减速器逆止器的选择与应用

逆止器的选择与应用
[摘要]本文主要从力学角度，对大柳塔洗煤厂作为辅助逆止装臵的皮带逆止器进行了力学强度校核。

[关键词]皮带逆止器，力学校核。

一，前言：
胶带机作为我们洗选中心最普遍的一种洗选设备，其主要的功能是实现物料的远距离运输。

由于厂房布局设计，客观环境和现实需要等原因的存在。

胶带运输物料多数存在一定的高度提升，当胶带载物料运行时，如果出现突发性事件，比如突然断电，突发事故停车等事件时，在驱动力停止的瞬间，最初由于惯性胶带会继续运行，这样处在胶带机下方的刮板有可能产生堆积煤，影响刮板的正常启动，在胶带机正向运转停止下来后，由于存在上升角度，这样由在上升段物料重力所产生的向下运动的趋势会导致胶带的逆运行，这种胶带机的逆转同样在生产中是及其有害的，会导致胶带机机尾堆煤，影响正常起车，严重时如果没有及时清理而起车时，会拽断胶带，如果堆积严重外泄则会阻塞胶带机走廊，同时当煤粘在皮带滚筒上时会带来运行跑偏隐患。

所以在生产中应该近最大努力消除这种有害现象的发生。

具体的做法就是给胶带安装制动装臵和逆止装臵，制动器的主要作用是阻止胶带正方向运行，大柳塔洗煤厂主要使用抱闸；逆止器的主要作用就是实现皮带逆运行时的制动作用。

俩者在实际生产中是相辅相成的。

我们洗选中心下属大柳塔洗煤厂的胶带逆止装臵主要有以下几种：（1）减速箱自带逆止器，一般在减速器的高速端，及一级传动轴非驱动侧，如410皮带道奇减速器；也有在二级传动轴非驱动侧安装的（2）驱动滚筒非驱动侧逆止器。

从2007年7月至今，大柳塔洗煤厂逐步在所有有倾角的胶带上都配备了作为辅助逆止装臵的皮带逆止器。

经过调查得到如下资料：大柳塔洗煤厂共有胶带40条，2号破碎系统4条（115，122，152，153）；筛分系统6条（201，202，250，251，285，299）；活井系统3条（301，302，354）；大井系统2条（410，434）上仓系统8条（801，809，810，811，812，823，871，872）三号破碎系统9条（921，924，932，933，934，931，943，945，947），其中包括手选带8条，由于带速低没有设臵逆止装臵，还有10条水平皮带也没有安装逆止器，其余22条都同时安装了2种或2种以上的逆止装臵。

经过了解在将近一年的使用中所有的上倾角皮带都没有出现逆止效果不佳的情况。

现状分析：
由于使用的皮带式逆止器的设计是根据我洗选中心特殊情况参考相关皮带逆止器标准自行制定的，在胶带机实现正常逆止的情况下我们中心还没有对皮带逆止器进行相关力学理论分析，计算，所以皮带逆止器在整个逆止过程中所扮演色到底是什么，即：假设一条胶带除皮带逆止器外其它逆止装臵都不运行时，皮带逆止器到底可不可以实现胶带逆止？皮带逆止器能不能满足强度要求，这就是我想验证的结果。

当胶带机正常停车时，及胶带上没有物料时，制动器会自动制动，使胶带机停止，由于皮带自身摩擦力的作用不会出现逆止运转；
当胶带机载有物料时，可以通过分析得出：对于倾斜输送机，通过输送带作用于传动滚筒上的最大逆转力出现在输送机承载段只有上升段满载，而其它段为空载的条件下（具体分析见补充说明1），为阻止逆转，传动滚筒上需要逆止力F L ,
()()st Ro Ru B G -0.8fg L q +q +2q +H q sin L F F δ=⨯÷⎡⎤⎣⎦
F st:倾斜阻力st
G F =q g H=15555.55n ⨯⨯（具体分析在补充说明2）
q G :每米输送物料质量（kg)： 105.83
g :重力加速度，一般取9.8n/kg
H ：输送机受料点与卸料点高差(m): 15
f:模拟摩擦系数（工作环境好，制造良好，带速低取0.02；多尘，过载，高带速，安装不良，托辊质量差，取0.023-0.03；岸标准设计制造，调整好，取0.022.这里我根据410工作环境，带速取0.026）
q Ro ：输送机承载分支每米托辊旋转部分质量（kg): 20.8
q Ru ：输送机回程分支每米托辊旋转部分质量（kg): 6.7
L ：输送机长度（m)： 196.779
δ：输送机上倾倾角(°)： 12.5
q B ：承载或回程分支每米输送带每米质量（kg)： 15
F L =13801.15N
作用于传动滚筒上的逆止力距，
()L L M =F D 2000=6.9kn m ⨯÷
’ 减速器高速轴上需要的逆止力矩： ()L L M =M i =0.244kn m η÷ ‘
现在来计算仅有皮带逆止器工作时的状况：
根据洗选中心下发的关于带式逆止器安装标准（2007年6月1日所绘制的图纸），结合经济性，实用性（使用相同品质的尼龙胶带的好处是：摩擦比较均匀，磨损小，节约成本，一般使用安装皮带剩余皮带，不能使用带有钢丝芯的皮带作为皮带逆止器的皮带，因为随着磨损钢丝会暴露出来，在正常运行时对皮带内表面起到切割作用，时间长了会把皮带切成沿运行方向的细条状），410选择了与运载皮带相同规格的皮带（NN300×1200×5(3+1.5)作为逆止器用皮带，皮带逆止器包括三部分组成：皮带：M20×45螺栓8颗，1200槽钢支架。

