蔣志國，王柏松

(中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 450016)

0 引言

TBM主機(jī)皮帶機(jī)布置在主梁內(nèi)，主要由頭部驅(qū)動(dòng)滾筒、尾部從動(dòng)滾筒、皮帶架、上托輥、下托輥、皮帶、清掃器、渣斗等組成(如圖1所示)。

圖1 TBM主機(jī)皮帶機(jī)二維圖示Fig．1 2D picture of belt conveyor of TBM

作為帶式輸送機(jī)的主要部件，托輥均布在帶式輸送機(jī)皮帶下面，主要用來托起皮帶和承受載荷。緩沖、調(diào)偏、清掃皮帶也是其主要功能。因此，其質(zhì)量和選用，對(duì)整條帶式輸送機(jī)的使用壽命、安全穩(wěn)定運(yùn)行及能源消耗起著重要作用。

目前國外TBM主機(jī)皮帶機(jī)雙向螺旋橡膠托輥的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，在西秦嶺應(yīng)用的羅賓斯TBM主機(jī)皮帶機(jī)采用的就是雙向螺旋橡膠托輥，但國內(nèi)TBM主機(jī)皮帶機(jī)主要采用的是槽型三輥托輥，主要用來輸送散裝物料，而當(dāng)前隧道內(nèi)部輸送的物料多為黏濕物料;而三輥托輥容易黏輥，增大了運(yùn)行中的阻力，并且容易跑偏。在以往的研究中，張瑞平等［1］對(duì)影響托輥設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素作了列舉和分析;陳文海等［2］用Ansys對(duì)普通托輥進(jìn)行了分析，得到了普通托輥在載荷作用下的應(yīng)力和變形情況;劉文亮等［3］對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)膠帶跑偏原因從力學(xué)方面作了詳細(xì)的分析。但以上研究都是以普通托輥?zhàn)鳛檠芯繉?duì)象，而對(duì)雙向螺旋橡膠托輥的研究甚少，鑒于其在運(yùn)輸黏濕物料中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有必要對(duì)其安裝和受力進(jìn)行研究。

1 傳統(tǒng)的三托輥輥徑的選擇

1．1 傳統(tǒng)三托輥直徑與帶寬的關(guān)系

見表1。

表1 直徑與帶寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Relationship between roller diameter and belt width

1．2 直徑與帶速的關(guān)系

在確定帶寬的條件下，托輥輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速不能太大。在同樣壽命情況下，轉(zhuǎn)速大，使用時(shí)間就短，轉(zhuǎn)速小，使用時(shí)間就長(zhǎng)。但輥?zhàn)又睆讲荒芴?，輥?zhàn)又睆教?，整個(gè)輸送機(jī)不配套，固定投資也大。在帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定:輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速不能超過600r/min。托輥直徑與輸送機(jī)帶速的關(guān)系如表2。

表2 直徑與帶速的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Relationship between roller diameter and belt speed

1．3 輥?zhàn)虞d荷的計(jì)算

承載分支托輥靜載荷

式中:a0為承載分支托輥間距，m;e為輥?zhàn)虞d荷系數(shù);v為帶速，m/s;qu為單位輸送帶質(zhì)量，kg/m;Im為輸送能力，kg/s。

承載分支托輥動(dòng)載荷

式中:fs為運(yùn)行系數(shù);fd為沖擊系數(shù);fa為工況系數(shù)。

傳統(tǒng)三托輥在確定了帶寬、帶速和載荷［4-5］的情況下，便可以根據(jù)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［6］合理選取輥徑。

2 主機(jī)皮帶機(jī)雙向螺旋橡膠托輥的受力計(jì)算

2．1 螺旋橡膠托輥的等效載荷分析

雙向螺旋橡膠托輥由于結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)三連輥托輥有著很大的不同，在運(yùn)輸物料的過程中受力與傳統(tǒng)三連輥也有著很大的不同，其選取主要是如何確立托輥中鋼絲繩的直徑(如圖2所示)。

鋼絲繩是機(jī)械設(shè)備中常用的零件，鋼絲繩是一種撓性零件，具有強(qiáng)度高、自質(zhì)量小、彈性好、運(yùn)行平穩(wěn)、適合于高速、遠(yuǎn)距離、換向傳力以及極少突然破斷的優(yōu)點(diǎn)［7］，也是主機(jī)皮帶機(jī)托輥中的重要零件之一;因此，有必要對(duì)其承載受力特性進(jìn)行分析，以便更好地設(shè)計(jì)計(jì)算及維護(hù)使用。

