矿用履带式移动皮带输送机设计与应用研究

余 旦，袁怡琳，付 凯，王 兵

（南昌矿山机械有限公司，江西 南昌 330000）

随着我国重工业的快速发展以及现代化、智能化建设的不断推进，促进了我国矿山开采设备的革新，逐渐使其向连续化、液压化和智能化方向不断转变。矿山资源的开采工艺类型较多，一般可分为连续化开采工作、半连续化开采工艺和间断开采工艺，我姑以后者为主，不仅对资源浪费较为严重，而且对生态环境影响较大[1]。在“绿色矿山”背景下，以连续性开采工艺为主的环保型开采技术是今后发展的主要方向，该工艺多配以移动式皮带运输机，不仅提高了运输能力，而且有效的减少了车辆运输等造成的环境污染。鉴于此，本文以矿用履带式移动皮带输送机为例，分析该设备的设计及应用，为提高矿山企业效益奠定基础。

1 设备设计基本原则

矿山企业的开发与利用不仅仅是单一的开采模式，其开采模式是随着矿产资源利用现状而改变的，即矿山开采工艺并非是单一的连续开采工艺模式[2]。因此，在履带式移动皮带输送机设计中必须遵循以下几点原则：①矿用移动皮带不应该是简单的输送皮带，而是与矿山的整个连续化开采工艺是紧密结合的，因此，移动皮带与矿山地形、矿产资源开采方案等密切相关，所设计的履带式移动皮带必须满足矿山基本要求；②对于某一具体矿山来说，其开采规划设计也不尽相同，即在开采初期阶段皮带输送机无法工作，仅适用破碎机和装载机等就可完成相应的开采任务；此外，随着矿山资源的持续开采，所需的移动皮带长度逐渐增加，增加长度应结合矿山实际现状确定；③若矿山开采面已经形成了一定规模，此时采用两节移动皮带与移动破碎机通过转盘相连接的方案最有利于该类矿山，能够有效的提升履带式移动皮带的便捷性，进而提高矿产资源开发效率。综上所述，履带式移动皮带输送机的设计具有较高的目的性，应充分考虑矿山实际现状以及开采方案等综合而定。

2 矿用履带式移动皮带输送机设计及应用

2.1 桁架结构设计

桁架结构是矿用履带式移动皮带输送机的重要组成部分本文采用平面三角形空心管桁架结构组成，该桁架具有更高的稳定性能和经济性，该结构中的受压腹杆可采用空心管代替，不仅能够满足其受压特征，而且能够极大的节约材料和制作周期。同时，由于在矿石输送过程中容易使得弦杆产生均布载荷弯矩，因此，可以将弦杆末端和首段的桁架制作成向上倾斜的弦杆。桁架的高度、总跨度、载荷能力和最大形变等参数是影响皮带输送机运输能力的基础，若单纯的增加桁架高度，则对弦杆的载荷性能较小明显，同时显著的增加了腹杆的长度，不仅降低了运输能力，而且不经济，所以确定桁架高度时应充分结合矿山实际情况而定[3]。本次设计中将上弦杆与下弦杆作为桁架的整体主梁结构，将上弦杆与下弦杆之间的侧直腹杆连接在一起，作为桁架的侧架，将中部斜腹杆和中部直腹杆连接，构成桁架的两个侧架，并将其作为皮带回旋的隔离架，同时将下部斜腹杆和下部直腹杆连接在一起，构成桁架的另外两个侧架，并与中部的侧架腹杆共同组成框架结构。

为了有效分析本设计中桁架的力学性能，本文以Solidworks simulation三维软件为基础平台建立相应的有限元模型。在有限元模型中将桁架中的弦杆视为连续杆件，并且腹杆接在距弦杆中心线0m处。通过改变有限元模型中的弦杆与腹杆的横截面尺寸和壁厚等参数进行力学性能模拟。当有限元模型中分析结果区域稳定状态时，桁架的最大静态位移量约为102mm，此时对应桁架中空心管的尺寸为180mm×180mm×180mm（弦杆）和80mm×80mm×6mm（腹杆）。在矿石资源运输过程中，极易出现局部区域载荷过重的情况，即极有可能导致桁架结构连接位置的局部区域出现屈服形变，且形变量与转动能力对桁架的应力结构重新分布，此时可能导致桁架腹杆两端焊接缝处的应力变化较大而导致裂缝出现。虽然本次设计采用了Q345钢材，但焊接处裂缝问题仍然不容忽视，经过有限元模拟分析后，其材料腹杆四周的焊接尺寸也是腹杆壁厚的1.2倍左右时，能够有效的缓解桁架结构局部屈服而引起的应力重新分布所诱发的危害，此时焊接缝高达6mm～7mm，能够有效的提升焊接缝的有效性。