二.皮带受力分析：
分析皮带逆止器的受力可知道：对于处于逆止作用的皮带可分为四部分：第一部分是被压在滚筒和载料皮带中间主要受压应力的皮带，第二部分是槽钢与滚筒之间的皮带，主要受拉应力，第三部分是处于压应力和拉应力之间的过度皮带，第四部分是被螺栓固定的皮带，这四部份中受集中作用力的是第三部分和第四部分。

现在计算假设皮带逆止器其它装臵都是理想的情况下第三部分的受力（对于第四部分受力将分为俩部分一部分在螺栓部分验证）：
由NN300×1200×5(3+1.5）知道皮带每层扯断强度为300N ×mm -1层-1，皮带共有5层，其中上层胶3层（工作面），下层胶1.5层（非工作面），查工具书DT ΙΙ（A ）型带式输送机设计手册知道NN300×1200×5(3+1.5)胶带每层厚度
1.25mm ，胶带在受力是会伸长，同样可查伸长率为1.5%-2%.，取最大伸长率2%，
则对于带宽1200mm 的皮带最小横截面为
s=1200×6.13=7356mm 2，
拉断最小横截面需要拉力
F=s ×300×5=110340kn ≫13.80115kn ，
这说明在皮带产生最大的倾斜拉力时皮带是安全可靠的；对于第四部分（即是被打孔的横截面的强度）：由M20×45知道每颗螺栓最大直径20mm ，假设8颗螺栓在同一水平线上，这时皮带的抗拉强度最小，最小值F=300×5×6.13×（1200-20×8）=95628kn ≫13.80115kn ，于是我们可以知道皮带抗拉强度对与物料所产生的拉力是完全可以承受的；
三.接下来验证M20×45的工况：
在皮带逆逆止器中螺栓主要受俩个方向的作用力，分别是沿轴向的力，这个力主要是预紧力，和垂直与轴向的剪切力。

以Q235钢材为原料制成的M20×45螺栓的相关数据为：
抗拉强度 δB ：410-470 MPa
屈服强度 δS ：240 MPa
疲劳极限：弯曲δ-1：170-220 Mpa
拉压δ-11：120-160 Mpa
对于单个螺栓有（有预紧力的情况下）：
抗拉：[]s 1==171.43mpa n σσ
n ：安全系数，有预紧力时取1.2-1.5 这里取n=1.4
抗剪切：[]s ==96mpa 2.5στ
这里需要注意的是，这里计算出的抗拉强度，抗剪切强度都是理论最大值，而且对于抗拉强度的安全系数取的值偏大，从计算中可以看出，同种螺栓的抗剪切强度小于抗拉强度，考虑到实际皮带逆止器螺栓受力主要是受剪切力，而且轴向力是总拉力的一个分力，假设总拉力都作用成剪切力，如果能满足剪切力要求的话，螺栓轴向受力肯定能满足要求。

下面检验螺栓在最大皮带拉力作用力全部为剪切力情况下的受力：
213801.15p=43.95<96314F n mpa mpa S mm ==
注意43.95 Mpa 这个计算值是单个螺栓在受全部载荷时的剪切力，按照设计要求安装8-10颗M20×45螺栓的要求，所以单个螺栓受力为4.45-5Mpa.410皮带逆止器实际使用8颗螺栓，所以单个受力为5.5Mpa <<96Mpa.所以螺栓能够承受理论最大剪切力。

下面就螺栓预紧力对皮带的压力影响做一下分析（皮带部分的补充）：
0058800S P A n σ=⨯=
P O =螺栓预紧力
δ0=（0.5-0.7)δS
A S =螺纹危险截面的面积，查表取245mm 2
假设8颗螺栓全部预加最大拉力，则能产生作用力为：
08470400F P n =⨯=
对于nn300×1200×5（3+1.5）尼伦皮带在被夹皮带部分可承受最大作用力为：
6663000.1681050.4100.4710F n n =⨯⨯=⨯⨯
所以螺栓满足强度要求。

四.槽钢的受力分析
槽钢牌号按14a ，进行验证
1. 焊接端口的受力
由于设计要求使用的槽钢与皮带托辊支架槽钢规格相同，加上皮带托辊支架槽钢是槽向内开口，所以如果直接安装的话槽钢只有上下俩翼缘被焊接，强度肯定不能满足要求。

