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[摘 要]论文针对S型波状挡边带式输送机工作中，存在改向滚筒的滚筒轴、轴承、轴承座运转不同心，旋转阻力大等问题，采用有限元分析的方法，对S型波状挡边带式输送机结构进行改进设计，研究结果表明：改进设计后的S型波状挡边带式输送机减小了改向滚筒旋转阻力，解决了改向滚筒轴承的运转寿命短的问题。
[关键词]S型波状挡边带式输送机；关键技术；依据
中图分类号：TH222 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0340-02
0 引言
波状挡边带式输送机目前广泛用于煤矿业，主要用于采煤时采区顺槽、采区上下山、主要用于运输平巷以及斜井，也常用语地面生产系统和选煤厂。近年来工业发展的趋势使带式输送机朝着多品种，高速度，大功率，大运量，长距离的方向发展。在条件适当的情况下，采用带式运送及运送散料具有明显的经济效益。
1 波状挡边带式输送机应用与现状的研究
刘骁[1]针对波状挡边皮带的一些故障进行总结及分析。高波[2]进行了波状挡边带式输送机发展趋势的探讨。杨光旭[3]针对波状挡边带式输送机的支撑装置进行研究，并对凸弧段承载托辊的研究和分析，总结发现凸弧段托辊的失效形式和失效原因。王鹰[4]为了延长输送带的使用寿命，应对其结构进行改进。袁晓义[5]分析了影响大倾角波状挡边皮带使用寿命的原因，并提出了针对性的措施。
2 S型波状挡边带式输送机设计方法
本文应用综合设计法对波状挡边带式输送机设计方法的若干问题进行研究，分别对S型波状挡边带式输送机改向压带滚筒和S型波状挡边带式输送机凸弧段进行受力分析。利用Ansys Workbench13.0中的Design Modeler建立滚筒的三维模型，并对波状挡边带式输送机的改向滚筒进行有限元分析，将仿真结果与理论计算结果进行对比，提出改向滚筒的改进方案。
3 S型波状挡边带式输送机结构设计
3.1 波狀挡边带式输送机的工作原理
物料的自然堆积面为AB，在AB面内取一质点P，此P点的受力情况如图所示，取平衡方程式如下：
Gcosθ=N
Gsinθ=F
但是F=Ntanρ
故Gsinθ=Ntanρ，将Gcosθ=N代入得：tanθ=tanρ
即受力平衡面与水平面夹角θ等于物料的内摩擦角ρ。
3.2 S型波状挡边带式输送机的设计计算
3.2.1 输送量计算：
本系列按水平截面计算有效输送量，不考虑物料堆积角P对输送量的影响。并且根据物料在输送带上的装载情况，输送量Q分别按如下两式计算。
（a）TC型隔板
当tq≤ts时，Q=k×3600×v×ρ×h×Bf×（tq/2+0.1232×h）/ts
当tq>ts时，Q=k×1800×v×ρ×h×Bf×（2-ts/tq+0.024264×h/ts）
（b）T型隔板
当tq≤ts时，Q=k×1800×v×ρ×h×Bf×tq/ts
当tq>ts时，Q=k×1800×v×ρ×h×Bf×（2-ts/tq）
式中：k-物料填充系数
tq-物料与基带理论接触长度
tq=h×（0.364+tg（90°-β））
ρ-物料松散密度（kg/3m）见各种相关手册
h-横隔板高（m）
β-输送机倾角（度）
ts-横隔板间距（m）ts通常为3～6倍波形距
Bf-有效带宽（m）
v——带速（m/s）
3.2.2 运行功率及张力计算：
1、传动滚筒上所需要的圆周力Fu
Fu=CFH+Fst（N），系数C见表1
其中：（1）FH——主要阻力
FH=f×g×L[qRO+qRU+（2qb十qG）×L/sqrt（H2+L2）]
式中：f——模拟摩擦系数，对于制造和安装良好的输送机取f=0.022—0.025
g——重力加速度g=9.81（m/s）
qRO——上托辊转动部分质量/上托辊间距（kg/m）
qRU——下托辊转动部分质量/下托辊间距（kg/m）
qb——挡边输送带整带每米质量（kg/m）
qb=qO+2qs十Bf*qt/ts
qo——基带每米质量（kg/m）
qs——挡边每米质量（kg/m）
Bf——有效带宽（m）
ts——横隔板间距（m）
qt——横隔板每米质量（kg/m）
qG——每米物料质量（kg/m）。
qG=Q/（3.6×v）
