宋冠霆

中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司 遼寧沈陽 110015

拉緊裝置是帶式輸送機的必備部件，可提供驅動(或制動) 裝置所需的最小輸送帶張力，限制托輥組間的輸送帶垂度，補償輸送機啟動、停機及穩(wěn)定運行時輸送帶的塑性或彈性變形，為接頭提供輸送帶行程；還可在輸送機維護期間釋放輸送帶張力，避免在傾斜線路低位置停機時出現(xiàn)輸送帶低張力折疊問題。筆者將分析帶式輸送機對拉緊裝置的要求與其存在的問題，討論拉緊裝置的類型與布置方式，以期為大型帶式輸送機的設計提供參考。

1 帶式輸送機拉緊裝置的功能要求與存在的問題

1.1 帶式輸送機拉緊裝置的功能要求

ISO 3870—1976[1]規(guī)定，所有帶式輸送機必須配備輸送帶拉緊裝置，并具有以下功能：

(1) 確保離開驅動滾筒的輸送帶有足夠的張力，以避免輸送帶打滑；

(2) 永久確保在輸送機的裝載點和其他任何位置都具有足夠的輸送帶張力，以保持槽形輸送帶的形狀并限制輸送帶之間的垂度；

(3) 補償由于物理因素 (瞬時張力、永久伸長、外部溫度、被輸送物料的溫度或濕度等) 引起的輸送帶長度變化；

(4) 必要時提供足夠的輸送帶長度，以便重新連接而不必添加輸送帶。

帶式輸送機的拉緊行程可參考 GB 50431—2020《帶式輸送機工程技術標準》[2]設計，使用織物芯輸送帶的輸送機長度小于 300 m 的拉緊行程值可參考ISO 3870—1976[1]設計。

一般來說，拉緊裝置應能提供足夠的拉緊力和拉緊行程，且具有快速的響應速度。為配合驅動裝置啟動，系統(tǒng)啟動時要求拉緊速度為 0.5～1.0 m/s，大型帶式輸送機啟動加速度要求控制在 0.1 m/s2以下。當控制啟動、停機的方式時，拉緊裝置的響應速度較容易保證，對拉緊響應速度要求最高的情況是長距離帶式輸送機的自由停機。

1.2 拉緊裝置存在的問題

采用電動或液壓驅動方式的拉緊裝置很難滿足系統(tǒng)的要求，主要存在以下問題。

(1) 拉緊力過大 許多帶式輸送機系統(tǒng)依據 ISO 5048 設計，采用 1.3～1.5 倍的穩(wěn)定運行張力來確定拉緊力，導致所選拉緊力偏大，這對系統(tǒng)運行是不利的。特別在帶式輸送機的過渡段、凹弧段，拉緊力過大可能導致輸送帶過度伸長，產生輸送帶邊緣和托輥接觸摩擦的問題，將對滾筒施加額外的力，從而影響軸承壽命，使輸送帶接頭過早的損壞，增加過渡段輸送帶邊緣的張力，造成滾筒的不均勻磨損。

(2) 拉緊力不足 在不利條件 (天氣潮濕、高溫、輸送帶滿載等) 下，拉緊力不足會導致輸送帶打滑，損壞托輥。要加大驅動力，補償因輸送帶垂度增加帶來的阻力。

(3) 拉緊行程不足 拉緊行程不足，達到行程極限后，拉緊力會減小。當尾部滾筒小車的約束不充分時，在某些條件下允許將其抬起并從其軌道上移開。

(4) 拉緊系統(tǒng)響應速度慢 較長的越野帶式輸送機或斷電自由停機工況下，要特別注意，當輸送機的拉緊裝置與驅動裝置距離相當遠時，有必要在可能出現(xiàn)問題的地方增加拉緊裝置。

2 拉緊裝置的形式及其適用范圍

2.1 拉緊裝置的基本形式

帶式輸送機的拉緊裝置種類繁多，可以按多種方式進行分類。筆者介紹了 5 種拉緊方式，并分別對拉緊原理、適應性、響應速度、適用范圍等作了分析，如表1 所列。

表1 5 種拉緊方式Tab.1 Five tension methods

重錘拉緊 (自動拉緊) 裝置是帶式輸送機首選的拉緊裝置，可分為垂直式、尾部車式、塔架式。優(yōu)點為拉緊處的輸送帶張力恒定，很少需要手動調整，無需控制系統(tǒng)、PLC 編程或拉緊力設定。但由于需要塔架 (或拉緊井筒) 和配重，價格比固定拉緊裝置貴。

對于長距離帶式輸送機的重錘拉緊裝置，需配備緩沖裝置、限位開關以及防墜裝置來保證系統(tǒng)安全，并配備絞車以方便維護。重錘防墜落裝置 (見圖1) 由吊架、彈簧裝置 (見圖2) 及鋼絲繩等組成。吊架與拉緊裝置上方的鋼梁連接，彈簧裝置通過鋼絲繩與拉緊裝置連接。當發(fā)生事故，拉緊裝置突然下落，鋼絲繩能夠吊住拉緊裝置，阻止其下落，同時彈簧裝置將下落的動能轉化為彈性勢能，起到緩沖作用[3]。

