大型带式输送机启动时角式驱动头架安全性分析.pdf

2020 年第 8 期2020 年 8 月 目前，工程常用的单机驱动功率在 1 000 kW 以上 的大型带式输送机还没有专门的设计手册对相关配套 机构进行规定。大型带式输送机是角式驱动头架通过 驱动滚筒与输送带的联系和相互作用对物料进行传输 的关键设备，包括很多关键部分，例如机架、输送带、 驱动装置、改向装置、传动装置、张紧装置等。其中， 输送带通过托辊支撑，在规定的线路上完成物料的传 送，从加料点传送至下货的卸料点。在整个传输线路 上，根据输送机在不同位置以及所发挥的不同功能设 立有机头架、机尾架、驱动架和中间架等。在带式输 送机启动时载荷突变的情况下，角式驱动头架的受力 最大，尤其是单机驱动功率在 1 000 kW 以上的大型 带式输送机设备，研究其角式驱动头架在启动时的受 力稳定性，对于保障整个输送过程的安全性具有重大 意义。 1角式驱动头架失效分析 为了更好地分析角式驱动头架的受力情况，以 DTC120/75/2Χ 型矿用带式输送机的驱动头架为研究对 象，对其运行过程中的失效机理进行分析。角式驱动 头架采用金属结构，通过金属连接工艺进行组装，主 要采用焊接和螺栓连接等方式连接，包括型钢、槽钢以 及钢板等结构构件，由图 1 所示。 图 1DTC120/75/2Χ 型带式输送机角式驱动头架图 角式驱动头架主要安装在整个带式输送机输送系 统的机头位置，它主要用于传动和头部卸料滚筒的安 装和支撑，适用于倾角在 0毅耀18毅范围内的带式输送机 中。该结构的机头采用框架式，便于机头框架的进出收 缩，传送带存放在机尾安装的换向滚筒之间。传送带的 长度可以通过两个转向滚筒之间的可调距离来改变。 驱动头架是驱动辊的固定支承装置，其结构和受力 复杂。主轴箱的稳定性直接关系到输送机的正常稳定运 收稿日期2020-03-09 作者简介陈超，1988年生，男，山西大同人，2017年毕业于太 原理工大学矿业工程专业，硕士，工程师。 大型带式输送机启动时角式驱动头架安全性分析 陈超 （ 大同煤矿集团机电装备制造有限公司，山西 大同 037000 ） 摘要 带式输送机角式驱动头架的作用在于支撑输送机驱动滚筒组，其受力状态对整个过程输送系统的稳定运行起着很 重要的作用。目前，带式输送机设计手册主要针对的是驱动功率在 320 kW 以下的设备，开展驱动功率在 1 000 kW 以上 的大型带式输送机启动时角式驱动头架的受力分析，可以检验整个输送系统的安全性，并对大型带式输送机角式驱动头 架的结构优化设计起到关键作用。通过对 DTC120/75/2Χ 型带式输送机驱动头架进行优化分析可得，优化后的驱动头架 结构性能更好，能更好地满足带式输送机的使用需求，为后期开展驱动头架优化改进提供了重要参考。 关键词 大型带式输送机；驱动头架；受力分析；安全性 中图分类号 TD634.1文献标识码 A文章编号 2095-0802-202008-0095-03 Safety Analysis of Angle Driving Head Frame When Large-scale Belt Conveyor Starts CHEN Chao Mechanical and Electrical Equipment Manufacturing Co., Ltd., Datong Coal Mine Group, Datong 037000, Shanxi, China Abstract The function of angle driving head frame of belt conveyor is to support the driving roller group of the conveyor. Its stress state plays an important role in the stable operation of the whole process of the conveying system. At present, the belt conveyor design manual is mainly aimed at the equipment with the driving