圖2 雙向螺旋橡膠托輥Fig．2 Bidirectional spiral rubber roller

假設(shè)雙向螺旋橡膠托輥受均布載荷的作用，將其模型等效為三鉸拱［8］，如圖3所示。支座A，B處的豎向反力分別為 Fay，F(xiàn)by，水平反力分別為 Fax，F(xiàn)bx。

圖3 托輥等效模型Fig．3 Equivalent model of roller

選取截面C為研究對(duì)象，其與OA的夾角為φ，設(shè)其所受的彎矩、剪力、軸力分別以MC，F(xiàn)C，NC表示，微段ds=Rda，其上面的載荷為qds=qRda。

對(duì)截面C所產(chǎn)生的剪切力

對(duì)截面C所產(chǎn)生的軸拉力

支持力Fay對(duì)截面C所產(chǎn)生的彎矩

對(duì)截面C所產(chǎn)生的剪力

對(duì)截面C所產(chǎn)生的軸力

同理求得Fax對(duì)截面C所產(chǎn)生的彎矩、剪力和軸力分別為:

所以截面C所受的總彎矩、總剪切力、總軸力分別為:

由拱的整體平衡條件∑MB=0，得:

由D點(diǎn)的平衡條件∑MD=0，得

計(jì)算得:

將Fax=Fbx=qRcos(β/2)，F(xiàn)ay=Fby=qRsin(β/2)代入截面C得:

MC=qR2(1-cos φ)+qRcos(β/2)Rsin(φ/2)sin θqRsin(β/2)2Rsin(φ/2)cos θ;

FC=qRsin φ-qRcos(β/2)cos［(π -φ)/2+ θ］-qRsin(β/2)sin［(π -φ)/2+θ］;

NC=qRsin(β/2)cos［(π -φ)/2+θ］-qRcos(β/2)sin ［(π -φ)/2+θ］-qR(1-cos φ)。

由托輥槽角計(jì)算公式

在槭樹科植物栽培和利用上，我國擁有著豐富的資源和悠久的栽培歷史，但在相關(guān)研究及開發(fā)利用方面與歐美和日本還存在較大差距。隨著城市的發(fā)展，極具特色的鄉(xiāng)土彩葉樹種應(yīng)用越來越迫切，槭樹科植物也越來越受重視。孟慶法等[3]、張璞等[4]分別對(duì)河南省槭樹科植物資源進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果表明，河南野生槭樹在低海拔平原地區(qū)引種馴化、人工繁殖，以及城市綠化、美化應(yīng)用是切實(shí)可行的。

式中:φ為托輥槽角，ρ為物料的推積角。

假設(shè)TBM主機(jī)皮帶機(jī)輸送物料為石灰石，皮帶運(yùn)行速度為2．0m/s，由資料查得物料的運(yùn)行堆積角ρ=25°，此時(shí)可求得φ=50°，所以β=2φ=100°。在實(shí)際應(yīng)用中，雙向螺旋橡膠托輥的張角β=70°，槽角φ=35°。

由以上分析可知，最大彎矩、最大剪力和最大軸力是與θ和φ有關(guān)的量，只要確定了這2個(gè)量便可以對(duì)托輥中鋼絲繩直徑進(jìn)行合理的選取;但是當(dāng)前對(duì)雙向螺旋橡膠托輥受力研究較少，需引起重視。

2．2 主機(jī)皮帶機(jī)雙向螺旋橡膠托輥的安裝

主機(jī)皮帶機(jī)雙向螺旋橡膠托輥支架結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 托輥支架Fig．4 Roller frame

雙向螺旋上托輥支架主要由旋轉(zhuǎn)芯軸、軸端擋圈、旋轉(zhuǎn)外套管、內(nèi)套管、旋轉(zhuǎn)承壓板、旋轉(zhuǎn)施壓板、支架側(cè)板、限位擋圈、固定板和支撐座組成。

雙向螺旋橡膠上托輥支架可以手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)螺旋托輥的位置，從而調(diào)整皮帶，具有很好的防跑偏功能［10］。

支架采用焊接式結(jié)構(gòu)，加工和焊接方便，磨損件容易更換，節(jié)省時(shí)間和成本，托輥安裝如圖5所示。

圖5 托輥安裝圖Fig．5 Roller installation

2．3 主機(jī)皮帶機(jī)雙向螺旋橡膠托輥的使用要求

雙向螺旋橡膠托輥兩端為短軸，中間部分為鋼絲繩，在鋼絲繩外包裹具有一定旋向的橡膠。

雙向螺旋橡膠托輥使用要求:

