余 旦，袁怡琳，付 凱，王 兵

（南昌礦山機(jī)械有限公司，江西 南昌 330000）

隨著我國(guó)重工業(yè)的快速發(fā)展以及現(xiàn)代化、智能化建設(shè)的不斷推進(jìn)，促進(jìn)了我國(guó)礦山開采設(shè)備的革新，逐漸使其向連續(xù)化、液壓化和智能化方向不斷轉(zhuǎn)變。礦山資源的開采工藝類型較多，一般可分為連續(xù)化開采工作、半連續(xù)化開采工藝和間斷開采工藝，我姑以后者為主，不僅對(duì)資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大[1]。在“綠色礦山”背景下，以連續(xù)性開采工藝為主的環(huán)保型開采技術(shù)是今后發(fā)展的主要方向，該工藝多配以移動(dòng)式皮帶運(yùn)輸機(jī)，不僅提高了運(yùn)輸能力，而且有效的減少了車輛運(yùn)輸?shù)仍斐傻沫h(huán)境污染。鑒于此，本文以礦用履帶式移動(dòng)皮帶輸送機(jī)為例，分析該設(shè)備的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，為提高礦山企業(yè)效益奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)備設(shè)計(jì)基本原則

礦山企業(yè)的開發(fā)與利用不僅僅是單一的開采模式，其開采模式是隨著礦產(chǎn)資源利用現(xiàn)狀而改變的，即礦山開采工藝并非是單一的連續(xù)開采工藝模式[2]。因此，在履帶式移動(dòng)皮帶輸送機(jī)設(shè)計(jì)中必須遵循以下幾點(diǎn)原則：①礦用移動(dòng)皮帶不應(yīng)該是簡(jiǎn)單的輸送皮帶，而是與礦山的整個(gè)連續(xù)化開采工藝是緊密結(jié)合的，因此，移動(dòng)皮帶與礦山地形、礦產(chǎn)資源開采方案等密切相關(guān)，所設(shè)計(jì)的履帶式移動(dòng)皮帶必須滿足礦山基本要求；②對(duì)于某一具體礦山來(lái)說(shuō)，其開采規(guī)劃設(shè)計(jì)也不盡相同，即在開采初期階段皮帶輸送機(jī)無(wú)法工作，僅適用破碎機(jī)和裝載機(jī)等就可完成相應(yīng)的開采任務(wù)；此外，隨著礦山資源的持續(xù)開采，所需的移動(dòng)皮帶長(zhǎng)度逐漸增加，增加長(zhǎng)度應(yīng)結(jié)合礦山實(shí)際現(xiàn)狀確定；③若礦山開采面已經(jīng)形成了一定規(guī)模，此時(shí)采用兩節(jié)移動(dòng)皮帶與移動(dòng)破碎機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)盤相連接的方案最有利于該類礦山，能夠有效的提升履帶式移動(dòng)皮帶的便捷性，進(jìn)而提高礦產(chǎn)資源開發(fā)效率。綜上所述，履帶式移動(dòng)皮帶輸送機(jī)的設(shè)計(jì)具有較高的目的性，應(yīng)充分考慮礦山實(shí)際現(xiàn)狀以及開采方案等綜合而定。

2 礦用履帶式移動(dòng)皮帶輸送機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桁架結(jié)構(gòu)是礦用履帶式移動(dòng)皮帶輸送機(jī)的重要組成部分本文采用平面三角形空心管桁架結(jié)構(gòu)組成，該桁架具有更高的穩(wěn)定性能和經(jīng)濟(jì)性，該結(jié)構(gòu)中的受壓腹桿可采用空心管代替，不僅能夠滿足其受壓特征，而且能夠極大的節(jié)約材料和制作周期。同時(shí)，由于在礦石輸送過(guò)程中容易使得弦桿產(chǎn)生均布載荷彎矩，因此，可以將弦桿末端和首段的桁架制作成向上傾斜的弦桿。桁架的高度、總跨度、載荷能力和最大形變等參數(shù)是影響皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸能力的基礎(chǔ)，若單純的增加桁架高度，則對(duì)弦桿的載荷性能較小明顯，同時(shí)顯著的增加了腹桿的長(zhǎng)度，不僅降低了運(yùn)輸能力，而且不經(jīng)濟(jì)，所以確定桁架高度時(shí)應(yīng)充分結(jié)合礦山實(shí)際情況而定[3]。本次設(shè)計(jì)中將上弦桿與下弦桿作為桁架的整體主梁結(jié)構(gòu)，將上弦桿與下弦桿之間的側(cè)直腹桿連接在一起，作為桁架的側(cè)架，將中部斜腹桿和中部直腹桿連接，構(gòu)成桁架的兩個(gè)側(cè)架，并將其作為皮帶回旋的隔離架，同時(shí)將下部斜腹桿和下部直腹桿連接在一起，構(gòu)成桁架的另外兩個(gè)側(cè)架，并與中部的側(cè)架腹桿共同組成框架結(jié)構(gòu)。

