高效多用卷带机设计与应用*

2023-12-12王洪宾杨永望

起重运输机械 2023年22期

王洪宾杨永望

国能黄骅港务有限责任公司沧州 061100

0 引言

带式输送机常用于散料连续输送领域，具有结构简单、高可靠性、高效率、经济性好等优点，被广泛应用于矿山、建材、食品、物流等行业。带式输送机规模化的应用在提升工业生产效率的同时也产生了输送带安装与回收的难题。研究表明，我国输送带年产量近年较为稳定，每年输送带年产量在5亿m2的水平上下小幅波动。每年我国都将有大量的输送带需要安装和回收。带式输送机输送带的安装及更换一直都是广大技术人员面临的重要问题，每台设备都面临着不同的安装环境和较难统一的方法，需要不同的维修工艺和更多设备投入。如何解决好输送带的安装和旧输送的回收问题，是制约企业生产运营效率和安全的技术关键之一，然而目前国内外适用的卷带装置均为固定式安装且多应用于井下环境，使用效率低、投资大、应用场景单一、运输困难安装环境苛刻，因此，需开发研制可移动的多用地面卷带机，开发高效环境友好的设备安装方法和输送带回收装置，实现新输送带的高效安装和废旧输送带无污染的定制回收。

有关卷带机的设计研究多围绕井下固定式安装和自行走换带装置展开，驱动系统多采用液压动力系统，对于适用于多场景多功能的高效卷带机公开发表的资料相对较少。研究早期，相关工作主要是对卷带机的工作原理、结构特点和操作方法进行总结。程常现[1]对包装印刷中料带复卷装置的张力控制原理进行了研究，为包装复卷设备的设计与选择提供了依据；黄雷等[2]比较分析了卷带机的优缺点，探讨了卷带机在井下的应用前景；李勇[3]总结了可伸缩带式输送机卷带机的现状和发展趋势；王道明等[4]采用仿真和试验的方法研究了卷带机驱动液压系统恒功率特性。近年来，对卷带机的研究多集中于动力系统控制和产品的改型研究方面。姚志功[5]基于井下多功能产运平台，设计了一种紧凑型大扭矩车载式卷带机；王渊[6]根据实际生产需求对顺槽带式输送机卷带机进行了设计和动力学分析，并开展了工业应用试验，显著降低了人员劳动强度。本文在以上研究的基础上，从卷带机原理和结构组成出发，重点了设计了电动机驱动的可重复利用卷轴装置，结合卷带机的特点，提出了多功能卷带机的结构；利用叉车的良好机动性能，设计了可配载叉车卷带机的挂钩装置和机架，为进一步拓展卷带机的应用场景提供新思路。

2 卷带机设计原理

卷带机系统由机架、卷轴、卷筒、定位挡圈、定位盘、控制系统和驱动装置等组成，组成结构如图1所示。卷带机采用机电一体化设计，可利用操作台或操作手柄控制卷带机的主卷轴的转动，使用操作手柄大幅减轻了现场操作人员的劳动强度，方便在现场使用，提升了维修效率和安全性。为了克服卷带机机动性差的弊端，采用在卷带机机架上设置叉车挂杆，通过安装在叉车上的挂钩挂接在卷带机挂杆上实现与叉车配载使用，充分利用叉车承载能力大和机动性好的优点实现卷带机的移动功能。卷轴基于可拆卸重复利用卷轴的设计思路，研制了可重复利用卷轴装置。卷轴的驱动装置应具有较大的负载能力，卷轴转速控制应具备调速功能，满足不同输送带带卷直径的安全卷制。传动系统应充分考虑操作的安全性。卷带机应具有丰富的功能扩展空间，满足多种柔性物体的卷收作业，同时应考虑对环境的友好性，避免造成环境污染。

