张碧丛
华电重工股份有限公司 北京 100070
摘 要：“品字形”托辊组的结构形式有效避免了长距离、大运量、大带宽带式输送机托辊组划伤胶带的现象，但托辊偏置造成托辊组受力不均衡，严重时出现“倒伏”现象。在已有“品字形”托辊组的基础上进行结构改进，优化托辊组受力条件，使得新型“品字形”下沉槽型托辊组质量轻、受力均衡、结构合理。
关键词：带式输送机；品字形；下沉；托辊组
中图分类号：TH222 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2018）12-0140-03
0 概述
作为成熟的散料输送设备，带式输送机零部件已形成标准形制，根据生产使用中出现的问题，形制进行了多次改版修订，演变成现在熟知的DTII（A）型[1]。在系统设计中，DTII（A）型带式输送机结构合理、制造简单，统一的标准大大简化了设计、制造流程，其形制被带式输送机行业广泛认同。在长距离、大运量、大带宽带式输送机的实际使用中，DTII（A）型带式输送机托辊组出现了磨损胶带的现象，这是由于托辊组的中辊与边辊之间存在缝隙，在大运量、长距离运输过程中胶带非工作面反复通过托辊缝隙造成的。在相同位置长期遭受挤压、划伤，使胶带磨出一道深沟，直至提前报废，不仅降低了输送系统的安全系数，也使用户使用成本增加。针对以上问题，2007 年沈矿集团山普公司的陈富等人[2] 提出了一种新型托辊组——“品字形”托辊组的结构理念，即将普通托辊组的中辊沿胶带运行的反方向偏置，边辊向托辊组垂直中心靠拢，使中辊与边辊沿胶带运行方向投影部分地重合，巧妙地解决了托辊组中辊与边辊之间的缝隙划伤胶带的问题。2012 年，北方重工集团有限公司输送设备分公司的冯兴华等人[2] 对比了“品字形”托辊组辊子、辊架的材料和质量等问题，认为“品字形”托辊组具有较好的应用市场前景。2015 年，唐山矿山冶金机械厂的齐伟明等人[4] 通过有限元受力分析，将“品字形”托辊组横梁改为圆管，使得新型前置前倾托辊组在相同受力条件下，结构更轻便，并在辊架边支柱槽处设置卡板，防止辊子脱落。
经过多个项目应用，“品字形”托辊组有效地避免了胶带划伤，延长了胶带使用寿命，但因为“品字形”托辊组中辊偏置，胶带在通过中辊与边辊成槽截面时存在微小的变形，致使这种新型托辊组所受到的胶带阻力较大；加上中辊偏置使重心偏移，胶带及物料重力对托辊组产生了倾覆力矩，致使部分“品字形”托辊组安装完使用时出现“倒伏”现象，严重影响了整个输送系统的生产运行。2015 年，四川省自贡运输机械集团股份有限公司的龚欣荣[5] 在原有“品字形”托辊组的基础上，降低托辊组重心，优化其结构刚性与稳定性，使得新型“品字形”托辊组受力表现更好，但重心偏移受力不均现象仍未彻底解决。
1 新型托辊组结构形式
针对现有“品字形”及前置前倾槽形托辊组受力状态不稳定情况，本文设计一种“品字形”下沉槽形托辊组，采用钢管“U”形架体，将无缝钢管加热，经弯管机弯至设计形状，将中支柱及边支柱分别焊接至“U”形架体的设计位置，将“U”形架整体下沉，并通过连接板与带式输送机中间架连接固定。此托辊架形式降低了托辊组整体重心，最大程度减小胶带摩擦阻力对托辊组的倾覆力矩。
在托辊布置方面，本文采用边辊前置，中辊后置的布置形式，这种形式托辊组重心基本保持不变；胶带及物料自重的约50% 由中辊承载，胶带摩擦阻力产生的沿带式输送机运行方向向前的倾覆力矩，与中辊承受的胶带及物料自重产生的力矩相互抵消，将托辊组整体所受的力矩降到最低，保持托辊组受力状态的稳定性，避免托辊组出现“倒伏”现象。图1 为“品字形”下沉槽形托辊组。