為了有效分析本設(shè)計(jì)中桁架的力學(xué)性能，本文以Solidworks simulation三維軟件為基礎(chǔ)平臺(tái)建立相應(yīng)的有限元模型。在有限元模型中將桁架中的弦桿視為連續(xù)桿件，并且腹桿接在距弦桿中心線0m處。通過(guò)改變有限元模型中的弦桿與腹桿的橫截面尺寸和壁厚等參數(shù)進(jìn)行力學(xué)性能模擬。當(dāng)有限元模型中分析結(jié)果區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，桁架的最大靜態(tài)位移量約為102mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)桁架中空心管的尺寸為180mm×180mm×180mm（弦桿）和80mm×80mm×6mm（腹桿）。在礦石資源運(yùn)輸過(guò)程中，極易出現(xiàn)局部區(qū)域載荷過(guò)重的情況，即極有可能導(dǎo)致桁架結(jié)構(gòu)連接位置的局部區(qū)域出現(xiàn)屈服形變，且形變量與轉(zhuǎn)動(dòng)能力對(duì)桁架的應(yīng)力結(jié)構(gòu)重新分布，此時(shí)可能導(dǎo)致桁架腹桿兩端焊接縫處的應(yīng)力變化較大而導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。雖然本次設(shè)計(jì)采用了Q345鋼材，但焊接處裂縫問(wèn)題仍然不容忽視，經(jīng)過(guò)有限元模擬分析后，其材料腹桿四周的焊接尺寸也是腹桿壁厚的1.2倍左右時(shí)，能夠有效的緩解桁架結(jié)構(gòu)局部屈服而引起的應(yīng)力重新分布所誘發(fā)的危害，此時(shí)焊接縫高達(dá)6mm～7mm，能夠有效的提升焊接縫的有效性。

2.2 移動(dòng)皮帶輸送機(jī)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)是固定的帶式輸送機(jī)，是礦石物料輸送系統(tǒng)的重要組成部分，具有較大的輸送能力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。其中，輸送帶在固定帶式輸送機(jī)中起牽引和承載作用；滾筒是輸送機(jī)動(dòng)力傳遞的主要部件；托輥主要用于支撐輸送帶和輸送帶上額物料，使其平穩(wěn)運(yùn)行；張緊裝置使得輸送帶具有組構(gòu)的張緊力，能夠有效的防止輸送帶和滾筒不打滑。

本次設(shè)計(jì)過(guò)程中將固定型改為移動(dòng)皮帶輸送機(jī)，此時(shí)需要綜合考慮移動(dòng)皮帶輸送機(jī)中的入料方式、卸料方式、位置以及輸送機(jī)的布置形式等尺寸，其布置形式可分為凹弧輸送、凸弧輸送、傾斜輸送、水平輸送和混合曲線輸送等[4]。本次設(shè)計(jì)在移動(dòng)皮帶輸送機(jī)曲線段內(nèi)，不設(shè)置給料裝置和卸料裝置，將給料裝置設(shè)置在水平輸送階段，當(dāng)在特殊條件下可將其設(shè)置在傾斜段；將卸料裝置也設(shè)置在水平段。在設(shè)計(jì)時(shí)礦石物料的運(yùn)輸中輸送皮帶傾角應(yīng)小于最大允許傾角。輸送帶的運(yùn)行速度需要根據(jù)輸送物料的特征以及輸送帶的寬度確定，根據(jù)有限元模型模擬分析得出，當(dāng)帶寬500mm時(shí)，若運(yùn)輸?shù)V石物料為磨損性小的物料時(shí)，有限元模擬輸送帶速度為1.0m/s～2.5m/s；當(dāng)運(yùn)輸?shù)V石物料為磨損性中等的物料時(shí)，有限元模擬輸送帶速度為1.0m/s～2.0m/s；當(dāng)運(yùn)輸?shù)V石物料為磨損性較大的物料時(shí)，有限元模擬輸送帶速度為0.8m/s～1.6m/s；當(dāng)帶寬2000mm時(shí)，若運(yùn)輸?shù)V石物料為磨損性小的物料時(shí)，有限元模擬輸送帶速度為2.0m/s～6.0m/s；當(dāng)運(yùn)輸?shù)V石物料為磨損性中等的物料時(shí)，有限元模擬輸送帶速度為2.0m/s～4.0m/s；當(dāng)運(yùn)輸?shù)V石物料為磨損性較大的物料時(shí)，有限元模擬輸送帶速度為2.0m/s～3.5m/s。

