矿用皮带机运输带优化及导料槽结构改造研究

王玉明

（西山煤电（集团）有限公司马兰矿，山西古交 030200）

0 引言

矿用皮带机的主要作用是将散料运输到指定位置，这种设备对物料只完成位置的转移，仅要求设备应用灵活，运输路线也比较随便。皮带机技术的发展也是比较成熟，皮带机主要优点：（1）结构简单，维修更换方便；（2）运输比较平稳，可以基本实现对物料的保护作用；（3）成本低，可以适应比较恶劣的工作环境；（4）运输能力强，对物料的适应能力强[1]。皮带机的主要缺点：（1）运输过程比较适应直线运输，在有转弯的情况下是不适用的；（2）占地空间比较大；（3）密封性不好，粉状物料的粉尘污染比较大[2]。

矿用皮带机有其自身的优缺点，在现代矿业发展中占领着不可替代的作用，然而运输带作为皮带机的关键零部件，直接影响着皮带机的使用寿命及工作效率。

1 矿用皮带机运输带应用缺陷

每个矿场的运输带基本都不能通用，按材质分：普通帆布带、尼龙带、EP带、钢丝带等。运输带的规格线层从4层到8层线不等；在制造工艺方面，上胶面厚度为4～10 mm[3]。根据其不同的材质和承载能力，有种类繁多的型号，占据大量的空间和资源，从而造成了不必要的浪费；同时对备件设备的选择和检修都带来了比较大的困难。因此对矿场皮带机所用的输送带进行全面校核，减少规格型号，对输送带进行优化处理，意义重大。

2 矿用皮带机运输带优化

（1）运输带下垂的最小张力[4]

式中：qB为运输带每米长度的质量，kg/m；qG为输送物料每米长度的质量，kg/m；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；a为带轮中心距，单位m，h为带轮厚度，单位m。

（2）最大圆周驱动力

式中：Fu为圆周驱动力，N；Ka为驱动力系数。

（3）运输带不打滑的最小驱动力

综合式（1）、（2），一般情况下，保证运输带不打滑的最小驱动力[5]为：

式中：euφ一般取2.5。

通过以上运算可以找到满足运输稳定性的最基本的运输带承载能力。

（4）运输带的层数[6]

理论计算如下：

式中：B为带宽，m；σ为物料密度，kg/m3。

通过理论计算，对运输带的类型进行优化，可以确定一款皮带机在稳定安全运输的情况下，所需要的最基本的运输带型号及规格，从而进行优化，减少其种类，降低了管理及检修的复杂性。

3 传统皮带机导料槽缺陷

运输带的类型优化对矿场的管理及占地和检修费用有了很大的改善。然而运输带作为矿用运输机最关键的零部件，价格昂贵，耐久性差。为了进一步提升运输带的使用寿命，对失效的运输带进行研究，发现大约80%的失效都是由于导料槽挡板对运输带的磨损导致的。因此有必要对导料槽挡板的结构进行优化，以达到延长运输带寿命的目的。

导料槽挡板的作用主要有两个方面：一是可以对物料起到导料的作用，给物料一个正确的传输方向；二是密封作用，防止物料粉尘溢出。传统导料槽的基本机构如图1所示。传统的导料槽通过挡板与运输带之间的压力来实现密封和导料的相互作用，而在此压力条件下，导料槽结构上既会产生一定的多余的负荷，也会对输送带产生很大的磨损。

图1 传统导料槽的基本机构示意图

4 皮带机导料槽结构改造升级

运输带在运输过程中主要承受的外力有：（1）物料和运输带的摩擦力；（2）清扫器、卸料器等固定部件对支撑运输带来的阻力；（3）物料提升所需要的阻尼；（4）导料槽摩擦阻力。通过分析可以得出物料和运输带的摩擦力、物料提升所需要的阻尼都是必须要克服的必要阻力；而导料槽的摩擦阻力、清扫器和卸料器等固定部件对支撑运输带来的阻力是可以进行优化的不必要阻力。

导料槽的挡板一般是选择胶料的材质，而橡胶的小变形弹性理论[7]如下：

式中：K为体积压缩模量，GPa；P为施加压力，Pa；ΔV为收缩体积，m3；V0为压力初始体积，m3。

橡胶类的体积压缩模量很高，由此可以说明：只要导料槽拦板发生一点变形就会产生对应的阻力，从而对运输带产生磨损。

针对以上分析，对导料槽的挡板进行了改造设计，采用非接触式的挡板结构。非接触式的导料槽结构如图2所示。通过将原来挡板与输送带之间的接触进行疏离，同时分别设置了导料装置和密封装置，采用废旧的橡胶材质皮带作为导料装置，但是与输送带之间有3mm左右的间隙，不与输送带产生直接接触，从而避免了接触应力。在缝隙处使用软质的布料，由于材质较软也不会产生很大的摩擦，也可以使用小滚轮，滚动摩擦也会对阻力有很大的改善作用。

图2 非接触式的导料槽结构示意图

5 皮带机改造前后的性能对比

对导料槽改造前的一段运输带受力分析，受力分析图如图3所示。假设皮带变形内径为r，厚度为h，变形处夹角为α，栏板总长度为l，则变形状态V′体积[8]为：

图3 改造后的导料槽受力分析

然而改造后挡板不与输送带产生直接接触，所以基本没有摩擦力表现，而下面的软质密封材料，质地很轻，摩擦力也基本可以忽略不计。

6 结束语

本文对运输带的种类进行了优化，并对导料槽结构进行了改造，设计出一种非接触式的导料槽结构。

运输带种类及型号繁多，通用性不好。不仅给采购部门增加工作量，同时对煤矿企业产生较大的占地面积浪费及资源浪费。因此对输送带的型号及规格进行优化统一，通过计算得到可以使输送机稳定工作的基本能力，从而可以给出更多的输送带选择空间，减少了输送带的型号和规格，因此降低了公司的资源浪费及成本。

通过对输送带层数的计算，可以选择直接可靠的层数即可，不必要保守选择，造成一定的浪费。

通过改造导料槽的结构，即非接触式的导料槽，有效降低了挡板与输送带之间的磨损，从而降低了输送带的压力，减少磨损，提高了输送带的使用寿命。为企业降低运输带消耗42.8%，节省了约10.4%的电能消耗。