胶带机自移机尾结构研究及静力学分析

胶带机自移机尾结构研究及静力学分析

闫慧

神华神东煤炭集团公司陕西省榆林市719315

摘要对胶带机自移机尾整机及各结构部位进行详细介绍，对胶带机自移机尾的发展进行了详细说明，基于上述说明和介绍，对现有通用型胶带机进行了输送煤能力计算、主基架计算等，为后续胶带机自移机尾的设计改进提供了理论依据。

关键词胶带机自移机尾；静力学分析；输送煤能力；结构研究

0引言

在目前，机械行业发展速度越来越快，这也带动了煤矿设备的迅猛发展。煤矿综采工作面配套使用的设备中，胶带机自移机尾已经是一个不可或缺的重要设备。自从自移机尾面世投入使用之后，综采工作生产进度有了明显的提升，工作面单位时间内的产煤量得到提高，实现了真正意思上的高产高效。

煤炭综采工作面开采效率受多方面因素的影响，其中重要的一方面就是综采工作面顺槽运输设备。综采工作面的运输设备由很多部分组成，包括刮板机、转载机、胶带机等，其中使伸缩式带式输送机和转载机之间很好的进行协调运行的就是胶带机自移式机尾。胶带机自移机尾通过上部的移动小车实现与转载机的动态衔接，完成综采工作面设备的自动化、机械化，提高了生产效率。

图1煤矿综采工作面设备布置示意图

在目前煤炭开采过程中，开采工作对于矿用机械产品的智能化、机械化要求越来越高，对于输送设备也提出更高的要求，其中包括运输设备的自动化以及运量等。胶带机自移机尾起了非常关键的作用，它使得顺槽胶带机与转载机更好的进行了衔接，并使胶带机自移、调高更加方便，让胶带跑偏问题得到一定程度解决，也让转载机在前进方向上可以进行随意调整，使综采工作一系列开采步骤，如支护、落煤、破碎等越来越向着机械化和自动化方向发展，确保了综采工作面高产高效的运行。

胶带机自移机尾的运行状况，如工作过程中发生损坏或失效，或者运转过程中不能与转载机、皮带机协调配合运输等，都会使转载机转运来的煤难以得到及时运输，这样就会造成积煤，使综采工作面设备停机，不但会造成开采效率低下，使综采设备闲置浪费，而且还会存在安全隐患，可能导致机电事故。所以，对胶带机自移机尾进行结构研究和分析是非常必要和有价值的。

1胶带机自移机尾发展及结构原理

1.1胶带机自移机尾国内外研究现状

在国外的相关领域，因科技及经济发展的等因素，煤矿开采设备的发展比国内早很多。在胶带机自移机尾方面，最早出现是由美国JOY公司研发的一种履带式自移机尾。此种自移机尾灵活性高，环境适应性好，但是存在着结构复杂，操作繁琐，维修困难等问题。

与此同时，德国DBT公司也在相关领域有了突破，开发了液压推动式自移机尾。在2005年，德国在采矿机械方面有了很大的突破，期间推出了马蹄尔自移机尾。这种自移机尾是机尾研究发展过程中的一个重要标志，它不仅结构简单，操作灵活，而且实现了自移以及调偏等功能。这种类型机尾的前后支撑架里设置有调高油缸，在垂直方向上可以进行调高，因此在纠偏能力上比JOY公司的自移机尾有了很大的提升，但该胶带机自移机尾也存在一些的缺点，即机尾与皮带连接处磨损及支撑座与基架联接处不同程度经常出现损坏等状况。

国内对于胶带机自移机尾的研究，一直处于比较落后的状况。上个世纪末，上海煤科院首先开展了自移机尾的研究和设计工作，最终成功研制了步进式自移机尾。该类型自移机尾由几大部分组成，包括推进油缸、改制滚筒、上下架等等。其中上下架可分离。转载机放置于机尾的上架轨道位置，连接于小车联接销，通过轨道前后不断移动得以实现前移。当小车从轨道前端移到轨道尾端的时候，就会发生重叠现象。这时机尾需要不断的被推动前进，使输送机的长度得以缩短，实现自移机尾的前移。

