抗冲击耐屈挠抗撕裂钢丝绳芯输送带的 研制及性能

闫山(鹤壁煤业运输带有限责任公司，河南 鹤壁 458000)

0 引言

在采矿、冶金等重工业生产中，钢丝绳芯输送带具有载量大的优势，能够通过将覆盖胶和骨架材料合理匹配延长输送带使用寿命，因此应用范围较广。但用于输送不规则、质硬且尖锐的物料，容易出现撕裂、纵向划破等问题，导致输送带无法继续使用，引发资源的严重浪费。研制抗冲击耐屈挠抗撕裂钢丝绳芯输送带，满足重工业对高性能输送带的使用需求。

1 钢丝绳芯输送带研制需求

某铁矿1 000 万吨/年开采工程在铁矿体开采期间，在深入地下100 m 位置遭遇了排岩系统输送带被刺穿和撕裂问题，给开矿作业进行带来了阻碍。按照矿石开采流程，将先通过破碎站破碎成直径不超300 mm小石块，然后通过输送带运输。分析输送带损坏原因可知，石块棱角较为尖锐，从破碎站下落至输送带的高度距离达到6 m，导致输送带承受较大冲击力，在拉伸强度不足、耐屈挠能力较弱的情况下，容易导致结构被撕裂。为解决问题，保证生产活动顺利进行，要求完成抗冲击、伸长率小、耐屈挠的输送带研制，避免输送带发生撕裂等损伤的同时，有效延长其使用寿命，满足尖锐小矿石的长距离、高效运送需求。

2 钢丝绳芯输送带的研制方案

2.1 骨架材料

从骨架材料来看，输送带可以划分为棉帆布、聚酯帆布、钢丝绳等多种，拥有耐油、阻燃、耐磨等不同性能[1]。根据输送带的研制需求，选用钢丝绳作为估价材料，按照材质可以划分为镀铜和镀锌两类。从使用寿命来看，需选用镀锌材质，外覆塑料避免生锈，满足长期使用需求。在普通的钢丝绳芯输送带中，仅在纵向上布置钢丝绳，横向缺少骨架结果，导致输送带受冲击后容易出现开裂问题。在横向设计增强体，从而形成抗撕裂层，达到改善输送带性能的目标。从增强体材料上来看，可以为钢丝绳或纤维线绳，前者能够提高横向拉伸强度，增加开裂阻力，后者则拥有良好弹性，能够改善结构抗冲击性能。在综合考量的基础上，选用孟钢合金材质的防撕裂线绳，编制成线圈形成抗撕裂层，达到同时提高输送带抗冲击性和抗撕裂性能的目标。

2.2 骨架结构

按照上述思路，能够形成由覆盖胶、线圈、钢丝绳和芯胶构成的骨架，输送带宽2 200±15 mm，长度达到14 400 mm，厚度在32.3～37.2 mm 之间，要求纵向拉伸强达到4 500 kN·m 以上。按照设计，选用Φ 8.8 mm钢丝绳，沿着宽度方向排列，间隔为16±1.5 mm。钢丝绳选用6×19 W+WSC 结构，在宽度方向上右交互捻，与左交互捻钢丝绳保持间隔排列，使结构张力保持均匀。选用Φ 0.18 mm 的线圈，采用6×7 W+WSC 结构，按照多环合围方式排列，形成长×宽为2 110 mm×315 mm的“回”字结构，确保各环线圈不会出现相互重叠问题，可以稳定传输信号，延长其使用寿命[2]。在覆盖胶和芯胶之间，需要每隔50 m 布置一个线圈。依靠埋设在输送带内部的线圈，能够辅助自动化监测装置实现输送带故障的精确定位。因为在输送带因受到外部冲击发生撕裂、损伤等异常的情况下，能够通过线圈信号中断情况进行精确定位，通过立即控制设备停机避免输送带受到更大损伤。在钢丝绳上、下，都设计有覆盖胶，厚度分别为15 mm 和10 mm，内部上、下分布芯胶，厚度均为4.8 mm。在带体中间，需要在钢丝绳间嵌入线圈，确认其天线与钢丝结构保持相互垂直。在二者之间，需要填充厚5 mm、宽6 mm、长15 mm的胶条，并将线圈放在胶条上面，主体位于相邻钢丝绳间，上部再次覆盖胶条，确保输送带在断裂时不会给线圈带来过多损伤。