Q——输送量（t/h）
v——带速（m/s）
L——输送机水平投影长度（m）
H——输送机提升高度（m）
（2）Fst——提升阻力（N）
Fst=g×（qG十2 qs十Bf×qt/ts）*H
2、电机功率
N=k×Fu×v/ni（W）
其中：Fu——传动滚筒上的圆周牵引力（N）
ni——总传动效率，通常ni=0.9
k——k=1.2，考虑到本算法的简易算法的电机裕量系数。
3、输送带张力计算
按不打滑条件F2（S1）min≥FUmax/（eμφ-1）=KAFU/（eμφ-1）
式中：FUmax—输送机满载启动或制动时出现的最大圆周驱动力，启动时FUmax=KAFU，启动系数KA=1.3—1.7，φ—输送带在所有传动滚筒上的围包角，μ—传动滚筒与输送带的摩擦系数，rad，eμφ–欧拉系数。
4 S型波状挡边带式输送机改向压带滚筒的研究与设计
利用AnsysWorkbench13.0中的DesignModeler建立滚筒的三维模型、选择单元类型、定义材料模型、划分单元并加载后生成有限元模型。
将轴承内置在轮毂和轴之间，让轴不再随着整个滚筒筒体一起转动，一方面改向滚筒的既定功用可以实现，同时使得轴固定，对于整个滚筒的定位以及强度受力等均体现处更大的优越性。结合现在常用轴承外置式滚筒结构，基于创新的想法，改向滚筒新型结构示意见图1。
5 结论
（1）托辊的裂缝是辊面在复杂的交变载荷作用下产生疲劳裂纹；
（2）通过力学模型推导出凸弧段输送带张力及托辊受力公式；
（3）托辊辊面径向受压将产生椭圆变形，最大剪应力出现在中性轴处；因此当受压过大时，辊面沿中性轴的轴截面出现剪坏；
（4）通过改进辊面材质及增加壁厚可以增强辊面剪应力强度，杜绝再次出现类似托辊故障。
参考文献
[1] 刘骁，大倾角波状挡边皮带常见故障分析及改进措施.机械设备.2013，12（第29卷第6期）.
[2] 高波.波状挡边带式输送机的发展探讨.中国科技投资，2014.
[3] 杨光旭.波状挡边带式输送机支撑托辊的研究与设计.山东科技大学，2014.
[4] 王鹰，刘强，侯亮.波状挡边带式输送机输送带的新结构.起重运输机械，2012.
[5] 袁晓义.影响大倾角波状挡边皮带使用寿命原因分析及对策.大科学，2012.
作者简介
宋秋爽（1960—），男，河南濮阳市人，教授级高级工程师，博士，长期从事煤矿机电研究和技术管理工作；
[关键词]S型波状挡边带式输送机；关键技术；依据
中图分类号：TH222 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0340-02
0 引言
波状挡边带式输送机目前广泛用于煤矿业，主要用于采煤时采区顺槽、采区上下山、主要用于运输平巷以及斜井，也常用语地面生产系统和选煤厂。近年来工业发展的趋势使带式输送机朝着多品种，高速度，大功率，大运量，长距离的方向发展。在条件适当的情况下，采用带式运送及运送散料具有明显的经济效益。
1 波状挡边带式输送机应用与现状的研究
刘骁[1]针对波状挡边皮带的一些故障进行总结及分析。高波[2]进行了波状挡边带式输送机发展趋势的探讨。杨光旭[3]针对波状挡边带式输送机的支撑装置进行研究，并对凸弧段承载托辊的研究和分析，总结发现凸弧段托辊的失效形式和失效原因。王鹰[4]为了延长输送带的使用寿命，应对其结构进行改进。袁晓义[5]分析了影响大倾角波状挡边皮带使用寿命的原因，并提出了针对性的措施。
2 S型波状挡边带式输送机设计方法
本文应用综合设计法对波状挡边带式输送机设计方法的若干问题进行研究，分别对S型波状挡边带式输送机改向压带滚筒和S型波状挡边带式输送机凸弧段进行受力分析。利用Ansys Workbench13.0中的Design Modeler建立滚筒的三维模型，并对波状挡边带式输送机的改向滚筒进行有限元分析，将仿真结果与理论计算结果进行对比，提出改向滚筒的改进方案。
3 S型波状挡边带式输送机结构设计
3.1 波狀挡边带式输送机的工作原理
物料的自然堆积面为AB，在AB面内取一质点P，此P点的受力情况如图所示，取平衡方程式如下：
Gcosθ=N
Gsinθ=F
但是F=Ntanρ
故Gsinθ=Ntanρ，将Gcosθ=N代入得：tanθ=tanρ
即受力平衡面与水平面夹角θ等于物料的内摩擦角ρ。