此外，對(duì)于輸送帶寬度的確定，應(yīng)結(jié)合礦山開采方案，礦石物料特征、地形地貌等綜合確定，在計(jì)算皮帶寬度過(guò)程中應(yīng)充分考慮礦石塊度。當(dāng)?shù)V石塊度較大時(shí)，則在給料點(diǎn)和卸料點(diǎn)容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。因此，一般需要結(jié)合皮帶寬度和物料的塊度校核，若根據(jù)計(jì)算獲得的皮帶寬度需要輸送大塊礦石物料時(shí)，此時(shí)可將皮帶的帶寬提高一級(jí)解決，若提高后仍然不滿足實(shí)際需求，那么需要將礦石物料破碎處理后才能進(jìn)行輸送，否則將顯著增加礦石輸送成本，對(duì)礦山企業(yè)發(fā)展不利。本次對(duì)礦用履帶式移動(dòng)皮帶輸送機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，該移動(dòng)式皮帶輸送機(jī)的物料輸送能力可達(dá)1470t/h，選擇的輸送帶寬度為0.83m，傳動(dòng)滾筒直徑為324mm，傳動(dòng)滾筒扭矩為1.8kNm，上托輥靜荷載0.15kN，上托輥動(dòng)荷載0.19kN，下托輥靜荷載0.41kN和下托輥動(dòng)荷載0.50kN，其參數(shù)滿足礦山實(shí)際需求，說(shuō)明本次改進(jìn)設(shè)計(jì)是合理的。

2.3 礦山應(yīng)用分析

雖然對(duì)礦用履帶式移動(dòng)皮帶輸送機(jī)的桁架結(jié)構(gòu)和皮帶輸送機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并在有限元模型的模擬分析中取得了良好的應(yīng)用效果，其模擬數(shù)據(jù)完全滿足礦山實(shí)際需求，但仍需經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)才能確定改進(jìn)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。將改進(jìn)后的礦用履帶式移動(dòng)皮帶輸送機(jī)應(yīng)用于礦山生產(chǎn)中，其設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力為1000t/h，在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了生產(chǎn)要求。同時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，對(duì)皮帶起到了良好的支撐作用。此外，移動(dòng)皮帶輸送機(jī)的輸送系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)，滿足了礦山實(shí)際需求，通過(guò)設(shè)備采購(gòu)對(duì)比顯示，使用該設(shè)備能夠降低設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用約600萬(wàn)元，設(shè)備運(yùn)行成本降低約550萬(wàn)元，顯著的提高了礦山企業(yè)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，說(shuō)明本次改進(jìn)設(shè)計(jì)是合理的。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，礦山開采工藝以及礦石物料特征等對(duì)礦用履帶式移動(dòng)皮帶輸送機(jī)設(shè)計(jì)影響較大，是確定輸送機(jī)各個(gè)零部件參數(shù)的重要計(jì)算指標(biāo)，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)意義重大。本文通過(guò)某礦山實(shí)例，在有限元模型模擬分析的基礎(chǔ)上著重對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，認(rèn)為桁架中空心管的尺寸為180mm×180mm×180mm（弦桿）和80mm×80mm×6mm（腹桿），焊接縫為6mm～7mm時(shí)能夠有效的提升桁架穩(wěn)定性，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)生產(chǎn)力為1000t/h，在礦山實(shí)踐應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果。