2.3 覆盖胶研制

在覆盖胶研制方面，考虑到生产环境较差，覆盖胶需要承受较大冲击力，应达到高强、高弹、耐磨等性能要求，还要合理进行配方设计。不同于普通输送带，研制输送带表面覆盖层应达到DIN-X 等级，至少达到25 MPa 的拉伸强度，同时磨耗量不超120 mm3。结合聚合物磨损机理可知，主要因弹性变形和塑性变形发生磨损。选用标准天然橡胶NR 和丁苯橡胶SBR作为主体材料，前者拥有良好弹性、较高强度，并且便于加工，后者则带有较强耐屈挠、耐磨等性能，可以与其他材料较好混合。为进一步增强胶料拉伸性能，减少磨耗发生，需要添加补强剂。具体来讲，需要搭配使用炭黑和硅烷偶联剂，前者充分发挥补强作用，后者发挥架桥作用，确保主料和补强剂能够较好混合[3]。此外，需要选择低毒或无毒的抗老化、抗氧化和软化剂等辅助制剂，确保覆盖胶能够获得良好综合性能。其中，软化剂应以油类为主。因为橡胶极性较大，需要选用与之相近的增塑剂进行互溶，确保其不容易被油类抽出，在给胶料带来良好的加工性能的同时，适当降低胶料用量。在固化剂选用方面，使用古马隆树脂可以使胶料获得更强的黏性，同时不容易受油脂影响而析出，在硫化后可以使材料获得较强的拉伸强度。根据粒径结构、化学性质等各方面因素，合理确定材料类型和剂量，能够得到如表1 所示的材料配比。

表1 覆盖胶配比

从配制得到的胶料性能来看，按照相关技术标准在148 ℃的条件下进行材料物理性能30 min 测试，可知材料邵尔A 型硬度为62°，拉伸强度达到27.2 MPa，拉断时的伸长率达到555%。在148 ℃和96 h 下进行材料热空气老化性能测试，能够得到材料拉伸强度为27.2 MPa，拉断时的伸长率达到477%。在40 ℃条件下，材料拉伸率达到20%，臭氧体积分数达到1×10-4，材料能够成功通过臭氧老化测试，最终并未出现龟裂等缺陷，因此说明材料性能符合要求。

2.4 芯胶研制

在芯胶研制方面，可知其又被称之为粘合胶，应确保覆盖胶的橡胶和钢丝绳能够高强度粘合，确保形成的结构可以获得较高的抗冲击、抗撕裂等性能，达到延长输送带使用寿命的目标。现阶段，市面上多采用简单粘合体系，仅能对钢丝绳和橡胶进行静态粘合，在输送带使用期间则容易出现动态粘合性不足问题。经过多次屈挠后，将发生芯胶与钢丝绳剥离开来的情况，导致中空层的产生，最终引发输送带整体性能下降情况[4]。为解决这一问题，增强输送带的耐屈挠特性，需要采用钴盐粘合技术进行芯胶配制。依靠钴盐螯合键，可以起到促进橡胶材料和金属钢丝绳粘合的效果。但在实际设计芯胶配比时，应注意钴盐过多将加速橡胶材质老化，过少则无法取得理想粘合效果，需要通过反复试验确定用量。在粘合体系设计上，在使用钴盐的同时，需要同时使用白炭黑、间苯二酚-乙醛树脂等增强材料老化前后的粘合性。添加粘合剂，也可以提高材料粘合强度。芯胶主料依然为NR 和SBR，而采用天然橡胶进行硫化加工，要求达到较高定伸应力，通过适当增加硫磺用量增强材料的粘结强度。但使用NR 和SBR 只能完成少量硫磺溶解，因此要求硫磺用量不超2 份，以免出现喷霜问题，导致芯胶在硫化期间发生还原问题，出现粘合性能和力学性能下降情况。为此，还应选择不溶性硫磺增强橡胶和骨架的粘合情况。对促进剂进行选择，从粘合性、工艺安全等多方面进行考量，要求胶料在反应前深入钢丝之间，因此选用磺酰胺类促进剂，可以获得焦烧时间，后效性良好，取得良好促进效果。在补强剂选择上，考量到使用的橡胶并非结晶材料，需要进行补强填充，确保可以获得良好力学性能。而炭黑补强性较好，拥有较大比表面积，实际选择时应注意中超耐磨炭黑尽管拥有较好补强效果，但在混炼时受热将引发胶黏剂失效问题。而作为芯胶材料要求具备良好流动性，确保与钢丝绳紧密接触，产生大量交联键。选用高耐磨炭黑和白炭黑，依靠白炭黑表面氢键、羟基构成极性和非极性部分，可以同时增强补强和粘合性能。通过综合分析，能够得到芯胶配比，如表2 所示。

