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一种新型带式输送机用逆止托辊的研制与应用


一种新型带式输送机用逆止托辊的研制与应用

前言
带式输送机是输送能力最大的连续输送机械之一。其机构简单、运行平稳、运转可靠、 能耗低、对环境污染小、便于集中控制和实现自动化、管理维护方便,在连续装在条件下可 实现连续运输。 随着煤炭井下开采的不断加大,井下长距离、大倾角、大运量的带式输送机应用越来越 来广泛,有的带式输送机倾角已超过 30°,当大倾角带式输送机由于各种原因重载停车时, 系统出现逆转趋势是必然的。传统的带式输送机防逆止的方法一般为在输送机的驱动单元, 即减速机的高速轴或低速轴的轴伸或驱动滚筒的轴伸上安装相应型号的逆止器。 然而逆止器 一旦失效,轻则造成物料下滑损坏设备,重则造成重大的人员伤亡。例如,1996 年内蒙古 赤峰市平庄矿务局红庙矿斜井二区主皮带机,2002 年辽宁省抚顺矿务局老虎台矿主机 13 号皮带机,2004 年江苏省大屯煤电集团徐庄煤矿斜井 2 号皮带等多条输送机均出现过由于 逆止器失效而造成的生产事故。

1 逆止托辊的结构设计与工作原理
该逆止托辊的逆止机构主要有外圈 1、滚珠 2、调节螺钉 3、弹簧 4、逆止楔块块 5、内圈 6 组成。逆止机构的内圈和托辊轴固定在一起,内圈与外圈之间有滚珠,滚珠由保持架固定, 外圈与辊皮固定且均匀的布置着楔块槽, 楔块槽外部开有螺纹, 通过螺钉可以调节弹簧对楔 块得压力,即调节托辊初始运转时的旋转阻力。

图 1 逆止机构剖视图 Fig.1 Backstop roller framework cutaway view

1.1 带式输送机正常运转 当带式输送机正常运转时,托辊如图 1 所示方向旋转时,逆止楔块的斜面与滚珠接触, 逆止楔块所受滚珠的压力 F、离心力和弹簧的阻力,

图 2.正常运转剖视图 Fig.2 normal operations cutaway view

故最上方逆止楔块受到向上的力为:,逆止楔块所受的运行阻力为:;两侧逆止楔块所 受的水平力为:, 逆止楔块所受的运行阻力为:; 最下侧逆止楔块所受的受到向下的力为:, 逆止楔块所受的运行阻力为:。 其中: ————为产生摩擦力的分力,N ————为下压逆止楔块的分力,N ————逆止楔块的质量,Kg ————逆止楔块的质心距托辊轴线的垂直距离,m ————逆止楔块的角速度,rad/s ————为弹簧刚度系数, ————为弹簧行程,m ———— 重力加速度, ———— 逆止楔块与外圈之间的摩擦力, 由以上分析可知, 最上侧的逆止楔块所受的运行阻力最大, 因此只需分析最上侧的逆止 楔块受力情况时, 逆止楔块向上运动且滚珠可绕保持架自转。 因此, 外圈及托辊可自由转动; 随着带速的增加,逆止楔块的角速度 ω 也变大,当时,逆止楔块所受的离心力大于弹簧对 逆止楔块的弹力。此时,逆止楔块完全回到楔块槽内,此时外圈在转动时不受逆止楔块所给 的阻力。 1.2 带式输送机逆止时 当带式输送机由于断电等其他各种原因停止工作时,输送机的皮带会在自身的重力和 物料的重力的作用下有下滑的趋势。布置逆止托辊后,逆止托辊最多旋转 1/4 周,就会形成 图 3 所示情况。与正常运转相类似,最下侧逆止楔块受力为,两侧逆止楔块受力为:,最 上侧逆止楔块受力为:。 其中: ————为产生摩擦力的分力,N ————为下压逆止楔块的分力,N ————逆止楔块的质量,Kg ————为弹簧刚度系数, ————为弹簧行程,m ———— 重力加速度, ———— 逆止楔块与外圈之间的摩擦力,
图 3 逆止剖视图 Fig.3 Backstop cutaway view

因此,只要 >,就可保证逆止楔块从楔块槽内完全伸出,从而使逆止楔块与滚珠楔紧。 由于滚珠通过保持架于内圈固定,而内圈与托辊轴固定,故托辊不能反向运转,从而起到反 向逆止的目的。

2 逆止托辊的受力分析
2.1 逆止托辊的载荷分析 逆止托辊和普通托辊一样,所受载荷可分为静载荷和动载荷两种。静载荷的计算主要考 虑传送物料和输送带自重对对托辊产生的正向压力, 在输送带转弯段还应考虑输送带输送带 张力的作用,特别是在凹凸弧段。上运带式输送机承载段布置的托辊组一般为三节,在倾角 大于等于 20°左右时,承载段一般为四节托辊组,目前计算多把中间的一节或两节托辊视为 受力最大的托辊。按物料的 70%和输送带自重的 40%计算,且两侧的托辊两个轴承的受力 不等,且有较大的轴向力。因此,逆止托辊应布置在托辊组中间的一节或两节,以保证逆止 托辊逆止性能和使用寿命。 托辊所受的动载荷是托辊实际选型中必须加以考虑的。托辊的动载荷是有多方面的因 素产生的,主要有:(1) 托辊辊皮偏心转动时产生的动载荷;(2) 托辊偏心转动与输送带互相 作用而产生的动载荷;(3) 输送带及物料运动时对托辊的冲击产生的动载荷;(4)输送带横向 弯曲振动拍打托辊产生的动载荷;(5)输送带张力变化对过渡段托辊,弯曲段托辊产生的动 载荷。逆止托辊对动载荷的要求更加严格,因此,逆止托辊在生产过程中一定要保证辊皮的 圆周度和辊皮, 托辊轴与逆止机构之间的同轴度要求; 逆止机构的外圈所开的楔块槽要均匀 布置,且考虑到外圈的强度和屈服应力,楔块槽一般取 2-4 个为宜。 2.2 逆止托辊的力学分析 由理论力学原理可知,带式输送机逆转时,上胶带与下胶带下滑力大小相等,力矩方 向相反,相互抵消。逆转只是上胶带上的载荷的下滑力所造成的。故在下滑时每个逆止托辊 所受皮带给予的下滑力为:

(1)
其中: ———— 重力加速度, ———— 两组逆止托辊之间的距离,m ———— 物料的线质量,kg/m ———— 输送带的线质量,kg/m ———— 托辊与输送带间的静摩擦系数 ———— 带式输送机的安装倾角 2.2.1 逆止楔块受的剪切应力 单个逆止楔块所承受的逆止力为: 其中:————单个逆止机构中逆止楔块的数量 则可求出逆止楔块所受的剪切应力为:

其中: D———— 逆止楔块的有效直径,m 根据,强度条件,进行逆止楔块的剪切强度核算。 2.2.2 外圈受的挤压应力 由于牛顿第三定律可知,与逆止楔块相接触部分的外圈所受的挤压力与逆止楔块所受 的逆止力在数值上大小相等,方向相反。故在计算时取也表示外圈所承受的挤压力。 逆止楔块相接触部分的外圈所受到的挤压应力为: 其中: ————楔块槽受挤压的有效直径,m ————楔块槽受挤压的有效高度,m 根据,强度条件,进行逆止楔块的挤压强度核算。 2.2.3 托辊轴所受的扭转应变: 由于逆止力是通过托辊轴传递到机架上的,因此对托辊轴的校核也是至关重要的。 在安装托辊时,托辊的两端固定,由于内圈和托辊轴固定,滚珠通过保持架于内圈相 对固定,因此托辊轴受到两对大小相等,方向相反的力矩。现取一端即一对力矩进行分析: 由圆周扭转平面假设可求出距圆心为处的且应变为: (a) 其中:————扭转角增量,rad ————长度增量, m 由剪切胡克定律知截面上距圆心为处的切应力为: (b) 其中,G 为材料的切变模量。 将(a)式代入(b)式可得: 由于扭矩为:, 将(c)式代入可得: (c)

(d) (c)式和(d)式联立可得距圆心为处的切应力为: 因为得最大值为 R,得托辊轴所受的最大切应力为: (e) 又转矩:, 其中,为滚珠质心到托辊轴线的距离;将代入(e)式得: 根据,强度条件,进行托辊轴的强度核算。

3 托辊的布置
在对逆止托辊的载荷分析时已经提到在同一托辊组中,应把逆止托辊布置在中间的一 节或两节。下面来讨论逆止托辊之间的间距: 在核算托辊间距时,一般有按轴承承载能力和等垂度原则两种核算方式,然后再综合 工程实际情况等各种条件进行考虑。

按轴承承载能力进行校核由: 其中: ————托辊组需用载荷, N ———— 物料的线质量,kg/m ———— 输送带的线质量,kg/m ———— 承载托辊间距, m ———— 输送机倾角, ————承载托辊组的旋转部分重量, kg 由上式不难得出:,可得出按轴承承载能力校核时的托辊最大间距。 按等垂度原则,输送带张力必须满足: 其中:————输送带张力, N ———— 物料的线质量,kg/m ———— 输送带的线质量,kg/m ———— 承载托辊间距, m ———— 输送机倾角, ————托辊间的需用垂度, =0.01~0.025,带速越大越小 由上式不难得出: 。 因为在托辊逆止时,输送带给托辊的下滑力和输送带的张力大小相等方向相反,因此 可有(1)式求出的最小值,进而求出按等垂度条件校核时托辊的最大间距。 根据工程实际情况,结合按两种校核方式所得到的最大托辊间距,综合考虑就可得出 托辊之间的合理间距。

4. 结语
该种逆止托辊克服了目前逆止托辊在倾角过大时容易失效和楔块式逆止器在加工和安 装时精度要求高的缺点。 将其应用在上运输送机上, 尤其是大倾角上运输送机上可有效的防 止带式输送机由于断电等各种原因造成的输送机逆转和由于断带造成的输送带下滑, 提高带 式输送机的安全生产水平。

参考文献 [1] 于岩 李维坚. 输送机械设计[M]. 徐州: [2] 林亚福 [3] 王战洲 [4] 孙可文 带式输送机托辊的设计[J]. 中国矿业大学出版社, 1998 起重运输机械, 2006,6: 8-10 煤, 1994,5:102-103

防止反转或断待下滑的单向托辊[J].

带式输送机的传动理论与设计计算[M]. 北京 煤炭工业出版社 1991

山东科技大学学生专利资助项目(2010A294)

作者简介: 作者简介:陈文海(1984- ),山东聊城人,山东科技大学机械电子工程学院在读研究生,机械电子工程 专业,研究方向为机电控制及生产过程自动化,电子邮箱:cwh8412@163.com.


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