我国首台长运距大运量重型自移机尾在神东煤炭集团研发成功，这台自移机尾配套使用的是1.4米带宽胶带机。通过神东公司各矿井的使用，机尾状况性能非常良好。在这种情况下，公司又研制多种型号的自移机尾，例如适合薄煤层开采的1.2米胶带机自移机尾以及适合超大型煤层开采的1.6米重型自移机尾。

总的来说我国自移机尾发展还是比较缓慢的，皮带运输机皮带有多种规格型号，但是很难完全找到与这些皮带全部配套的自移机尾，而且自移机尾的类型也比较单一，只有液压缸推移式的自移机尾一种类型可以自制，其他类型的自移机尾大多通过进口。而且目前生产的自移机尾与进口自移机尾相比，疲劳强度以及使用寿命方面还有很大的差距，对于一些新型材料的使用，以及新工艺方面的研究还是比较落后，制约着我国自移机尾的发展。

1.2胶带机自移机尾结构及工作原理

胶带机自移机尾主要组成结构有主基架、移动小车、支撑架、连接架、扫煤器、液压系统等

主基架是胶带机自移机尾的主体框架，是支撑整个自移机尾的最基本结构。基架两端与前后支撑架相连，上部与移动小车进行联接，中间安装有折返滚筒，皮带通过基架的折返滚筒进行运行和改向。

移动小车是自移机尾与转载机相连接部分，同时也支撑皮带机皮带通过，是一个承接转载机与胶带机的重要部件。移动小车通过两端与基架连接的推移油缸行程的伸缩，对自移机尾前行提供牵引力。

自移机尾的支撑架有两个，前后相对布置，通过四个连接销与基架相连。前后支撑架的作用是支撑整个自移机尾。支撑架内调高油缸是调节胶带机自移机尾进行升降，平时机尾调节油缸升起，当胶带机自移机尾前移时，调高油缸降落，机尾以前后滑靴以及基架为支承点进行向前推移。

连接架是布置在自移机尾前端起支撑皮带运输的作用部件，当通过转载机的煤落到皮带机皮带上时，连接架上的托辊对皮带机皮带进行支撑，并且皮带机皮带从连接架底部进行穿过，起到压带的作用。

扫煤器是通过压板把旧皮带条压在45º角的钢架上，目的是清除下皮带上表面的浮煤，保证干净的皮带面通过压带滚筒和折返滚筒。

煤矿综采工作面在运输过程中，胶带机自移机尾起到联接、过渡作用。通过使用胶带机自移机尾，实现由破碎机、转载机运输来的煤传输到胶带输送机上面的一整套运行过程，这样就使得开采过程更加连贯和顺畅，实现了高产高效。

采设备的不断更新改进，胶带机自移机尾的结构也发生着很大的变化。从刚开始的自动化程度不高、协调运输能力不强，慢慢发展到现在的大运量自行推移式胶带机自移机尾。其发展过程大致经历了三种类型，分别是：棘轮棘杆式自移机尾、履带式自移机尾以及双液压缸推动式自移机尾。

棘轮棘杆式自移机尾的产生后，提高了煤炭开采的效率，也大大减轻了煤矿工人的劳动强度，但因其操作不便，易损坏等，不久就被履带式自移机尾所替代，之后又产生了双液压缸推动式胶带机自移机尾。

双液压缸推动式胶带机自移机尾向前的推移是通过机尾两端的推移油缸来实现的。转载机机头通过胶带机机尾移动小车铰接座与机尾连接，一方面机尾对转载机进行支撑，另一方面，在液压支架向前推移过程中，机尾两端的推移油缸杆伸出，转载机向前移动也将机尾的移动小车向前进行推移。当达到一定行程时，转载机停止推移并处于稳定状态，推移油缸进行加压，拉动自移机尾向前移动，这样就实现了自移机尾向前的行进。而且当皮带机发生皮带跑偏时，自移机尾自身还可以通过左右两端的调偏油缸，对机尾左右方向进行调整，以此来实现对皮带跑偏进行纠正。

