郭澤海，秦翥，侯紅偉

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 上海有限公司，上海 200030)

0 引言

輸送帶性能的優(yōu)劣直接決定了整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸效率和安全性能。設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)裝置，以較少的耗材，在盡可能符合實(shí)際的循環(huán)周轉(zhuǎn)運(yùn)行情況下，使輸送帶樣品和接頭在一定時(shí)間內(nèi)負(fù)載，旨在確定輸送帶(鋼絲繩芯輸送帶和織物芯輸送帶)在動(dòng)力學(xué)持續(xù)震蕩應(yīng)力(負(fù)載)情況下的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而獲得輸送帶的具體性能參數(shù)。

1 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試原理

1.1 試驗(yàn)設(shè)備特征

該試驗(yàn)設(shè)備為一種帶有驅(qū)動(dòng)滾筒和張緊滾筒的持續(xù)運(yùn)行機(jī)器。參照德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 22110-3(2007)輸送帶接頭的測(cè)試方法，該試驗(yàn)設(shè)備具有以下特征：

1) 直徑用D來(lái)表示的可更換滾筒，材料為鋼或橡膠，可用寬度不小于500 mm。

2) 檢驗(yàn)力以鋸齒形曲線出現(xiàn)(齒形比例5∶1，見(jiàn)圖2)，加載循環(huán)持續(xù)時(shí)間為TLSp=(50±5) s。

3) 加載循環(huán)持續(xù)時(shí)間與輸送帶周轉(zhuǎn)時(shí)間比例固定。

4) 軸距L和張緊幅度SSp：最小軸距(張緊行程SSp=0)為6 000 mm。

5) 可調(diào)整的輸送帶速度ν。

6) 用于計(jì)算輸送帶周轉(zhuǎn)數(shù)和加載循環(huán)數(shù)的計(jì)數(shù)器。

7) 設(shè)有獲取檢驗(yàn)力和輸送帶長(zhǎng)度的裝置。

8) 設(shè)有直線運(yùn)行控制器。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試原理

1.2 施加載荷和加載周期

由圖2所示，在檢測(cè)試驗(yàn)中,加載力裝置(液壓油缸)作用到張緊滾筒的直線載荷為F,周期為T;前5/6T時(shí)間內(nèi)，載荷從最小值Fmin直線增加到最大值Fmax;后1/6T時(shí)間內(nèi)，載荷從最大值Fmax直線減小到最小值Fmin。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)施加載荷F以及加載周期T有如下規(guī)定：

T=(50±5)s

(1)

Fmax=50%FB

(2)

Fmin=6.6%FB

(3)

式中：FB為輸送帶樣品的額定致斷力。

圖2 檢測(cè)力加載曲線

2 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試功能為基礎(chǔ)，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，便于安裝拆卸滾筒和輸送帶樣品，適應(yīng)多種直徑的滾筒以及利于液壓缸執(zhí)行動(dòng)作，并便于制造和美觀等多方面綜合考量。試驗(yàn)臺(tái)除液壓油缸和兩端滾筒外，其余零部件提供支撐、防護(hù)或其他輔助功能，使之整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)除特殊零部件外，都是由方鋼或H型鋼通過(guò)焊接工藝加工而成。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

裝置整體可分為下支撐和工作臺(tái)兩部分。下支撐主要為工作臺(tái)提供重力支撐、動(dòng)作空間以及安裝拆卸平臺(tái)。工作臺(tái)為試驗(yàn)裝置的核心部分，通過(guò)液壓缸的收縮運(yùn)動(dòng)給輸送帶周期性可控的負(fù)載，對(duì)輸送帶的動(dòng)態(tài)耐久性進(jìn)行檢驗(yàn)。此外，試驗(yàn)裝置還需布置防護(hù)欄、梯子、欄桿等輔助零部件。

2.2 基本原理

圖3為試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖,在檢測(cè)過(guò)程中，張緊滾筒1在工作臺(tái)的滑軌2上做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，液壓缸3提供作用力。由電動(dòng)機(jī)連接減速器提供驅(qū)動(dòng)滾筒5運(yùn)動(dòng)的力矩，連接架4作為承力機(jī)架。后梁7、前梁9及中間梁8主要起支撐作用，底座10通過(guò)地腳螺栓固定于地面，支撐腿6便于拆卸，用于安裝和更換輸送帶樣品。

