装船机悬臂皮带机张紧系统的优化改造

黄文俊

（国家能源集团黄骅港务有限责任公司，河北 沧州 061113）

0 引言

装船机作为大型港口散料装船设备，在物料装卸过程中发挥重要作用。装船机悬臂皮带机物料传输的效率直接决定了装船机的效能。当前，装船机运行面临悬臂打滑故障频发需要限量作业、机械张紧形式操作困难、维护费时费力等问题，导致装船机难以发挥实际设计能力。因此，改进张紧系统结构，找出一套校核皮带张紧力的方法、皮带打滑真正原因，制定科学合理的维护策略，提升设备安全可靠性和作业效率，显得尤为重要。

皮带机张紧系统分为固定式、恒力式和自动式等三种结构形式，广泛应用于港口皮带机部位。以某港装船机为例，装船机悬皮采用固定式张紧系统，在实际使用中发现，存在导轨上方无遮挡易积煤、滑道卡滞易造成张紧力误判断、液压千斤顶调整张紧精度差、操作困难以及维护费时费力等系列问题。同时还存在装船机俯仰角度高于6°（正常范围±12°以内）的情况，导致悬皮打滑故障停机，需要限量作业，对安全高效运行造成一定影响。

1 悬臂皮带机张紧系统优化改造

1.1 皮带机张紧系统原理分析和优缺点对比

皮带机张紧系统原理为对张紧滚筒施加张紧力，确保皮带与张紧滚筒保持合理的正压力，确保皮带与张紧滚筒不会出现相对滑动，造成打滑故障。根据张紧形式的不同特点，分为固定式张紧系统、重锤式张紧系统和自动式张紧装置。固定式张紧装置的张紧滚筒通过千斤顶或者液压油缸顶升张紧滚筒顶升点，调整张紧滚筒位置，从而对皮带张紧力进行调整。重锤式张紧装置通过张紧滚筒下方设置配重，通过配重的重力恒定皮带张紧力。自动式张紧装置通过在张紧滚筒增加自动拉紧装置，能根据不同的工况自动调整张紧力，并能响应应皮带机松紧度的变化。三种张紧形式优缺点对比见表1。

表1 固定式、重锤式和自动式张紧形式优缺点对比

1.2 皮带机张紧系统优化设计

基于装船机悬皮特点，通过带压力反馈的液压系统设计，将原有固定式张紧形式改造为自动式张紧，通过增加机械防护和润滑解决滑道锈蚀、卡滞等问题。液压缸活塞杆与张紧滚筒相连，通过电动泵、电磁换向阀和压力检测开关控制液压缸伸缩，带动张紧滚筒沿导轨位移，根据油缸无杆腔压力开关数值反馈来控制电磁阀的开闭，起到自动调整悬皮张紧力的作用。

该设计具有以下优点：1）采用液压，根据装船机臂架升降角度范围（-10°～89°）合理布置液压系统液压站和液压管路，使液压站、液压缸之间连接的液压管路不用拆除，可以适应臂架各种工作角度。2）设计新型张紧液压系统，此系统能实现通过操作按钮（或者旋钮）控制液压系统自动调整张紧，实现液压油缸伸缩，并且能单独控制单个液压缸伸缩动作。在新液压系统上设置高压报警信号，当系统压力高于设定值时，自动报警停止打压。此外，新系统上再加一套紧急手动打压装置，当自动系统出现故障时，可用手动打压装置打压。3）张紧液压缸上合理设计挡煤装置，避免悬皮洒落煤积在液压缸活塞杆和导轨上，影响张紧滚筒的移动。

工作原理如图1所示，液压站设置为封闭式油箱，空气滤清器与外界联通，确保液压站满足臂架升降角度范围，不会出现液压油外溢的问题。调整张紧信号触发时，齿轮泵先开始工作，先导溢流阀得电，齿轮泵卸荷状态。当收到张紧力增大调整指令时，先导溢流阀得电，电磁换向阀得电处于交叉机能。液压油经过滤器过滤后，由齿轮泵吸入，先经过单向阀、电磁换向阀，后经过液压锁、分流阀、截止阀，到达液压缸无杆腔。无杆腔压力不断上升，推动液压缸缸杆伸出，进而推动张紧滚筒移动，达到调节张紧力的效果。当无杆腔压力开关达到设定值时，电磁换向阀回到中位，液压锁对油缸进行锁定，皮带张紧力调整完毕。

图1 张紧系统液压原理图和元件图

1.3 皮带机张紧系统施工和调试

用两套10T导链将张紧滚筒固定，使原有机械张紧装置的固定座及锁母松动。拆下原有张紧丝杠顶端销轴和固定尾座，将原有张紧支撑座调整到最大位置，并固定。将油缸头部法兰固定到支撑梁上，同时支撑梁上焊接安装与油缸头部法兰配对的固定丝接法兰，并将支撑梁结构安装筋板加固。将新的张紧油缸穿过张紧固定尾座，与滚筒连接，安装销轴及机械锁母。调整张紧固定座，保证油缸动作时油缸头部与接触面平稳接触，并将头部法兰与固定丝接法兰连接。调整好油缸行程后将油缸固定锁母在固定座前后锁紧，涂抹快干金色硬膜防锈油K2002。

将液压站固定到指定位置，前提是不影响正常的作业和日常的维修工作，便于日常维护。液压站安装在臂架上方，便于操作和维护，液压站底座焊接固定。

安装前先用海绵清洗枪将管道内壁吹扫，管端采用挤压成型方式密封。钢管用TP316L精拔管，内部经过酸洗、钝化。管路冷弯后用海绵子弹清洗内部灰尘，白色海绵弹射出后无变色为合格。