图1 卷带机结构示意图

卷带机可固定位置使用也可挂载在叉车上使用，将卷筒安装在卷轴上后，输送带连接在卷筒上。启动卷带机后，卷轴开始沿固定转向牵引卷收输送带，当输送带卷制至固定直径时，将输送带截断，输送带连同卷筒一起拆除后，卷制完成的输送带卷放至固定位置，完成一次卷收作业。

3 卷带机设计

3.1 卷轴装置

卷轴装置包含卷轴和卷筒。卷轴是卷带机的核心组件，起着传递扭矩和承载输送带带卷质量的作用，既应拆卸方便又应具有足够的强度，卷轴结构如图2所示。卷轴一端通过销轴孔连接驱动装置，一端直接连接负载端。卷轴采用无缝厚壁管，厚壁管内部装入十字通长筋板并与厚壁管焊接，卷轴驱动侧设置有与卷筒安装定位用的插块，卷轴通过销轴孔与驱动装置连接，卷轴非驱动侧均匀布置2排定位锥孔，定位锥孔的数量和排布位置可根据卷制产品的特点灵活布置，卷筒一端安装有与卷轴上卷筒插块匹配的开孔，另一端卷轴可自由伸出，卷筒结构如图3所示，当卷筒安装在卷轴上后，将卷筒端部对入卷筒插块，卷筒插块的作用是保证卷筒与卷轴同步旋转。通过调整定位挡圈的位置，将挡圈顶在卷筒另一端部，定位挡圈上设计有螺纹孔，定位挡圈顶在卷筒端部后，将定位螺栓穿入定位挡圈上的对应螺纹孔，拧紧定位螺栓，使定位螺栓拧入定位锥孔内，将卷筒在卷轴上固定。

图2 卷轴结构示意图

图3 卷筒结构示意图

相邻定位锥孔的中心间距小于卷筒插块的长度，防止卷筒在卷轴上的轴向窜动掉出卷筒插块，定位挡圈能够锁紧卷筒的轴向窜动量不大于2个定位锥孔间距，保证卷轴的轴向力能够有效传递。卷轴内部装入十字筋板与厚壁圆管等长，可有效增强卷轴的结构抗弯强度，同时相比实心卷轴降低了卷轴自重，便于在输送带卷收完成后高效地拆卸卷轴。卷轴驱动端通过销轴插入连接卷带装置驱动侧，为固定端，使卷轴系统与卷带装置驱动端连接，卷轴另外一端放置在卷带机机架上的U形开口支撑处，采用旋转活动端的设计可实现卷轴在机架U形开口支撑处的自由转动，还可消减卷轴与卷带装置驱动减速器不同心对卷带机的影响，减少对卷带机驱动装置径向冲击载荷，延长设备使用寿命，方便卷轴的拆卸。

卷筒在卷轴上安装完成后，将卷轴系统装入卷带装置，插入销轴。启动卷带装置，当输送带卷收完成后停止卷带装置，拿出卷轴驱动侧的销轴，将卷收完成的输送带连同卷轴系统一同向U形开口立柱处移出，卷轴从卷筒中抽出装入新的卷筒，安装于卷带装置上后可进行新输送带的卷收，实现了卷轴的可重复利用。

3.2 机架和驱动装置

卷带机机架为焊接结构，其主要作用是支撑卷带机上的各种部件，固定卷轴主驱动装置。机架本身具有良好的稳定性和承载特性，可满足20 t输送带的承重。因卷带机本身无行走功能，为了满足现场的多点多应用场景的使用，设计开发出了可配载叉车使用的卷带机机架。机架底部平台放置在货叉上，通过安装在叉车货架两侧的挂钩锚固在卷带机机架挂杆上，如图4所示，实现卷带机与叉车的稳固连接，从而可以利用叉车良好的机动性能实现卷带机的自由移动卷制。卷制完成的输送带可由叉车连同卷带机一起直接倒短运输，丰富了输送带安装与运输的方法，减少了维修资源的占用。

