带式输送机更换托辊用皮带举升机构设计与应用

文章导读 || 田立勇, 唐瑞, 于宁, 等.

摘要

Abstract

针对长运距大型带式输送机托辊故障频发，托辊更换工作导致停机停产，以及传统人工更换托辊方式效率低、设备单一等问题，以王家岭煤矿主平硐带式输送机为研究对象，提出了一种可实现不停机更换托辊的机器人，以提高托辊更换效率。皮带举升机构是更换托辊机器人的重要部件，基于该机器人的功能需求以及带式输送机空间狭窄、皮带载荷大等特点，设计了剪叉式皮带举升机构。首先，利用SolidWorks软件构建了剪叉式皮带举升机构的三维模型，基于带式输送机参数计算得到举升皮带的工作载荷后，对皮带举升机构进行受力分析。然后，采用SolidWorks Motion模块对皮带举升机构进行运动学仿真分析，同时利用ANSYS Workbench有限元软件对其进行静力学仿真分析。最后，开展地面试验和井下试验，以验证所设计的皮带举升机构的可行性。地面试验结果表明，在20~60 kN载荷下，皮带举升机构竖直位移的实测结果与仿真结果的匹配精度为6%~15%，验证了其主体结构的承载能力满足设计要求；井下试验结果证明了皮带举升机构设计的合理性和可靠性。剪叉式皮带举升机构的承载能力和举升高度均符合更换托辊机器人的功能需求，是实现带式输送机不停机更换托辊的关键技术突破。

关键词：带式输送机；不停机更换托辊；皮带举升机构；仿真分析

引用格式

田立勇,唐瑞,于宁,等. 带式输送机更换托辊用皮带举升机构设计与应用[J]. 工程设计学报,2023, 30(6): 667-677. doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.127

TIAN Liyong, TANG Rui, YU Ning, et al. Design and application of belt lifting mechanism for replacing idler of belt conveyor[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(6): 667-677.

作者及单位

田立勇, 唐瑞, 于宁, 陈洪月

辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新 123000

基金资助

国家自然科学基金面上项目（52174143，51874157）

作者简介

田立勇（1979—），男，辽宁凌源人，副教授，博士，从事机电一体化研究，E-mail: tianliyong@lntu.edu.cn，https://orcid.org/0000-0002-8690-5550

结论

Conclusion

1）以王家岭煤矿主平硐带式输送机为研究对象，提出了一种可以实现不停机更换托辊的机器人，并设计了剪叉式皮带举升机构。同时，根据带式输送机的参数，计算了举升皮带的工作载荷，并对皮带举升机构进行了受力分析。

2）利用SolidWorks Motion模块对皮带举升机构进行了运动学仿真分析，得到了中间托辊架和剪叉臂的运动曲线。结果表明，中间托辊架的举升高度最高可达240 mm；剪叉臂的最大角速度为35 (°)/s，最大角加速度为127 (°)/s²；皮带举升机构的速度在升降过程中未发生突变，说明其运动过程无干涉状况，验证了机构设计的合理性和可行性。

3）采用ANSYS Workbench有限元软件对皮带举升机构进行了静力学仿真分析。结果表明，机构的最大变形量为1.209 7 mm，可忽略变形量对机构的影响；机构的最大等效应力出现在剪叉臂与托辊架的连接处，为142.8 MPa，小于材料的屈服强度，说明机构的刚度和强度均符合设计要求。

4）通过地面试验对皮带举升机构在20~60 kN载荷条件下的承载能力进行了测试。结果表明，机构具有足够的承载能力。分别在带式输送机停机和工作状态下开展了井下试验，结果表明，皮带的最大举升高度为241 mm，达到预期效果，可满足更换托辊机器人的功能需求，验证了皮带举升机构能实现在带式输送机不停机状态下举升皮带并保证输送机稳定运行。

剪叉式皮带举升机构的成功应用是不停机更换托辊机器人的关键技术突破，减少了带式输送机运行故障，有利于保障煤炭生产的连续性和提高煤炭生产效率。此外，本文采用理论分析与仿真相结合的方式开展研究，有效地降低了研发成本和周期；所设计的皮带举升机构结构紧凑，举升能力强，伸展性好，适用于小空间、大高度的举升环境，可为其他设备举升机构的设计与应用提供参考。

部分图表