带式输送机下平行增强托辊支架结构改进分析

李文军

（山西煤炭运销集团太原有限公司， 山西 太原 030000）

引言

带式输送机属于煤炭运输常用设备，利用上皮带运行时对物料的摩擦力运输物料，结构简单，性能稳定，可实现长距离运输，方便上料和卸料。输送带由上托辊组和下托辊组支撑，托辊与皮带之间属于滚动摩擦，可有效保证皮带的使用寿命。下托辊组主要支撑回程皮带，托辊间距要满足皮带垂度要求。如果下托辊架强度不足或结构形式不合理，会引发一系列问题。因此，设计时下托辊支架的强度及机构结构形式也是需要重视的问题[1]。

1 下平行增强托辊支架存在的问题

现场使用的皮带机下平行增强托辊支架横梁与托辊之间的距离太小，容易积煤，积煤的存在会严重磨损下托辊棍壳，降低托辊使用寿命，冬季气温降到零度以下时积煤结冰，下托辊回转阻力增大，发热严重，甚至会导致托辊卡死或托辊断裂。破损后的托辊如果不能及时发现，会割伤输送带，造成输送带突然撕裂发生重大安全事故，引起严重经济损失。为了提高下托辊的使用寿命，提高皮带运行时的安全性，需要对现场使用的下平行增强托辊支架进行改造设计[2]。

2 下平行增强托辊支架改造设计

针对上述下平行增强托辊架积煤的问题，对下托辊架进行两方面的优化设计，一方面是尽量减少煤尘在下托辊支架横梁上的堆积，尽量选用不满足煤粉堆积的型材，降低积煤概率。另一方面增加下托辊支架横梁与托辊外表面之间的距离，避免由于湿度的影响造成积煤磨损下托辊，间隙的增大也有利于检修人员清理。

相同物料静休止角大于动休止角，由于港口运煤时皮带上泥煤最难清除干净，加上泥煤的动安息角为40°，静安息角为45°，容易产生堆积。为了避免泥煤的的堆积，初步选用100×100×10的角钢作为横梁替换原来的100×6方管。同时将横梁下移，使横梁与托辊外表面之间的距离由30.5 mm增加94.0 mm，角钢的两边与竖直面呈45°放置[3]。

2.1 回程托辊静载计算

根据带式输送机设计手册可知，回程托辊静载Pu计算公式为：

式中：e为辊子载荷系数，与托辊形式有关，两节棍取0.63；g为重力加速度，取9.8 N/kg；qB为每米长输送带质量，取72 kg/m；au为回程分支托辊间距，取3 m。将数值带入式（1）可得回程分支托辊静载荷Pu=1 333.6 N。

2.2 回程分支托辊动载计算

式中：fs为运行系数，fa为工况系数，该输送机每天运行10～12 h，查表可得，fs=1.1；fa=1。将数据带入公式（2）中可得到回程分支托辊动载荷Pu'=1 466.9 N。

2.3 托辊架横梁弯曲应力计算

由托辊组的结构形式可知，每个托辊架含有两件托辊，托辊架通过两端连接座安装在皮带机中间架上。托辊架上一共4个受力点，每个受力点压力近似相等，单个受力点受到的压力F=Pu'/4=366.7 N。由于托辊架上外侧支撑点靠近皮带机中间架，可认为外侧两受力点压力对托辊架不产生弯矩作用，托辊架中间两支撑点下方悬空，对托辊架横梁产生弯矩作用。下托辊架的两端与皮带机中间架之间是螺栓连接，属于超静定结构。为了简化计算，把托辊架看作简支梁进行计算，一段看作固定铰支座，另一端看作是滑动铰支座，这样产生的弯矩比实际值要大，得到的应力值偏大，偏大的应力值如果不超过许用应力，可认为优化的机构强度符合要求[4]。式中：Mmax为托辊压力产生的弯矩，N·m；F为托辊架支点处受到的压力，N，F=366.7 N；a为中间支点到托辊架两端连接座的距离，m。

根据托辊架几何尺寸得到a=1.108 m，将数值带入公式（3）得到托辊架横梁受到的弯矩Mmax=406.3 N·m[5]。

由材料力学可知，材料的最大正应力出现在承受弯矩最大的截面上，与中性轴的距离成正比，在距离中性轴最远处出现应力最大值。相对于中性轴，一侧材料被拉伸，一侧材料被压缩。根据弯曲应力公式

式中：Iyo为截面惯性距，m4；ymax为在弯矩最大截面上离中性轴最远的距离，m。

角钢下方材料被拉伸，上方材料被压缩，由于选用的材料为Q235-A，属于碳素结构钢，具有良好的塑形，因此抗压性能良好。分析其强度时一般考察其最大拉应力。经查阅相关资料确定100×100×10角钢 ymax=3.62×10-2m。Iyo=7.435×10-7m4，将数据带入公式（4），得到横梁下方材料受到的最大拉应力σmax=19.8 MPa，下托辊架的受力波动不大，可认为受力恒定。一般取需用应力值为215 MPa。因此，优化后的结构在强度上符合使用要求。

3 使用效果分析

更改后的横梁，有效降低了积煤的堆积，横梁与托辊的间距也显著增大，取得了良好的使用效果，主要表现在：

1）物料堆积角度的破坏及托辊下方间隙的加大有效避免了积煤对托辊的磨损，使下托辊使用寿命延长2～3倍。节约大量托辊备件，降低托辊更换工时。一台带宽2 m的皮带机可节省备件费10多万元。

2）托辊下方间隙的增大，降低了工人清扫托辊架积煤的难度，同时可延长清扫间隔时间，节约成本。

3）改进后的下平行增强托辊架结构合理，维护方便，有效避免煤料的堆积，延长了托辊的使用寿命，降低了运行成本。