在煤矿开采过程中，辅助巷道内不断进行着运输过程，通过胶带机自移机尾的衔接，保证了桥式转载机和带式输送机协调运行。在工作面不断向前推移中，机尾也相应向前进行推移，皮带机支撑系统也不断的进行缩短，中间起支撑作用的支撑架相应进行拆除。这样就实现了整个开采工作从采煤、破碎、转载到运输的协调式运行，实现了综采工作的机械化自动化。

2胶带机自移机尾输送煤能力计算及主基架静力学分析

2.1胶带机自移机尾输送煤能力计算

胶带机自移机尾对应的大倾角皮带机三托辊截面积进行如下计算，槽型面积在承载托辊时分为三节的时候采取以下的方式进行计算。

S=S1+S2

S1=[l3+(b-l3)cosλ]2tanθ/6

S2=[l3+cosλ(b-l3)/2][sinλ(b-l3)/2]

S——物料槽型截面面积;

S1——物料上半段槽型截面面积;

S2——物料上半段槽型截面面积。

θ——物料的运行堆积角;

B——带宽。

B≤2m，b=0.9B-0.05m;

B≤2m，b=B-0.25m;

S1=A1，S2=A2，θ=ρ。

大倾角皮带机四托辊的横截面积进行如下计算。如下图2。

S=S1+S2+S3

S1=[2l1cosλ1+(b-2l1)cosλ1]2tanθ/4

S2=[2l1cosλ1+(b-2l1)cosλ1]sinλ2(b-2l1)/2

S3=l12sin2λ1/2

槽型截面面积用S3表示。

图2深槽角前倾托辊截面

皮带截面积:

Spi=b×dpi

dpi—胶带厚度


S=S1+S2+S3-Spi

已知带宽，胶带机自移机尾输送能力为:

Q=3.65Svkρ

式中:密度用ρ表示，横截面积用S表示，折减系数用k表示。

表1不同倾角所对应的折减系数

2.2胶带机自移机尾主基架静力学分析

胶带机自移机尾主基架是自移机尾的主要结构框架及主要承受力部件，所以对胶带机自移机尾主基架进行静力学分析是非常必要的。

2.2.1胶带机自移机尾主基架受力分析：

胶带机自移机尾小车结构设计采用刚性结构，那么就可以把基架当成一个简支梁。移动小车后轮和外力F之间的距离接近1317mm，后轮和前轮之间的距离接近2785mm，后车轮和重心之间的距离大约是1941mm，小车的本身的重量接近16吨。在这种情况下，小车的前后轮所受到的力是不同的，我们通过以下的图8来表示小车受到的N2和N1基架主梁的支撑的力量。

图3移动小车受力图

图6中：

小车前轮的支撑力用N2表示；

小车后轮的支撑力用N1表示；

小车受到的转载机的力用P表示；

G为小车重力，G=16吨=156.8kN。

根据力矩平衡方程，求得N1、N2。

N2=(P×1317+G×1941)/4102=(412.58×1317+156.8×1941)/4102=206.6KN。

N1=412.58+156.8-206.6=362.78KN

基架主梁可以简称为简支梁，这主要是因前后支撑部刚性连接时，小车前后轮将作为整个支撑的作用点，这样小车就能在基架前后方向上进行移动，这个时候我们最想要知道的是，主梁受到的力距在什么位置是最大的。因为基架的主梁结构是两件对称结构，所以压力都是由两根梁来共同承担。对于单根主梁来说所受压力P2=N2/2;P1=N1/2。

图4基架主梁受力示意图

图7中：L=8690mm，C=4102mm;

