输送带的支撑效果可简化为如下页图2 所示的模型。

图2 托辊简化受力模型

如图2 所示，导致托辊中部出现断裂的主要原因在于其承载跨度较大。因此，本文采用在托辊中部焊接一个圆环以增强其强度，而且所焊接圆环的壁厚与托辊壁的厚度相等。为具体分析托辊焊接圆环的数量，在托辊中部位置焊接一个圆环，并对托辊壁的等效应力和位移变化进行仿真分析，仿真结果如图3 所示。

图3 托辊焊接一个圆环后仿真结果

如图3 所示，托辊中部焊接一个圆环后，其对应的最大等效应力由之前未焊接圆环的91.6 MPa 减小为41.7 MPa。其对应的托辊壁的最大位移由0.165 mm 减小为0.065 8 mm。总的来讲，在托辊中部焊接一个圆环后其对应的最大等效应力和位移均减小，即能够对托辊的径向跳动进行有效抑制，对托辊的横向激励振动也得到缓解，从而解决了托辊所造成的输送带跑偏的问题[4]。

采取同样思路，分别在托辊内部焊接2 个、3个、4 个以及5 个圆环，并对焊接圆环后托辊的最大等效应力和最大位移进行仿真研究。注意：所托辊内部所焊接的圆环均是均匀分布的。焊接不同数量圆环对应的最大等效应力和最大位移的仿真结果如表1 所示。

表1 焊接不同圆环数量对应的仿真结果

如表1 所示，随着托辊内部焊接圆环数量的增加，对应托辊所承受最大等效应力和最大位移均在减小，即随着焊接圆环数量的增加对应托辊的强度增加。但是，当托辊焊接数量增加时，对整机质量的影响较大，而且，当圆环数量大于2 个时，其对应托辊中部的等效应力减小量不是很明显；当圆环数量大于3 个，其对应托辊变形量减小不是很明显。

因此，综合焊接圆环对托辊强度和变形的改善情况和托辊质量的增加情况，在托辊内部均匀焊接两个圆环为最佳[5]。