2)把配套的托輥支架對(duì)應(yīng)地安裝在輸送機(jī)的邊梁上。

3)把托輥的兩端軸殼放在支架的耳槽中，并保證托輥與機(jī)架上的水平角為一定的槽角或保證對(duì)應(yīng)支架距離尺寸。

4)托輥運(yùn)行時(shí)螺旋方向需一致。

5)每組托輥安裝距離可根據(jù)輸送物料的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)。

6)軸承部位設(shè)有黃油嘴，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行注油潤(rùn)滑。

7)輸送作業(yè)時(shí)的沖擊力不得超過托輥極限應(yīng)力。

8)運(yùn)輸及貯存中，禁防重壓和機(jī)械損傷及黃油嘴損壞。

2．4 主機(jī)皮帶機(jī)雙向螺旋橡膠托輥的優(yōu)點(diǎn)

雙向螺旋橡膠托輥也稱螺旋橡膠托輥或橡膠托輥，屬于橡膠輸送帶輔助制動(dòng)導(dǎo)向制品。獨(dú)特的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)使輸送帶在輸送黏濕物料的環(huán)境下，具有不粘輥、自潔力強(qiáng)、不粘帶的特點(diǎn);該產(chǎn)品從根本上解決了帶式輸送機(jī)普遍存在的腐蝕、粘輥、膠帶跑偏和撕裂等嚴(yán)重問題。具有結(jié)構(gòu)新穎、安裝維修方便、自定中心輸送平穩(wěn)、不粘輥、噪音小、能耗低以及延長(zhǎng)膠帶使用壽命等特點(diǎn)。具有較強(qiáng)的自動(dòng)較正輸送帶偏帶的能力，同時(shí)最大限度地保護(hù)和避免了橡膠輸送帶的絞帶以及撕裂的可能性;同時(shí)最大限度延長(zhǎng)了輸送帶壽命，節(jié)約了能耗，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論與討論

1)新的雙向螺旋橡膠托輥支架使托輥拆裝更方便，易于更換。

2)雙向螺旋橡膠托輥在皮帶機(jī)運(yùn)輸物料的過程中受力跟三輥托輥有著很大的不同，受力比較復(fù)雜，如何選取合理的螺旋托輥目前還沒有明確的方式，值得進(jìn)一步研究。

3)雙向螺旋橡膠托輥?zhàn)畲髲澗亍⒆畲蠹袅妥畲筝S力與φ和θ有關(guān)，只要確定了這2個(gè)量便可以對(duì)托輥中鋼絲繩直徑進(jìn)行合理的選取。

4)當(dāng)前雙向螺旋橡膠托輥的安裝槽角現(xiàn)在一般選取為30°，這是否為最合理的安裝角度還需要進(jìn)一步研究。

［1］張瑞平，裴文喜．影響托輥設(shè)計(jì)的因素分析［J］．煤炭工程，2011(5):10-12．

［2］陳文海，李金良，倪尚彬．基于ANSYS的帶式輸送機(jī)托輥仿真分析［J］．煤礦機(jī)械，2011，32(6):107-109．(CHEN Wenhai，LⅠJinliang，NⅠShangbin．Simulation analysis of belt conveyor roller based of ANSYS［J］．Coal Mine Machinery，32，2011(5):107-109．(in Chinese))

［3］劉文亮，張曉偉，董秋艷．連續(xù)皮帶機(jī)膠帶跑偏原因與力學(xué)分析［J］．水利水電技術(shù)，2006，37(3):26-27．

［4］孫可文．帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)理論與設(shè)計(jì)計(jì)算［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，1997．

［5］冉隆河，王翠清．帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)中托輥的合理計(jì)算和形式選擇［J］．煤礦機(jī)械，2006，27(6):935-937．(RAN Longhe，WANG Cuiqing．Reasonable calculating and form choice of idlers in design of conveyors［J］．Coal Mine Machinery，2006，27(6):935-937．(in Chinese))

［6］張尊敬．DTⅡ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2003．

［7］王宏武，魏發(fā)孔．鋼絲繩承載受力特性分析及計(jì)算［J］．甘肅科技，2007，23(9):77-79．

［8］朱伯欽，周竟歐，許哲明．結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2002．

［9］周為民．帶式運(yùn)輸機(jī)托輥槽角的理論計(jì)算［J］．現(xiàn)代機(jī)械，2001(2):71-72．

［10］王廷進(jìn)．帶式輸送機(jī)防跑偏托輥的設(shè)計(jì)［J］．煤礦機(jī)械，2009，30(4):4-5．(WANG Tingjin．Design for belt conveyor running deflection proof support roller［J］．Coal Mine Machinery，2009，30(4):4-5．(in Chinese))