煤矿用带式输送机自动张紧装置的结构设计与应用

王辉

（山西潞安集团 蒲县开拓煤业有限公司，山西 临汾 041206）

煤矿中带式输送机是很重要的辅助运输装备，作用是对煤矿资源进行长距离运输。由于带式输送机具备结构简单、适应能力强、可实现长距离运输等众多优势，所以在煤矿领域有广泛的应用。张紧装置是带式输送机中重要的结构装置，作用是对皮带进行张紧，保证皮带与驱动滚筒之间具有足够的接触力，实现摩擦传动。张紧力太小皮带与驱动滚筒之间会打滑，轻则损害带式输送机设备，严重时引发生产事故；
张紧力过大可能导致皮带断裂。所以张紧装置的性能对带式输送机的运行稳定性有重要影响。本文以开拓煤业DSJ160/350/3×500 型煤矿用带式输送机为例，结合实际情况设计了一种带式输送机的自动张紧装置，主要对结构进行设计，并应用到工程实践中，达到了预期效果。

2.1 整体结构设计

对于煤矿中使用的大型带式输送机，不同使用阶段对皮带张紧力的要求存在差异，这就要求自动张紧装置能够根据实际需要对张紧力进行调整，确保带式输送机的稳定运行。图1 为带式输送机自动张紧装置的整体结构。自动张紧装置在结构方面主要包括轨道、游动小车、滑轮、钢丝绳、张力传感器、制动器、联轴器、张紧卷筒、电动机等。张紧卷筒的作用是对钢丝绳进行缠绕，张力传感器的作用是对钢丝绳的受力大小进行检测，得到皮带的张紧力，作为张紧力调整控制的反馈。制动器的作用是完成张力调整后，对整个装置进行制动，确保皮带张紧力能够保持稳定状态。

图1 自动张紧装置的整体结构示意Fig.1 The overall structure of the automatic tensioning device

2.2 基本工作原理

自动张紧装置接受控制箱的控制，主要是通过变频器对电动机进行控制，实现张紧力的调整。电动机通过联轴器与张紧卷筒进行连接并对其进行驱动，通过控制张紧卷筒的正转和反转，实现钢丝绳的伸长或缩短。钢丝绳伸长或缩短会影响游动小车在皮带轴线方向的位移。流动小车与张紧滚筒连接，游动小车移动会带动张紧滚筒移动，最终实现皮带张力的调整。调整过程中，张力传感器实时采集数据并上传至控制箱中，控制箱根据张力采集结果对电动机进行控制，实现闭环控制，确保张力调整过程的稳定性和精度。

开拓煤业DSJ160/350/3×500 型带式输送机全长为5 000 m 左右，倾角几乎为0，输送带的型号PVG2000，宽度1 600 mm，运行速度4 m/s，输送量每小时可达到3 000 t。

3.1 钢丝绳设计

带式输送机启动阶段、正常运行阶段和停车阶段对皮带张紧力的需求存在差异。开拓煤业DSJ160/350/3×500 型带式输送机正常运行阶段要求皮带张紧力为180 kN。设备在启动阶段由于其自身重量相对较大，存在很大的惯性，因此对张紧力提出了更高要求，张紧力一般为正常运行阶段的1.5 倍，所以启动阶段的皮带张紧力为270 kN。制动阶段对张紧力要求低一些，通常为正常运行阶段的0.9 倍，所以停车阶段的张紧力为162 kN。

此次设计的自动张紧装置滑轮组结构如图2 所示。在动滑轮和静滑轮的作用下，共有6 根钢丝绳参与受力。按皮带张紧力最大时的工况，即设备启动阶段时的皮带张紧力进行计算，每根钢丝绳的受力大小为45 kN。考虑到煤矿用带式输送机要求的可靠性较高，因此选用钢丝绳时设定的安全系数也应取大，此次设计中设置为5，计算得到的钢丝绳理论破断拉力为225 kN。根据上述计算结果选用的钢芯钢丝绳的抗拉强度为1 870 MPa，公称直径为20 mm。该钢丝绳的最小破断力为266 kN，可以满足实际使用要求。