1-張緊滾筒；2-滑軌；3-液壓缸；4-連接架；5-驅(qū)動(dòng)滾筒；6-支撐腿；7-后梁；8-中間梁；9-前梁；10-底座。圖3 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

3 環(huán)形輸送帶安裝方法

由于輸送帶樣品在檢測(cè)前已經(jīng)完成拼接硫化等工藝，故采用“拆卸—穿入—固定—再拆卸”的方式來(lái)安裝或更換輸送帶，具體流程如圖4所示。

首先，拆卸活動(dòng)支撐腿1，輸送帶穿入活動(dòng)支撐腿1、2空間；然后，安裝活動(dòng)支撐腿1，拆卸活動(dòng)支撐腿2，輸送帶穿入活動(dòng)支撐腿2、3空間；最后，安裝活動(dòng)支撐腿2，依次拆卸下一活動(dòng)支撐腿，直至輸送帶安全穿入。這種安裝輸送帶的方式在盡可能保證裝置整體機(jī)構(gòu)不受破壞的前提下，將安裝工作簡(jiǎn)化為拆卸與安裝支撐腿的重復(fù)動(dòng)作，其操作性較強(qiáng)。

由于輸送帶的強(qiáng)度較大、長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為方便試驗(yàn)人員操作，支撐腿的設(shè)計(jì)高度和間距相對(duì)也較大。在整個(gè)安裝工作之前，工作臺(tái)機(jī)架上的托輥、欄桿和防跑偏裝置等都要拆卸，旨在方便輸送帶的安裝。由于滾筒和連接架的質(zhì)量較大，支撐腿側(cè)水平梁的變形量會(huì)影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的水平精度，進(jìn)而影響后續(xù)試驗(yàn)的順利進(jìn)行，故在安裝完畢后，須再次調(diào)整安裝精度。

4 主要承力機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析

由圖3可以得出，在液壓缸施加力作用到輸送帶后，該作用力作為整體裝置的內(nèi)力由連接架承受。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

1-活動(dòng)支撐腿1；2-活動(dòng)支撐腿2；3-活動(dòng)支撐腿3

圖4 輸送帶樣品安裝流程

連接架下端通過(guò)螺栓和定位銷固定在前后梁上，后端與滾筒軸承座螺栓固定，前端與液壓缸螺釘聯(lián)接。設(shè)定連接架下端面和后端面(即與滾筒軸承座結(jié)合的面)為固定面，在前端面(即與液壓缸結(jié)合的面)上施加負(fù)載F0，如圖5所示。

圖5 連接架施加載荷分布

整件為焊接件，焊接材料包括Q235B、Q345B以及ZG35。為簡(jiǎn)化有限元分析，默認(rèn)模型材料為ANSYS材料庫(kù)中“結(jié)構(gòu)鋼”，其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料的性能參數(shù)

圖6為有限元分析結(jié)果。由圖6(a)所示，前端面中部深紅色區(qū)域變形量最大，達(dá)到0.677 mm，但從整體來(lái)看，變形相對(duì)均勻，變形量較小；由圖6(b)所示，前端面中部安裝液壓缸部位出現(xiàn)最大應(yīng)力值，達(dá)到151.65 MPa，但在允許范圍內(nèi)；由圖6(c)結(jié)果顯示，安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在應(yīng)力值最大部位，其最小值為1.65，最大值為15。

(a)總體變形

(b)等效應(yīng)力場(chǎng)

(c)安全系數(shù)圖6 有限元分析結(jié)果

5 結(jié)論

1) 本文所設(shè)計(jì)的輸送帶接頭動(dòng)態(tài)耐久性能試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)原理是以檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

2) 利用液壓系統(tǒng)施加交變載荷模擬實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)載荷，施加載荷曲線可檢測(cè)、可控制。

3) “拆卸—穿入—固定—再拆卸”的輸送帶安裝方式，其工作量盡管相對(duì)較大但原理簡(jiǎn)單，易于操作。

4) 利用焊接的框型結(jié)構(gòu)件作為承力件，強(qiáng)度高且穩(wěn)定性強(qiáng)，易于分析其受力狀態(tài)。

5) 試驗(yàn)裝置整體機(jī)架滿足功能、制造及安裝的各方面要求。