矿用胶带输送机滚筒压裂原因与改进

邓 鑫

（山西焦煤集团霍州煤电鑫钜煤机装备制造有限责任公司研究所， 山西 霍州 031400）

引言

胶带输送机承担着煤矿井下运煤系统的主要作业。由于其本身运输能力大，环境适应性广，后期维护技术度低，已逐渐在煤矿井下普及。然而受井下工况条件制约和环境影响，大部分胶带输送机滚筒工作2～3年后都会出现不同程度的形变[1]。若不及时修复，轻则引起跑偏落煤损失，重则导致皮带撕断、滚筒压裂等事故。因此，从设计角度深入分析避免滚筒断裂原因，提前采取预防性措施是非常必要的。

1 研究背景

1.1 滚筒结构

胶带输送机滚筒结构如图1所示。

如图1，胶带输送机滚筒主要包括胀套、幅板、轮毂、加强环、筒体和主轴等部件。目前煤矿井下胶带输送机滚筒主要为钢板打卷烧焊的铸焊滚筒和焊接滚筒，材质较硬，皮带滚筒之所以变形压裂，主要是幅板、轮毂和加强环等结构部件发生不同程度的形变，以及主轴发生径向偏移所导致。

1.2 工作原理

井下胶带输送机滚筒主要为传动滚筒、变向滚筒，两者都是依靠摩擦力传递牵引力或改变方向。以传动滚筒为例，工作时通过主轴与接盘相互连接，接盘再向主轴传递径向驱动力，并通过主轴转动使滚筒面转动，使胶带输送机启动运行。

2 受力分析

胶带输送机运行时，其滚筒轴向应力分布和径向应力分布如图2[2]所示。

图2 胶带输送机滚筒轴向、径向应力分布图

图中 ：A为滚筒，B为胶带，d为法线，x为水平线，Sy为滚筒与胶带相遇点张力，N；S1为滚筒与胶带分离点张力，N；S为筒面与胶带摩擦力，N；S-dS为最大受力点的张力差，N；φ为转动角度，rad；N为水平压力，N；μ为动摩擦系数。

如图2所示，胶带输送机为理想状态下的挠性体，弯曲应力恒定；滚筒在理想状态运行时，胶带所受的重力和离心力忽略不计，此时滚筒主要受到三个力的作用：即胶带张紧时所受到上方的正压力、与运动方向相反的动摩擦力和使滚筒运转的牵引力，其中牵引力的大小与正压力的大小呈正向分布，此时滚筒轴向应力的最远点即为应力集中区，即滚筒外围最边缘部分受到的形变最大。因此在胶带输送机转速一定时，通过增加牵引力的方式来提高皮带运行效率，势必会使胶带速度增大，正上方压力急剧增加，作用在滚筒上的扭矩也急剧增加，其变化程度服从正向分布。

3 压裂分析及措施

3.1 压裂分析

胶带输送机受长期压力影响，滚筒整体发生形变压裂，例如焊点断裂、幅板轴向断裂或径向断裂，原因如下：

1）胶带输送机启动时张力最大，涨紧力与驱动力成正比，导致滚筒所受压力短时间内迅速增加，同时滚筒启动时转加速度达到最大值，导致滚筒上扭矩瞬时变大，进而导致滚筒变形，引起压裂；

2）滚筒因本身钢材质量问题或设计问题；

3）焊后处理存在缺陷，导致滚筒整体抗拉能力不足，往往在焊缝处压力集中，出现压裂。

3.2 处理措施

1）严格把握设计关，规范滚筒型式设计。以目前井下在用的某型号胶带输送机为例，其滚筒设计图和规格参数及对应代号含义如图3、表1[3]所示，可作为设计参考。

图3 胶带输送机设计图

表1 胶带输送机（筒距500～1400）尺寸设计对照表

2）选用合格优质钢材，保证滚筒铸造质量。

3）创新滚筒支撑设计，比如增加滚筒设计厚度，在滚筒侧沿滚筒轴向设置加强肋，提高整体支撑强度。

4）加强现场维护和后期保养，选择原厂备品配件。

5）严格定期检修。

4 改进试验

根据以上参数重新进行设计，并进行井下调试试验。井下现场连续空载运行48 h，负载运行24 h，测试及连续运行结果表明：皮带机各部件运行正常，系统各类信号传输正常，达到技术指标和参数要求。运行过程中滚筒各测点应力参数与验证结果吻合；物料相对皮带无相对运动，起动制动平稳，重载起车未发生滑料现象。胶带在允许范围内对中运行，运行噪声值75 dB，负载运行时，滚筒未发现明显形变，所有滚筒部件探伤无损坏，托辊及滚筒旋转灵活。

5 结语

研究滚筒的基本结构，深入分析各区域各部件应力情况，明确了滚筒面在负荷运转时的应力分布和防范重点，得出最佳的工况参数，重新设计并进行了地面及井下实验，现场试验与研究结果吻合；同时提出了滚筒设计方面的处理措施，通过规范滚筒型式设计、选用合格优质钢材、创新滚筒支撑设计、加强现场维护和后期保养、定期检修等方法，从多方面防范滚筒压裂事故，提高矿井设备技术能力。