2.2 移动皮带输送机设计

传统的带式输送机是固定的带式输送机，是矿石物料输送系统的重要组成部分，具有较大的输送能力、结构简单、能耗低、维护简单的优势。其中，输送带在固定带式输送机中起牵引和承载作用；滚筒是输送机动力传递的主要部件；托辊主要用于支撑输送带和输送带上额物料，使其平稳运行；张紧装置使得输送带具有组构的张紧力，能够有效的防止输送带和滚筒不打滑。

本次设计过程中将固定型改为移动皮带输送机，此时需要综合考虑移动皮带输送机中的入料方式、卸料方式、位置以及输送机的布置形式等尺寸，其布置形式可分为凹弧输送、凸弧输送、倾斜输送、水平输送和混合曲线输送等[4]。本次设计在移动皮带输送机曲线段内，不设置给料装置和卸料装置，将给料装置设置在水平输送阶段，当在特殊条件下可将其设置在倾斜段；将卸料装置也设置在水平段。在设计时矿石物料的运输中输送皮带倾角应小于最大允许倾角。输送带的运行速度需要根据输送物料的特征以及输送带的宽度确定，根据有限元模型模拟分析得出，当带宽500mm时，若运输矿石物料为磨损性小的物料时，有限元模拟输送带速度为1.0m/s～2.5m/s；当运输矿石物料为磨损性中等的物料时，有限元模拟输送带速度为1.0m/s～2.0m/s；当运输矿石物料为磨损性较大的物料时，有限元模拟输送带速度为0.8m/s～1.6m/s；当带宽2000mm时，若运输矿石物料为磨损性小的物料时，有限元模拟输送带速度为2.0m/s～6.0m/s；当运输矿石物料为磨损性中等的物料时，有限元模拟输送带速度为2.0m/s～4.0m/s；当运输矿石物料为磨损性较大的物料时，有限元模拟输送带速度为2.0m/s～3.5m/s。

此外，对于输送带宽度的确定，应结合矿山开采方案，矿石物料特征、地形地貌等综合确定，在计算皮带宽度过程中应充分考虑矿石块度。当矿石块度较大时，则在给料点和卸料点容易出现堵塞现象。因此，一般需要结合皮带宽度和物料的块度校核，若根据计算获得的皮带宽度需要输送大块矿石物料时，此时可将皮带的带宽提高一级解决，若提高后仍然不满足实际需求，那么需要将矿石物料破碎处理后才能进行输送，否则将显著增加矿石输送成本，对矿山企业发展不利。本次对矿用履带式移动皮带输送机进行了改进设计，结果表明，该移动式皮带输送机的物料输送能力可达1470t/h，选择的输送带宽度为0.83m，传动滚筒直径为324mm，传动滚筒扭矩为1.8kNm，上托辊静荷载0.15kN，上托辊动荷载0.19kN，下托辊静荷载0.41kN和下托辊动荷载0.50kN，其参数满足矿山实际需求，说明本次改进设计是合理的。

2.3 矿山应用分析

虽然对矿用履带式移动皮带输送机的桁架结构和皮带输送机进行了改进设计，并在有限元模型的模拟分析中取得了良好的应用效果，其模拟数据完全满足矿山实际需求，但仍需经过实践检验才能确定改进设计的优越性。将改进后的矿用履带式移动皮带输送机应用于矿山生产中，其设计运输能力为1000t/h，在实际应用中达到了生产要求。同时改进设计后的桁架结构稳定性更好，对皮带起到了良好的支撑作用。此外，移动皮带输送机的输送系统达到了预期的设计，满足了矿山实际需求，通过设备采购对比显示，使用该设备能够降低设备采购费用约600万元，设备运行成本降低约550万元，显著的提高了矿山企业的实际经济效益，说明本次改进设计是合理的。

3 结语

综上所述，矿山开采工艺以及矿石物料特征等对矿用履带式移动皮带输送机设计影响较大，是确定输送机各个零部件参数的重要计算指标，对改进设计意义重大。本文通过某矿山实例，在有限元模型模拟分析的基础上着重对其进行了改进，认为桁架中空心管的尺寸为180mm×180mm×180mm（弦杆）和80mm×80mm×6mm（腹杆），焊接缝为6mm～7mm时能够有效的提升桁架稳定性，改进后的设计生产力为1000t/h，在矿山实践应用中取得了良好的应用效果。