圖1 重錘防墜落裝置Fig.1 Heavy hammerwith anti-falling unit

圖2 彈簧裝置結構Fig.2 Structure of spring unit

自動液壓缸和絞車拉緊雖然具有較高的響應速度，但不適用于長距離帶式輸送機的限矩型液力偶合器以及啟動時間較短的軟啟動方式，尤其是拉緊裝置的驅動功率較小時。該拉緊方式主要應用在因空間限制無法布置重錘拉緊的煤礦井下。

由于液壓缸長度 (一般為 6～10 m) 的限制，拉緊液壓缸的拉緊方式不適用于長度大于 1 500 m 的帶式輸送機。絞車拉緊方式能夠將拉緊的鋼絲繩纏繞在卷筒上，可以應用于長距離帶式輸送機和井下順槽可伸縮帶式輸送機；但相對于液壓缸，其響應速度較慢，無法吸收帶式輸送機啟動時輸送帶松邊的伸長量。為了保持拉緊，絞車拉緊裝置通常會配備制動器[4]。

2.2 組合拉緊裝置

組合拉緊裝置是由單一基本拉緊裝置組合而成。帶式輸送機的拉緊功能：用絞車存儲帶式輸送機的輸送帶接頭、永久伸長長度；用重錘或液壓缸吸收帶式輸送機啟動、停機過程中輸送帶的動態(tài)伸長長度；用重錘調節(jié)拉緊力。

(1) 液壓缸和絞車組合 (見圖3) 針對液壓缸和絞車拉緊的特點，開發(fā)了液壓缸和絞車組合拉緊的方式。帶式輸送機進行調整時，通過絞車的慢速運行來調整拉緊車的位置；啟動、運行和停機時，由液壓缸來調整輸送帶的動態(tài)伸長，保持輸送帶的設定拉緊力。此裝置已應用于多個井下順槽可伸縮帶式輸送機。

圖3 電動絞車與液壓自動拉緊組合Fig.3 Combination of electric winch and hydraulic automatic tension

(2) 重錘車和絞車組合方式 (見圖4) 長距離帶式輸送機大多采用這種方式，在停機狀態(tài)下，用絞車調整輸送帶的伸長量；運行過程中，絞車固定，通過重錘的位移來適應輸送帶張力變化引起的伸長。

圖4 帶式輸送機組合拉緊裝置布置Fig.4 Layout of combined tension devices for belt conveyor

北方重工為印度電廠提供的 14 200 m 帶式輸送機，采用車式重錘拉緊組合，滿足拉緊行程及可靠性要求。該拉緊組合主要包括拉緊車、托帶小車、塔架、重錘箱、電動絞車、軌道、拉力傳感器、滑輪組等。勝利露天礦至勝利發(fā)電廠輸煤系統(tǒng) 8 600 m(M705) 帶式輸送機也采用了該拉緊方式。

津巴布韋 ZISCO 公司的 15 600 m 帶式輸送機，采用塔架式重錘拉緊方式，拉緊系統(tǒng)簡單、動態(tài)響應快。輸送帶計算拉緊長度約為 60 m，拉緊行程約為30 m，拉緊塔架高約為 50 m。雖然系統(tǒng)中采用了絞車，但絞車不參與拉緊工作。電動絞車可將平衡重錘置于適當的運行位置或方便維修的位置，當輸送帶、驅動裝置或拉緊裝置需要維修時，將平衡重錘放到地面[5]。

(3) 重錘和制動盤組合 (見圖5、6) 該方式是基于重錘拉緊方式進行改進，使重錘拉緊方式的拉緊力可調。將制動盤設置在重錘拉緊的滑輪上，利用制動盤上制動摩擦力的雙向作用，使重錘作用的拉緊力在一定范圍內變化。

圖5 使用盤式制動器的絞盤Fig.5 Winch with disc brake

圖6 重錘和制動盤組合方式Fig.6 Combination of heavy hammer and brake disc

輸送帶的拉緊力

式中：F為輸送帶的張力；F1為與拉緊滾筒相連的鋼絲繩的張力；F2為重錘作用到鋼絲繩的張力；FB為制動盤提供的最大制動力；mg為重錘的重力。

由式 (1) 可得，該拉緊裝置能夠提供的拉緊力變化范圍為

(4) 絞車、重錘和液壓缸組合 Henderson 礦PC2 帶式輸送機采用絞車、重錘和液壓缸組合拉緊方式[6]，如圖7 所示。PC2 帶式輸送機長度為 16 800 m，提升高度為 471 m，帶寬為 1 200 mm，帶速為 6.1 m/s，驅動功率為 4×2 000 kW，采用頭部雙滾筒驅動。由于提升高度較大，對采用頭部拉緊的電動機斷電工況進行動力學分析，發(fā)現(xiàn)尾部輸送帶的張力極低?？紤]了 3 種布置方案，最終選定方案為電動機斷電時將重錘布置在輸送機頭部，由一個位于重錘和地面間的液壓缸組成鎖定機構。正常情況下，輸送機的電源關閉時間約為 150 s。斷電期間，前端拉緊裝置的鎖定可防止輸送帶被送入系統(tǒng)。如果發(fā)生電源故障，兩個液壓缸腔之間的閥關閉，防止重錘移動?；謴碗娫春?，閥門將緩慢打開，以使輸送帶恢復正常工作張力。這樣，會消除向尾部傳播的低張力波，從而產生低張力問題。該方案缺點在于拉緊裝置必須能承受比正常預期更高的輸送帶張力，但是，在這種情況下，該方案仍被證明是最可行的解決方案。