3.2 S型波状挡边带式输送机的设计计算
3.2.1 输送量计算：
本系列按水平截面计算有效输送量，不考虑物料堆积角P对输送量的影响。并且根据物料在输送带上的装载情况，输送量Q分别按如下两式计算。
（a）TC型隔板
当tq≤ts时，Q=k×3600×v×ρ×h×Bf×（tq/2+0.1232×h）/ts
当tq>ts时，Q=k×1800×v×ρ×h×Bf×（2-ts/tq+0.024264×h/ts）
（b）T型隔板
当tq≤ts时，Q=k×1800×v×ρ×h×Bf×tq/ts
当tq>ts时，Q=k×1800×v×ρ×h×Bf×（2-ts/tq）
式中：k-物料填充系数
tq-物料与基带理论接触长度
tq=h×（0.364+tg（90°-β））
ρ-物料松散密度（kg/3m）见各种相关手册
h-横隔板高（m）
β-输送机倾角（度）
ts-横隔板间距（m）ts通常为3～6倍波形距
Bf-有效带宽（m）
v——带速（m/s）
3.2.2 运行功率及张力计算：
1、传动滚筒上所需要的圆周力Fu
Fu=CFH+Fst（N），系数C见表1
其中：（1）FH——主要阻力
FH=f×g×L[qRO+qRU+（2qb十qG）×L/sqrt（H2+L2）]
式中：f——模拟摩擦系数，对于制造和安装良好的输送机取f=0.022—0.025
g——重力加速度g=9.81（m/s）
qRO——上托辊转动部分质量/上托辊间距（kg/m）
qRU——下托辊转动部分质量/下托辊间距（kg/m）
qb——挡边输送带整带每米质量（kg/m）
qb=qO+2qs十Bf*qt/ts
qo——基带每米质量（kg/m）
qs——挡边每米质量（kg/m）
Bf——有效带宽（m）
ts——横隔板间距（m）
qt——横隔板每米质量（kg/m）
qG——每米物料质量（kg/m）。
qG=Q/（3.6×v）
Q——输送量（t/h）
v——带速（m/s）
L——输送机水平投影长度（m）
H——输送机提升高度（m）
（2）Fst——提升阻力（N）
Fst=g×（qG十2 qs十Bf×qt/ts）*H
2、电机功率
N=k×Fu×v/ni（W）
其中：Fu——传动滚筒上的圆周牵引力（N）
ni——总传动效率，通常ni=0.9
k——k=1.2，考虑到本算法的简易算法的电机裕量系数。
3、输送带张力计算
按不打滑条件F2（S1）min≥FUmax/（eμφ-1）=KAFU/（eμφ-1）
式中：FUmax—输送机满载启动或制动时出现的最大圆周驱动力，启动时FUmax=KAFU，启动系数KA=1.3—1.7，φ—输送带在所有传动滚筒上的围包角，μ—传动滚筒与输送带的摩擦系数，rad，eμφ–欧拉系数。
4 S型波状挡边带式输送机改向压带滚筒的研究与设计
利用AnsysWorkbench13.0中的DesignModeler建立滚筒的三维模型、选择单元类型、定义材料模型、划分单元并加载后生成有限元模型。
将轴承内置在轮毂和轴之间，让轴不再随着整个滚筒筒体一起转动，一方面改向滚筒的既定功用可以实现，同时使得轴固定，对于整个滚筒的定位以及强度受力等均体现处更大的优越性。结合现在常用轴承外置式滚筒结构，基于创新的想法，改向滚筒新型结构示意见图1。
5 结论
（1）托辊的裂缝是辊面在复杂的交变载荷作用下产生疲劳裂纹；
（2）通过力学模型推导出凸弧段输送带张力及托辊受力公式；
（3）托辊辊面径向受压将产生椭圆变形，最大剪应力出现在中性轴处；因此当受压过大时，辊面沿中性轴的轴截面出现剪坏；
（4）通过改进辊面材质及增加壁厚可以增强辊面剪应力强度，杜绝再次出现类似托辊故障。
参考文献
[1] 刘骁，大倾角波状挡边皮带常见故障分析及改进措施.机械设备.2013，12（第29卷第6期）.
[2] 高波.波状挡边带式输送机的发展探讨.中国科技投资，2014.
[3] 杨光旭.波状挡边带式输送机支撑托辊的研究与设计.山东科技大学，2014.
[4] 王鹰，刘强，侯亮.波状挡边带式输送机输送带的新结构.起重运输机械，2012.
[5] 袁晓义.影响大倾角波状挡边皮带使用寿命原因分析及对策.大科学，2012.
作者简介
宋秋爽（1960—），男，河南濮阳市人，教授级高级工程师，博士，长期从事煤矿机电研究和技术管理工作；