图2 滑轮组的结构示意Fig.2 Structure of pulley block

3.2 张紧卷筒结构设计

张紧卷筒的名义直径可按下式计算：

式中：d为钢丝绳直径，为20 mm；
h为与结构级别和钢丝绳结构有关的系数，取为18。可计算得到张紧卷筒名义直径为360 mm。考虑到张紧卷筒工作速度较小，稳定性高，所以在表面设置了钢丝绳导向槽，导向槽的螺旋角为2°。另外，张紧卷筒的绳槽节距为22 mm，卷筒厚度为15 mm，卷筒长度为500 mm，卷筒实际工作长度为290 mm，两边预留一定长度方便与其他配件进行连接。设计的张紧卷筒结构如图3 所示。

图3 张紧卷筒结构示意Fig.3 Tight drum structure diagram

3.3 张紧电机功率计算及型号选择

电机的作用是为张紧卷筒提供动力，实现钢丝绳的伸长与缩短，因此必须具备足够的动力。根据开拓煤业DSJ160/350/3×500 型带式输送机实际情况，假设电机额定转速为90 r/min，考虑到带式输送机启动阶段的张紧力最大，按此工况条件进行计算。

张紧卷筒的转矩为：

式中：D为张紧卷筒的直径；
F为张紧卷筒的皮带张紧力。

通过式（2） 可以计算得到转矩为8.1 kN·m，张紧卷筒的转矩与电机的输入转矩相同，所以电机输出转矩也为8.1 kN·m。

电动机的功率可按下式计算：

式中：n为电机的额定转速。可以计算得到电机的功率为76 kW。

根据电动机的功率计算结果，并考虑煤矿复杂的工况环境，需要选用具备隔爆性能的电动机，最终确定的电动机型号为TBVF-90/40YC(660/1140)，主要参数如下：

3.4 张力传感器设计

自动张紧装置中张力传感器是非常重要的构成部分，作用是对钢丝绳的张力大小进行检测，是实现张紧力精确调整的基础。结合实际情况设计的张力传感器的结构如图4 所示。

图4 张力传感器的结构Fig.4 Structure of tension sensor

整体上属于双孔剪切梁式结构，具备使用寿命长、互换性好、操作便捷等优点，在钢丝绳张力检测方面展现出了明显优势。为了提升传感器的使用效果，利用高强度合金钢进行加工，表面镀铬处理，使材料在弹性变形阶段的应力和应变具有良好的线性关系。钢丝绳固定在U 型螺栓上，当钢丝绳受力时，作用力会传递到传感器主体上，应变片产生变形，根据变形量可以获得对应的张力大小。设计的传感器具备优良性能，完全能够满足自动张紧装置的使用要求，主要技术性能参数如下：

为了对设计的自动张紧装置的性能进行验证，根据设计结果将其部署到开拓煤业工程实践中。目前自动张紧装置在工程中的服役时间有1 a 以上，期间对装置的运行情况进行了详细的观察记录。结果表明，设计的自动张紧装置结构科学合理的，工作过程稳定、可靠，能够根据不同工况条件比如启动阶段、正常运行阶段、停车阶段的实际需要，对皮带张紧力进行调整。与原有张紧装置进行比较，设计的自动张紧装置响应时间更短，时间压缩了12%左右，设备工作时的振幅降低20%左右。综上所述，此次设计的自动张紧装置具有更优异的性能，达到了预期的效果，为带式输送机的稳定可靠运行提供了坚实的保障。

以开拓煤业DSJ160/350/3×500 型带式输送机为对象进行研究，主要从结构层面对自动张紧装置进行了设计，并部署到工程实践中。自动张紧装置在机械结构层面主要包括张紧卷筒、钢丝绳、游动小车、张紧滚筒、制动结构等。根据开拓煤业实际情况，通过分析计算，设计选用的钢丝绳直径为20mm，设计的张紧卷筒名义直径和宽度分别为360 mm 和500 mm， 选用的电动机型号为TBVF-90/40YC（660/1140）。将设计的自动张紧装置应用到带式输送机工程实践中，经过1 a 时间的实践应用，表明自动张紧装置可以结合实际情况对皮带张紧力进行自动调整，运行稳定性很高，达到了预期效果，保证了煤矿安全高效生产。

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