power below 320 kW. The stress analysis of the angle driving head frame when the large-scale belt conveyor with the driving power above 1 000 kW starts can test the safety of the whole conveying system and play a key role in the structural optimization design of the angle driving head frame of the large-scale belt conveyor. Through the optimization analysis of DTC120/75/2锥 type belt conveyor driving head frame, it can be concluded that the optimized driving head frame has better structural perance and can better meet the use requirements of the belt conveyor, which provides an important reference for the later optimization and improvement of the driving head frame. Key words large-scale belt conveyor; driving head frame; stress analysis; safety （总第 179 期） 技术研究 95 2020 年第 8 期2020 年 8 月 行，有必要对机头架的失效形式进行分析。在整个工 作过程中，驱动头架的失效形式主要包括以下两种[1]。 a 裂缝。驱动头架是一种由钢材等焊接而成的金 属结构，在实际焊接过程中由于焊接结构或焊接工艺 不合理，会在焊缝中出现气孔、夹渣等缺陷，导致应 力在焊缝处集中。驱动头架处于连续变化的载荷作用 下，最后会在焊缝处出现疲劳裂纹，焊缝处出现裂纹 的时间过早，导致头架无法正常发挥作用。 b 局部应力集中。由于机头架柱横向、轴向和弯 矩的共同受力作用，当发生弯曲变形时，在载荷的连 续作用下，若变形超过允许值，将发生永久变形；若 超出结构挠度，柱的承载力将相应降低。如果柱再次 承受正常载荷，则变形不断积累，最终导致驱动头架 失效，无法正常工作[2]。 2角式驱动头架受力仿真分析 2.1模型建立 角式驱动头架大部分为焊接、螺栓连接，并且由 钢板、槽钢连接而成，实际工作过程中受力复杂，载 荷分布更为复杂。通过软件搭建模型时力求完整，以 确保后期有限元分析的准确性，并且对结构方面进行 一定的简化，原则上不得不影响加载情况。采用 Soldworks 建立的角式驱动头架模型如图 2 所示。 图 2带式输送机角式驱动头架模型图 将机头架在 Soldworks 中的模型导入至 Ansys Work- bench 软件中，对其在有限元仿真分析中的相关参数进 行定义。 2.2材料性能参数 根据设计要求，支架的所有材料都选用碳素结构 钢[3]，型号为钢材 Q235，其主要性能参数为质量密度 为 7 700 kg/m3，弹性模量 E 为 2.05伊1011Pa，屈服强度 S 为 235 MPa，弹性强度为 150 MPa，泊松比 u 为 0.3。 2.3有限元网格划分及定义 每个机头架的有限元网格划分采用四面体单元 Solid92，每个单位结构体 6 个节点[4-5]。对每个单元的各 项参数进行设定，通过 Ansys 软件对模型进行网格划 分，机头架四面体实体单元数为 116 324，节点数为 34 679，如图 3 所示。 2.4有限元模型施加载荷 根据带式输送机启动时角式驱动头架的实际工作 载荷受力情况[6]，对角式驱动头架的有限元模型施加模 拟载荷，实际工作载荷数据如下运送物料为原煤； 输送量 3 100 t/h，带速 4 m/s，带宽 1 600 mm，带 长 1 606.8 m，提升高度 225.887 m；驱动滚筒直径 1 600 mm，质量 17 235.38 kg；改向滚筒直径 1 025 mm， 质量 3 535.83 kg；电动机驱动功率 1 200 kW。