电控柜固定后，箱体开孔与液压站内电气设备接线，开孔处安装格兰头，电缆用包塑软管保护。电动调试液压站使油泵正转、输出压力达到设计值，反复动作油缸，达到无泄漏、油位、油温正常的效果。断电后调试手动功能，达到手压泵动作无卡阻、油缸动作正常的效果。

2 悬皮张紧力核算

针对皮带机设计核算，逐点张力法与简易计算法相比，具有计算结果较精确的特点。根据以上故障表现，采用逐点张力法对悬皮输送能力、电机功率和皮带张紧力进行计算校核。

2.1 核算输送能力

初始设计参数如下。物料为煤，密度为850kg/m～950kg/m。计算输送能力取850kg/m。核定效率取950kg/m。带宽=2200mm，皮速=4.97m/s，上托辊间距=1m，下间距2.15m，皮带长度=44.85m，导料槽长9.9m，宽1.7m，电机功率=160kW，双驱。液压千斤顶压强6.5MPa。

按照六号装船机在俯仰最高角度14°作业计算如公式（1）所示。

式中：为输送能力；为最大截面系数，取0.61m；为带速，取4.97m/s；为倾斜系数，取0.91；为物料密度，取850kg/m。计算结果为=9091.5t/h＞6700t/h，输送能力符合要求。

2.2 核算电机功率

按照六号装船机在俯仰9°、通过量6000t/h作业计算圆周力如公式（2）所示。

式中：为圆周力；为装料系数，取1.0.为主要阻力，取4670N；为倾斜阻力，取23058N；为特种阻力，取6825N；为附加阻力，取12483N。

计算结果为=47036N。

电机传动轴功率计算如公式（3）所示。

式中：为驱动滚筒轴功率；为驱动滚筒圆周力，取47036N；为带速，取4.97m/s。

计算结果为=233.7kW。

电机功率计算如公式（4）。

式中：为电机功率；为传动滚筒轴功率；为总功率因数，取0.88。

计算结果为=278.9kW<320kW。电机功率符合要求。

2.3 核算悬皮张力

装船机悬皮受力分析见图2。

图2 装船机悬皮受力分析

按照六号装船机在俯仰9°、通过量6000t/h作业情况下计算输送带最小张力满足以下条件。

承载分支如公式（5）。

式中：为承载分支间距，取1m；为每米长度上胶带质量，取32kg/m；为每米长度上物料质量，取335.35kg/m；g为重力加速度，取9.8m/s；（/）为输送带许用最大下垂度，取0.01。

计算结果为≥45000N。

非承载段分支如公式（6）。

式中：为回程分支间距，取2.15m；为每米长度上胶带质量，取32kg/m。

计算结果为≥8232N。

按照不打滑条件，应满足条件如公式（7）。

式中：为输送带满载出现的最大圆周力，一般取1.5，即70554N；为尤拉系数，取3。

计算结果为≥35277N。

故驱动滚筒远离点输送带张力取45000N。

根据逐点张力法对其他各点张力进行计算。

抛料滚筒1处皮带张力如公式（8）。

式中：为每米长度上托辊转动部分质量，取59.55kg/m；为皮带机倾角，取9°；为模拟摩擦因数，取0.022；为输送带长度，取44.85m；为托辊前倾摩擦阻力，取840N；为输送带与清扫器摩擦阻力，取2384N；为加料段物料惯性阻力，取8283N。

计算结果为=85850N。

同理计算各点张力值。

为阻力系数，取1.02。

张紧滚筒单边张紧力=（+）/2=100205N

液压千斤顶压强如公式（9）。

式中：为无杆腔截面积，取0.0123m。计算结果为=8.15MPa>6.5MPa。

综上可得，悬皮实际张紧力不足，导致悬皮出现打滑故障停机。

2.4 核算输送带层数

稳定工况下，输送带最大张力为==100205N

输送带层数如公式（10）。

式中：为安全系数，取12；为带宽，取2000mm，为单层皮带强度，取200kg/cm。计算结果为=2.7<5。输送带层数符合要求。

2.5 计算结论

某港六号装船机在俯仰正常角度范围内出现限量问题，根本原因在于皮带张紧力不足。

3 实践应用

现场实践，某港六号装船机悬皮张紧由固定式改造为自动式张紧形式后，皮带两侧张紧力可以同步调整到预定值，单人短时间内即可操作完成，降低了工人的劳动强度。悬皮张紧力由6.5MPa调整到10MPa后，在臂架俯仰9°以内，在6000t/h正常的作业流量下，各部件运行正常平稳，未出现悬皮打滑停机故障，提高了张紧系统的可靠度和作业效率。考虑到新皮带运行初期会有较大延伸性，新皮带更换完毕后，须限量80%运行，待运行48h后再次对皮带张力调整到设计值即可正常作业。每年11月中旬，将皮带张紧力重新调整到10MPa。

4 结论

该文通过对比不同张紧系统的原理和优缺点，创新提出了适用装船机悬皮的液压张紧系统改造方案和基于逐点张力法核算装船机悬臂皮带张紧力的方法，找出了悬皮打滑的实际原因，在某公司六号装船机成功推广应用，为科学合理调整悬皮张紧力提供了理论支撑，对装船机皮带机张紧系统设计优化研究、作业效率提升提供一定的借鉴参考。现有研究方法存在局限性，未考虑重载启动的情况，有待下一步研究。