1.“U”形托辊架 2. 中支柱 3. 中辊 4. 边辊5. 连接板 6. 边支柱
图1 “品字形”下沉托辊组装配示意图
2 有限元分析
1）模型建立
本文选取托辊组适应带宽B =1 200 mm，45°槽形托辊组，辊子直径159 mm，中辊长380 mm、轴承型号4G309，边辊长530 mm、轴承型号4G308。采用相同的托辊架横梁及边支柱截面，并对“品字形”下沉槽形托辊组与原“品字形”托辊组进行建模, 见图2。
2）受力及约束条件
根据带式输送机实际运行工况，对托辊组施加相应力，带式输送机运行工况如表1。中辊承受上部胶带及物料重力的50%，其余50% 由两只边辊承受。简化受力模型，物料、胶带及中辊对托辊架中支柱的向下力为4 870 N，物料、胶带及边辊对托辊架中支柱的向下力为510 N，边支柱为170 N，托辊架受沿胶带运行方向的阻力为100 N。
（a）“品字形”下沉托辊组 （b）原“品字形”托辊组
图2 托辊组三维图
托辊组连接板与中间架接触面设置固定约束，托辊架材料Q235，零部件采用全局接触。根据模型尺寸及特征自动划分实体网格如图3。
（a）“品字形”下沉托辊架（b）原“品字形”托辊架
图3 托辊架网格划分
3）有限元分析结果
本文使用SolidWorks 软件进行实体建模，用自带的Simulation[6] 模块进行有限元分析，应力图解如图4。排除建模产生的应力集中，其中“品字形”下沉槽形托辊组最大应力为65.6 N/mm2，位置在边支柱筋板处；“品字形”槽形托辊组最大应力为75.2 N/mm2，位置在横梁与连接板处。对比分析，两种托辊组应力均满足要求，但普通“品字形”托辊组受到了较大的扭矩，“品字形”下沉槽形托辊组情况较好，这是其结构重心较低决定的。相应地“品字形”下沉槽形托辊组质量为58.33 kg，“品字形”槽形托辊组质量为66.64 kg，“品字形”下沉槽形托辊组采用了较轻的结构设计从而达到了相近的应力水平，体现了“品字形”下沉槽形托辊组的优势。
3 结语
“品字形”下沉槽形托辊组已在黄骅港管廊一期项目（约14 km）上应用，取得了较好的使用效果。在保证受力的条件下，单个托辊组减重约14%，有效避免了胶带划伤及托辊组倒伏等问题，因边辊及中辊采用不同方向偏置的布置形式，改善了胶带下垂度条件，因而项
（a）“品字形”下沉托辊架（b）原“品字形”托辊架
图4 托辊架应力图解
目将普通段托辊间距加大到2 m，节省托辊组数量，降低投资。“品字形”下沉槽形托辊组以其特有的优势，正在不断完善其形制和系列产品，将会得到行业更加广泛的认可与应用。
参考文献
[1] 张尊敬, 汪甦.DTII（A）型带式输送机设计手册[M]. 北京: 冶金工业出版社,2003.
[2] 陈富, 王丽丽. 胶带运输机“品字形”托辊组的设计[C]. 第三届十省区市机械工程学会科技论坛暨黑龙江省机械工程学会2007 年年会论文（摘要）集,2007.
[3] 冯兴华, 胡冰, 岳晓丹. 浅谈胶带运输机新型托辊及托辊组的实际应用[J]. 中国新技术新产品,2012(8):3.
[4] 齐伟明, 刘伟. 前倾前置槽型托辊组[J]. 企业技术开发,2015,34 (24):100，101.
[5] 龚欣荣. 带式输送机托辊组: 中国, 204689029 U[P]. 2015-10-07.
[6] DSSolidWorks 公司. SolidWorks Simulation 高级教程[M].北京: 机械工业出版社,2011.
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