角式驱 动头架载荷示意图见图 4。 图 3带式输送机角式驱动头架有限元模型图 图 4带式输送机角式驱动头架载荷示意图 3仿真结果分析 通过 Ansys 软件对模型进行载荷受力计算后，在 Workbench 平台界面显示不同方位的应力云图，如图 5 所示。 图 5角式驱动头架应力云图 96 2020 年第 8 期2020 年 8 月 图 8角式头架 Z方向位移图 角式驱动头架各个方向的位移图如图 6耀8 所示。 通过对上述带式输送机在初始驱动下其驱动头架 各项有限元分析结果中的应力图和各个方向的位移图 进行分析，可以得出以下结论 a 强度分析。角式驱动头架最大应力为79.12 MPa， 最大应力在水平、斜撑杆的交叉位置。由于该处结构 尖锐，产生了应力集中现象，需进行优化设计；机架支 柱的最大应力为 55 MPa 左右，位于底座横梁附件处， 机头架底座横杆处应力比较小。由此可以得出角式驱 动头架在大型带式输送机启动时对结构的强度要求， 但需对应力集中部位进行优化设计。 b 刚度分析。在 X 方向，最大位移发生在滚筒轴 承座处，其值为 0.016 543 mm，没有超过机头架在 X 方向的允许挠度 6 mm，符合要求；在 Y 方向，最大位 移发生在横撑杆与斜撑杆交叉处，其值为 0.425 69 mm， 没有超过机头架在此方向的允许挠度 6 mm；在 Z方向， 最大位移发生在支柱顶端的横梁处，其值为 1.559 8 mm， 没有超过机头架在此方向的允许挠度 7 mm。因此，通 过有限元仿真得出位移满足刚度要求。 c 焊缝强度分析。分析应力云图数据可以得出， 驱动头架焊缝处最大应力为 75 MPa 左右，而实际工况 中焊缝应力强度一般为 160 MPa。因此，通过计算得出 焊缝结构强度满足实际工作要求。 4结构优化分析 对角式驱动头架水平杆、斜撑杆交叉位置存在的 应力集中现象进行优化，在该处设计半径 420 mm 的圆 角，并且将底座横梁的加筋板去除部分结构，其余载 荷条件、材料均不发生变化，仿真结果如图 9 所示。 图 9角式驱动头架优化后应力云图 由图 9 可得出，优化后整体结构应力分布均匀，应 力集中现象得到了消除，提高了结构整体安全性，避 免了结构金属疲劳破坏。最大应力位置在支柱附件横 撑杆及立柱与底座的交界处，其值为 75.27 MPa，降低 了极限应力值并满足强度要求。由此说明，优化后的 角式驱动头架结构能较好地满足使用需求。 5结语 以 DTC120/75/2Χ 型带式输送机驱动头架为研究对 象，通过有限元仿真技术计算得出角式驱动头架的刚 度和强度满足要求，符合带式输送机在日常工作过程 中的载荷受力要求，并进一步优化了角式驱动头架结 构，消除了应力集中现象，避免了结构金属疲劳破坏， 图 6角式头架 X 方向位移图 图 7角式头架 Y 方向位移图 （下转 154 页） 陈超 大型带式输送机启动时角式驱动头架安全性分析 97 2020 年第 8 期2020 年 8 月 （上接 97 页） 延长了机构使用寿命。优化后的角式驱动机头架在工 作过程中受力相对均匀，没有出现超载的现象，对于 整个系统传送过程的安全性、稳定性有着重要的作用， 而且各个结构在各个方向的位移具有高度对称性，不 会出现偏载、不平衡现象。此研究方法为后期开展角 式驱动头架的优化改进研究提供了重要参考。 参考文献 ［1］ 司满州， 李峻.带式输送机胶带跑偏的原因与治理 ［J］ .水利电 力机械， 20045 41-44. ［2］ 何万库， 薛河.带式输送机水平转弯运行时的跑偏研究 ［J］ .起 重运输机械， 20057 38-39. ［3］ 张晓冬.带式输送机滚筒参数化有限元分析 ［D］ .长春 吉林大 学， 2006. ［4］ 刘刚.大型球磨机静压轴承 CAE 技术应用研究 ［D］ .长春 吉 林大学， 2007. ［5］ 王文杰.风机增速器斜齿轮啮合载荷及齿向修形的研究 ［D］ . 大连 大连理工大学， 2008. ［6］ 付林云.