表2 芯胶配比

从芯胶性能来看，按照相关技术规范进行物理性能测试，能够得到邵尔A 型硬度为70°，材料的拉伸强度达到17.8 MPa，拉断时的伸长率达到470%。经过热空气老化性能测试，能够得到材料拉伸强度为16.0 MPa，拉断时的伸长率达到395%。此外，芯胶也能通过臭氧老化测试，各项性能指标均符合要求。

2.5 工艺方案

在研制的输送带产品生产方面，设计的工艺流程与普通输送带接近，需要先完成胶料配制，然后进行成型加工，最后完成硫化处理。在不同的生产工序，还要合理进行工艺选择，确保生成的产品综合性能良好。

首先，在胶料配制时，需选用密炼机进行混炼加工，确保各种材料能够均匀混合，得到性能稳定的胶料。胶料混炼效果直接影响输送带最终拉伸强度，混炼过程中应明确加料顺序，要求在完成补强剂填充后进行软化剂添加，避免导致其他填充剂、炭黑等材料出现结团不均情况。在覆盖胶混炼过程中，辊距应控制在0.5～1.0 mm 之间，温度在55～65 ℃范围。由于天然橡胶塑性在0.22～0.28 范围内，早期添加天然橡胶时应先将辊距调至2 mm，后续添加SBR、氧化锌、硬脂酸、防老剂和树脂材料时，可以逐渐缩小辊距。之后，依次添加炭黑、偶联剂、硫磺和促进剂等材料。经过6～8 遍加工后，将辊距调至3～4 mm，能够完成胶片制备。为保证覆盖胶能够均匀混炼，在压片出型时应确认炼胶温度和可塑度匹配，同时辊距两侧一致，卷取松紧度相同，期间应保证温度和压延速度稳定，以免出现薄厚不均或产生明疤等缺陷。在芯胶混炼过程中，应严格控制温度，避免因温度过高造成易挥发性物质未能得到充分挥发，最终造成胶片粘合强度下降，实际温度应控制在50～60 ℃之间。得到胶片后，使用隔离液处理，在冷却、晾干后可以备用，应确认在室温条件下停放时间在6～24 h 内，避免时间过短导致胶片内残留气泡，也避免时间过长造成胶料产生喷霜和自硫问题，导致粘合度下降。