P1=N1/2=362.78/2=181.39KN

P2=N2/2=206.6/2=103.3KN

基架本身重量的一半用G来表示，机架本身的重量为11.2吨，约等于109.76kN。

①弯矩计算：

求支反力R1和R2的值：基架的分析一般情况下采用的是有限元分析方法，在无法确定危险截面具体位置在哪的情况下，可以暂时先不考虑基架的自重。根据相关方程可以得到：

图5弯矩图

③确定弯矩最大值时移动小车所处的位置。

依据图8弯矩图来分析：

ΣM=0ΣM(A)=R1×X

以数学知识作为基础我们可以知道：d(M(A))/dX=0时,X使M（A）取得最大值，即：

[(P1+P2)×(L-2×X)-P2×C]/L=0

X=L/2-P2×C/2×(P1+P2)=8690/2-103.3×4102/2×(181.39+103.3)=3601mm

此时，M（A）=R1×X=[P1×(L-X)+P2×(L-X-C)]X/L

=[(P1+P2)×(L×X-X2)-P2×C×X]/L

=[(181.39+103.3)×(8690×3601-36012)-103×4102×3601]/8690=424.8KN⋅m

M（B）=R2×(L-X-C)=[(P1×X+P2×(X+C)](L-X-C)/L

=[(P1+P2)×(L×X-X2-C×X)-P2×C×(L-X-C)]/L

=[(181.39+103.3)×(8690×3601-36012-4102×3601)+103.3×4102×(8690-3601-4102)]/8690=164.6KN⋅m

ΣM=0，ΣM(B)=R2×(L-X-C)=[P1×X+P2×(X+C)](L-X-C)/L

=[(P1+P2)×(L×X-X2-C×X)-P2×C×(L-X-C)]/L

通过数学知识我们可以知道：d(M(B))/dX=0时的X使让M（B）取得最大值，即：[(P1+P2)×(L-2×X-C)-P2×C]/L=0

X=(L-C)/2-P2×C/2(P1+P2)=(8690-4102)/2-103.3×4102/2×(181.39+103.3)=1550mm

此时，M（A）=R1×X=[P1×(L-X)+P2×(L-X-C)]×X/r

=[(P1+P2)×(L×X-X2)-P2×C×X]/L

=[(181.39+103.3)×(8690×1550-15502)-103.3×4102×1550]

=287KN⋅m

M（B）=R2×(L-X-C)=[P1×X+P2×(X+C)](L-X-C)/L

=[(P1+P2)×(L×X-X2-C×X)-P2×C×(L-X-C)]/L

=[(181.39+103.3)×(8690×1550-15502-4102×1550)+103.3×4102×(8690-1550-4102)]=302.4KN⋅m

通过上面计算的方式我们发现，一旦移动小车移动的距离接近3601mm时，A截面是最危险的地方，这个时候弯矩最大，是424.8KN⋅m。因为小车的行程会受到机尾上某些结构的限制，小车的最大推移行程2.7米，即X约等于3067mm，这些都说明移动的距离达到3601mm是不可能的。

接下来，对于当距离约等于3067mm时，我们计算一下它的弯矩值，我们假设距离等于3067mm时候的截面是F，则：

M(F)=R1×X=[P1(L-X)+P2×(L-X-C)]×X/L

=[(P1+P2)×(L×X-X2)-P2×C×X]/L

=[(181.39+103.3)×(8690×3607-36072)-103.3×4102×3067]/8690

=415.5KN⋅m

当移动的距离等于1550mm的时候，危险面是B截面，302.4KN⋅m是最大弯矩。

3结论

1、详细分析了胶带机自移机尾结构部件的功能及在整个综采工作面所起的重要作用。

2、研究分析了国内外胶带机自移机尾的发展的现状及整机在使用过程中的优缺点。

3、计算得出胶带机自移机尾在运行过程中输送煤能力，得出输送煤计算公式。

4、对胶带机自移机尾最重要部件主基架进行了静力学受力分析，确定了主基架最大受力部位及最危险截面，对今后胶带机自移机尾的设计提供了理论支撑。

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作者简介：闫慧（1982-），男，内蒙古鄂尔多斯市人，学士学位，工程师，毕业于内蒙古农业大学机械化及其自动化专业，现在神东煤炭集团公司维修中心工作邮箱:80693780@qq.com.