圖7 絞車、重錘和液壓缸組合Fig.7 Combination of winch,heavy hammer,and hydraulic cylinder

3 拉緊裝置的布置設計

3.1 拉緊裝置布置的基本原則

(1) 對于簡單布置的輸送機，為減小輸送帶最大張力，上運和水平帶式輸送機將拉緊裝置布置在頭部，下運帶式輸送機將拉緊裝置布置在尾部。

(2) 對于較長的帶式輸送機，需要考慮將拉緊裝置布置在靠近驅動裝置處，以保證驅動滾筒在啟動過程中不打滑。

(3) 拉緊裝置盡可能布置在輸送帶張力最小處，以便減小其結構尺寸，工作時減小輸送帶附加力。

幾種典型的拉緊裝置布置位置如圖8 所示[7]。圖8(d) 中，將拉緊裝置布置于兩傳動滾筒間，并在傳動滾筒上設置制動器，可以得到較小的拉緊力[8]。

圖8 典型的拉緊裝置布置位置Fig.8 Typical layout position of tension device

拉緊裝置實際布置時，在張力計算基礎上，還需進行動力學分析。例如：一條長為 1 000 m、提升高度為 150 m、輸送量為 1 500 t/h 的輸送機，若布置在頭部，斷電停機時，輸送機尾部張力降低，有可能出現(xiàn)輸送帶疊帶的問題。對輸送機進行動力學分析可知，將拉緊裝置布置在尾部可保證輸送機的可靠運行[9]。

在大型中等長度距離的帶式輸送機中，也可根據滾筒所受張力導致的阻力確定拉緊位置。巴西 VALE公司 CLN 項目 TR-313K-84 帶式輸送機設計中，用戶提出了頭部、尾部拉緊的設計方案。計算輸送機張力后，確定了頭部拉緊的方案。

3.2 拉緊裝置的多點布置

拉緊裝置的多點布置一般是兩點布置方式。將拉緊裝置進行功能分解，采用單獨的絞車拉緊裝置吸收輸送帶的溫度變化伸長量、永久伸長量、接頭長度，而將用于吸收動態(tài)伸長量的重錘拉緊裝置布置在輸送機不同位置，如圖9 所示。

圖9 拉緊裝置兩點布置Fig.9 Two layouts of tension device

大柳塔煤礦主井帶式輸送機是國內較早采用拉緊裝置兩點布置的帶式輸送機，機尾采用固定絞車拉緊，機頭采用垂直重錘拉緊。

Barfoot 和 Gauvin 研究了拉緊裝置兩點布置問題[10]，將靠近驅動的拉緊裝置稱為主拉緊裝置，設置在輸送機線路上低點的拉緊裝置稱為次拉緊裝置，次拉緊裝置采用重錘加鋼絲繩緩沖和機械限位裝置，分析了采用雙拉緊裝置的可能性，但沒有實際應用。因為輸送帶的張力是連續(xù)變化的，當采用 2 個重錘拉緊時，需要 2 個重錘拉緊具有很好的配合，否則將出現(xiàn)振蕩問題。Barfoot[6]認為，這種拉緊方式調試困難，在 Henderson 礦 PC2 帶式輸送機系統(tǒng)設計中也未能采用此雙拉緊方案。

南非 Sasol 煤礦 26 700 m 長距離帶式輸送機采用了拉緊裝置兩點布置方案[11]，在頭部布置拉緊行程為38 m 帶制動盤的重錘拉緊裝置，對啟動、停機過程的拉緊行程和拉緊力進行調節(jié)；在中間驅動位置布置拉緊行程為 30 m 的絞車拉緊裝置，以吸收輸送帶的接頭長度和永久伸長量。

4 結語

目前，大型帶式輸送機使用拉緊組合越來越多，但設計人員對組合拉緊的作用尚不清晰。筆者對帶式輸送機拉緊裝置的作用和存在的問題進行了分析；總結了螺旋拉緊、固定絞車、自動絞車、自動液壓缸、重錘式拉緊裝置的拉緊原理與適用性；分析了液壓缸和絞車組合、重錘車和絞車組合、絞車重錘和液壓缸組合、重錘和制動盤組合等多種組合拉緊方式的特性，有助于拉緊裝置的選用；給出了拉緊裝置位置布置的原則；分析了雙拉緊帶式輸送機系統(tǒng)中各拉緊的作用，可為大型帶式輸送機及其拉緊裝置的設計提供參考。