分上下在骨架上布置覆盖胶和芯胶胶片布置后，可以进行成型加工，但采取以往的压延工艺，挤出过程中存在各层结构不密实的问题，内部存在残留气体，硫化后将出现皱纹、气泡等缺陷，导致输送带在后期使用过程中容易出现内部脱层开裂问题，抗冲击等性能较差。针对这一问题，需要采用带坯成型工艺，先对上层的覆盖胶和芯胶进行压合。在下层覆盖胶和芯胶之间，需要等间距布置线圈，然后对下层胶料进行压合。将得到的胶片然后分别布置在钢丝绳上、下，可以进行冷压加工。在成型阶段，应先做好骨架材料排列，对钢丝绳进行等间距和左右交错间隔排列，确保每根钢丝绳的张力相同，形成平稳结构。使用液压马达进行绳轴初张力控制，并使用拉带机同步拉带坯进模，与成型车联动作业，能够在恒张力条件下完成合模加工。为防止模内钢丝绳出现弯曲情况，需要在成型机前布置分梳器，确保带坯成型期间钢丝绳保持均匀分布状态，有效保证产品质量。在实践操作过程中，需要按照左右捻相间排列方式将钢丝绳挂于锭子架上，逐根穿过改向辊，然后通过分梳器和夹持器后进入张力站。在牵引板上捆扎各股钢丝绳，利用定位板固定后，将钢丝绳牵出，进入到冷压平板。张力大小在3.8±0.5 MPa 之间，冷压平板压力在3～4 MPa 范围。在芯胶和钢丝绳紧密贴合的情况下，能够使胶片保持较好的流动状态。在钢丝绳外侧布置5 mm 厚胶条，进行30 s 冷压，确认不存在张口问题。合胶时，应确认纵向搭接在0～3mm 之间，横向在10～15 mm之间，两侧的边胶宽相同，做到辊实。在规定张力条件下进行成型加工，避免钢丝绳间距不均。为避免布局出现胶量过多，导致后续硫化时对钢丝绳产生过度挤压，引发张力不均情况，压延期间应做到不改变速度和突然停车。在8 MPa 压力条件下进行合模加工，经过60～90 s 后能够得到成型的半成品，应确认带坯两侧不存在张嘴问题。针对线圈所在带坯位置，需要沿着线圈内、外侧扎孔排气，禁止在线圈上方扎孔，以免结构受损。

在硫化加工阶段，通常橡胶制品将在140～160 ℃条件下硫化，具体需要结合材料配比和输送带厚度情况确认，最终将硫化温度设定为150±1 ℃。带坯硫化，进模前提前确认边部是否存在粘合不牢或搭接位置漏搭等情况，发现问题立即修补，然后再次涂抹脱模剂。使用脱模剂，应加强配比和用量控制，避免渗入夹沟，以免引发明疤等缺陷。在加工前，应确认坯处于硫化板中心线的位置，避免因结构偏移造成钢丝绳受到挤压。为将带面气体充分排出，可以进行二次缓压。考虑到输送带的厚度较大，需要适当提高硫化压力，以免材料产生气泡，在改善材料物理性能的同时，增强结构致密性。此外，通过提高交联密度，也可以加速胶料在钢丝绳间的渗透，达到较高粘合强度。通过反复试验，最终将硫化压力设定为15 MPa，蒸汽压力达到0.4 MPa，利用模压方式分段连续硫化50 min。

2.6 性能分析

对研制的输送带产品进行性能测试，确认能否达到设计要求，从而验证产品生产方案的有效性。按照相关技术标准对产品物理机械性能进行测试，可以得到单根钢丝绳强度可以达到89.2 kN，线圈强度为3.7 kN。对输送带各项特性进行测试，可知抗冲击初始破损和穿透能量分别达到1 850 J 和3 070 J，屈挠100 万次后结构粘合强度可以达到176 kN/m，覆胶率仍然为100%，而输送带纵向撕裂强度可以达到8.3 kN/m。按照产品生产标准进行测试，如表3 所示为产品主要性能指标，可知各项性能较优。将研制的输送带安装在输送线上，按照4.5 m/s 速度运行，经过为期3 个月的运转后，输送带始终未出现破裂或受损情况。而利用输送带内部线圈，可以配合采用防撕裂系统进行生产监测，在线圈受到破坏时将发出报警信号，提醒人员及时处理。人员在现场手持与线圈配套的移动终端设备，可以在距离芯片1 m 位置获得感应信号，获得相关检测数据。此外，通过互联网，能够在线确认输送带的运行情况，并在输送带受损后精确定位受损位置，发出制动指令，在5～72 m 内将输送线停下，避免输送带受损过多，出现无法继续使用问题。因此研制的输送带在拥有良好物理机械性能的同时，能够体现智能化特点，可以有效延长输送带使用寿命。

表3 产品主要性能指标

3 结语

在钢丝绳芯输送带研制方面，合理进行骨架材料选用，并做到横向排布抗撕裂线圈，能够有效提高输送带抗冲击和抗撕裂等性能。在做好骨架结构设计的基础上，完成耐磨、拉伸强度高、弹性佳的覆盖胶、芯胶研制，能够进一步优化输送带耐屈挠等特性。采用混炼和冷压成型等生产工艺，最终生产出各项性能符合要求的输送带产品，能够为解决矿石输送问题提供有效方案。