大功率胶带输送机的驱动设计 ［J］ .上海电气技术， 2019， 122 40-44. （ 责任编辑刘晓芳 ） 3.2钻孔施工数量分析 结合八采区泄水巷掘进作业期间气体监测相关数 据和瓦斯涌出数据，确定巷道内通风风速不得小于 0.25 m/s，泄水巷巷道截面面积最大为 10.2 m2，因此， 巷道风量不能小于 154 m3/min。基于这一需求和钻孔施 工前泄水巷与辅助运输顺槽气压参数，将钻孔类比为 通风调节设施截断面，运用通风设施风量调节断面有 关计算公式求得，应当布设导风钻孔 7 个，单个钻孔 直径为 170 mm。 4通风钻孔施工及安全防护相关措施 4.1钻机施工准备工作 a 在钻探施工前，要确保辅助运输顺槽钻机施工 区域周边通讯线路畅通[4]。b 严格遵守岗位危险源辨识 制度、“三位一体”安全确认制度和“四级”安全评估 制度。c 钻机安装调试。a钻机机道安装要紧固，搬 运车需通过道木垫离地面，并在其前后布设立柱和戗 柱，戗柱与钻孔施工方向相反，并通过铁丝连接在固定 锚杆上；立柱和戗柱的宽度与厚度都不得小于 100 mm， 并与顶板充分接触。b钻机机身布设要平稳，并上牢 紧固螺丝，同时，机器机械运转部分要增设防护罩，杜 绝失爆现象发生。c搭接电源时，要安排专人负责电力 停送控制，有人在电气设备上施工时必须确保设备断 电；检修钻机等电气设备时，应当安排双人负责，不 可通过捎信、约时或其他安全系数较低的方式进行停 送电联系。检修停送电采取双牌制度，即停电开关上 由停电人员和检修人员分别悬挂指定标示牌，并在完 成检修后反向依次摘除标示牌。此外，完成检修作业 后，工作人员要及时清扫现场，确保所有人员全部撤 离检修设备周边后方可恢复供电。检修施工时，要实 时监测瓦斯的体积分数，确保瓦斯的体积分数不超过 1时方可进行检修施工。d提前准备钻孔施工所需的 各类配件和管材，并依照有关要求整齐有序摆放。e正 式施工前，要提前调试钻机，确保钻机各传动部分运转 正常，启闭灵活。 4.2钻孔施工措施 a 钻探施工时，作业现场必须由专业技术人员统 一指挥。b 钻孔施工人员作业时不得紧靠钻杆，要均 匀给压作业。同时，要随时掌握孔内情况，钻速、钻压 要根据钻孔情况及时调整，以保证钻进作业的持续性 和稳定性。c 钻机启动时，作业人员要集中注意力， 做到手不离按钮，眼不离钻机。d 作业期间要确保水 路畅通，避免发生打干眼的情况。e 禁止使用手脚或 其他物件直接干扰机械运转，工作人员不得随意坐在 电机上。f 钻进施工前，要丈量钻具，确保钻具丝扣 完好，钻杆无磨损、无弯曲。g 钻孔通透后，要及时 在钻孔上安装花管，避免杂物掉入钻孔，发生堵塞。 h 完成钻设后，要及时搬迁钻机并清理施工现场，确 保周边区域能够及时恢复。 4.3钻孔保护 完成钻孔施工后，要及时加工套管和花管，防止钻 孔被堵塞。具体来说，在施工时，应当先在钻孔内下入 套管，套管上方增设花管，避免大块杂物进入套管被 堵塞[5-6]。完成套管及花管布设后，要在钻孔硐室外布 设栅栏，避免人员随意进出。 5结语 通过施工通风钻孔，A 矿八采区泄水巷形成全风压 通风环境，巷道内风量达到 200 m3/min 以上，满足了 井下安全作业要求，同时将原局部风机停电闭锁，降低 了井下作业能耗和作业成本支出，而且全风压通风系统 的构成使得局部通风更加安全、稳定，作业人员可随意 进入巷道，矿井作业的综合效益显著提升。 参考文献 ［1］ 周霖， 刘心广， 吴建宾， 等.拉链式快速连接风筒在长距离掘进 通风中的应用 ［J］ .矿山机械， 2020， 486 73-78. ［2］ 邓宁宁.煤矿长距离掘进工作面通风技术研究 ［J］ .石化技术， 2019， 2610 321-322. ［3］ 李钢.探析煤矿长距离掘进局部通风的研究现状 ［J］ .当代化 工研究， 20199 26-27. ［4］ 苏鹏伟.长距离煤巷双巷平行掘进通风方式实践 ［J］ .江西煤 炭科技， 20193 203-204. ［5］ 田祥雄.长距离掘进工作面局部通风安全与优化研究 ［J］ .自 动化应用， 20197 143-144. ［6］ 王晋平.长距离掘进工作面通风分析 ［J］ .能源与节能， 20197 95-96. （ 责任编辑白洁 ） 154