图4 叉车连接挂件实物图

驱动装置采用蜗杆蜗轮减速传动，充分利用涡轮蜗杆减速器结构紧凑、传动效率高、承载能力强、运行稳定可靠的优点，实现大传动扭矩输出，并通过蜗轮蜗杆减速器的良好自锁性能，防止输送带带卷的倒转。驱动装置可以实现正、反双向旋转输出，主卷轴驱动电动机通过变频器控制实现卷轴转速的调节，可以提供多挡转速供操作人员选择，在卷带机启动卷带初始阶段采用较高转速控制卷轴进行输送带卷收，在输送带带卷直径变大后，采用较低转速进行输送带卷收，避免出现输送带卷制过程中，随着带卷直径变大带卷线速度越来越大的弊端。驱动电动机下方设计有电缆卷盘箱，可存放50 m电缆，满足配载叉车在50 m半径范围内对输送带移动卷收作业时的卷带机供电需求。

3.3 卷带机性能参数

卷带机整机占用空间小，整体空间结构尺寸3 400 mm×2 500 mm×2 000 mm（长×宽×高），可搭载于多种型号的叉车上使用。卷带机采用可重复利用卷轴设计，每卷制一次输送带需消耗一个卷筒，通过调节定位挡圈的位置可以实现对不同带宽输送带的卷收，输送带带宽的卷制适用范围为0～2 400 mm，卷轴可以反复使用。在卷轴上安装不同形式的卷筒还可实现对钢丝绳、线绳、电缆等柔性件的卷制，实现一机多用的多功能应用。驱动装置采用蜗轮蜗杆减速器，具有防倒转的性能特点，特别对于倾斜带式输送机输送带的牵引卷收具有较高的安全性。卷带机一次性输送带卷收长度最大为250 m，最大牵引力输出可达80 kN，可与叉车配载使用，实现户外作业灵活移动，较之国内外同类型产品，新型卷带机具有移动灵活、结构简单、整机强度高、操作简便、输出扭矩大、无污染、能耗低、维护成本低的特点。

卷带机的适用场景多样，不仅可用于井下、地面和高架带式输送机，对大型筒仓顶部廊道内带式输送机的输送带安装与回收也能发挥关键作用，特别是对于地面铺开输送带的回收，可搭载在叉车上实现灵活卷收和直接运输，减少了路面流动机械的使用，为工程技术人员提供了较大的维修方案选择空间。

4 应用效果

卷带机系统研发后在某港口推广应用，如图5所示，研制开发了3套不同能力的卷带机，近5年年均卷制输送带长度近20 000 m，使该港口对带式输送机输送带的安装与回收作业模式发生了本质变化，取得了良好的工程示范应用效果。主要表现在以下方面：

图5 卷带机实物图

1）提高带式输送机输送带安装与回收效率30%以上，大幅减少设备停机时间和人工消耗，促进港口行业带式输送机安装由传统依赖人工的模式到逐步实现自动化、数字化、智能化。

2）应用场景广泛，对传统固定式安装卷带机形成了技术升级。卷带机不仅可以独立固定式使用，还可以配载叉车实现对输送带的移动卷收。对于高架带式输送机，可以将卷带机安放带式输送机在中间架上，作为牵引机在完成对新输送带的牵引的同时，完成对旧输送带的卷收，实现卷牵同步进行。改变了大型散货港口人工定尺剪断输送带，吊车在平板车上折叠平铺输送带，人工卸车输送带的人工生产方式，有效改变了港区短输送带乱堆乱放的现象，形成了成卷定制定工位摆放废旧输送带的新方式。

3）卷带机系统功能具有充足的性能扩展空间。设备具有较大的输送带带宽卷制适用范围，可根据作业对象的不同，设计安装不同形式的卷筒，还可以实现对钢丝绳、线绳、电缆等柔性件的卷制，实现一机多用的多功能应用。