在实际安装过程中都是切除部分翼缘尽可能使腹板和托辊支架槽钢腹板进行焊接从而得到较大的焊接面。

理论焊接面积为 ()261409.520.8580.8S mm =⨯-⨯⨯=
其中：
6：槽钢腹板厚d=6mm ； 140：槽钢高h=140mm
9.5:槽钢翼缘厚； 0.8：焊接有效系数
我们通常使用的焊条为E4303型焊条（即是J422）。

则能承受的应力为：
F=580.8×420×106=243936N ≈243.94kn>13.8kn
现在验证槽钢整体在受到拉力作用时的受力.通过分析受力可得以下弯矩图：
由弯矩图知道，产生应力集中的地方是边缘焊接点和对称中心，而且焊接端承受的弯矩为中心的12倍，中心承受最大的变形，边缘承受最大剪切力：
槽钢受最大弯矩：2
17665.4722ql M n m == 槽钢受最大剪力：
max 11040.82x ql F n = 验证拉力强度：()3
103.9x M
W cm σ==
查机械设计手册，知道14a 槽钢W X =80.5 cm 3<103.9cm 3
所以实际中槽钢截面弯曲系数小于设计要求值。

验证剪切力强度：
max max
max x I d x F S τ=
F x ﹒max ：剪切力
S max：槽钢简化尺寸下面积
I X ：14a槽钢惯性矩，查表的I
X
=564cm4
d：槽钢的腹板厚度
带入数值τ
max
=59.6 Mpa<100 Mpa的材料特性
可见槽钢抗剪切满足要求。

五．结论：
从上面验证可以知道，槽钢的抗拉强度不足，抗剪切力强度满足，在实际生产中如果我们采用了双槽钢焊接固定的话（即有单个槽钢的见面弯曲系数
W
X
=103.9÷2=51.95cm3<80.5cm3），那么槽钢就能满足设计要求。

，但是实际情况是我们只对其中一条槽钢实施了焊接，另一条只做背板，做加强使用，所以整个槽钢的抗拉特性就处在51.95cm3∼103.9 cm3之间，即在满足与不满足之间徘徊。

综合以上各方面因素，我得出的结论是（具体到410皮带逆止器）：对于皮带逆止器相关的三要素中，皮带和螺栓在正常情况下是能满足强度要求的，只有槽钢的抗拉力学特性有范围的波动，在满足与不满足之间，所以皮带逆止器理论的最薄弱环节是槽钢，而且还是在承受拉力时。

还需要注意一点的是，上面的验算没有考虑槽钢因为开孔而减少的刚度，所以实际的波动会比最大截面弯曲系数要求值还要大一些。

这和大柳塔洗煤厂检修班在实际工作中发现皮带逆止器最容易出问题的是槽钢的变形而不是皮带和紧固螺栓的客观事实相吻合。

所以加强槽钢的抗拉力学特性是提高皮带逆止器大规模推广使用的关键。

六．验算相关说明
6.1，皮带相关：
（1），由于我们洗选中心下设洗煤厂在选用逆止皮带时，考虑经济型，实用性只能选用安装皮带的剩余或者是更换下来的尼伦皮带，而不可能为了逆止皮带专门去选购比运输皮带更高质量的皮带，所以实际中皮带的各方面性能均低于理论计算数值。

（2），有前面计算可知，皮带抗拉强度远远大于逆止力，但是考虑到实际情况很复杂，比如：皮带安装的精度，工作环境的优劣（温度，适度，煤尘度），皮带的老化问题等因素，所以实际皮带的抗拉肯定远小于计算值；
（3），皮带固定处很关键，虽然进行计算时，计算表明即使所有开口都在同一水平时皮带强度依然能满足要求，但是考虑到实际中开口如果留下应力集中处，而且螺栓没有足够的预紧力的话，在受到冲击载荷时是有可能把皮带扯断的，所以应该定期检查皮带磨损情况。

皮带开口尽量使用专门工具，如：孔冲。

（4），此处只是从力学方面验证了皮带的一些特性，对于设计要求中关于皮带卷入滚筒300∼400mm并没有进行力学验证，由于皮带卷入滚筒量和皮带逆止效果有关系，是属于设计的范畴，对于力学强度分析关系不是很密且，所以不进行讨论了（经过我从大柳塔洗煤厂检修班得到的了解，这个300∼400mm是实际中得出的结论，而对于同一条皮带在不同的停车情况下，卷入滚筒的长度也是不同的）。

6.2，螺栓相关
（1），关于螺栓的选择
由于设计图纸中关于螺钉的选择只有M20×45，没有其它相关信息，我从≪机械设计手册≫，成大先主编，化学工业出版社，1998年四月版中查询得出以下结论：由于材料不同，螺栓的强度也差异很大，在实际计算中我选择Q235钢材材料为研究对象，则螺栓的具体选择为：公称直径为20mm，导称为45mm，中等旋合长度，螺距2.5mm，等级4.8级，右旋粗牙普通螺纹。

（螺纹公差等级不做要求）
（2），螺栓受力分析时考虑到螺栓剪切力的强度小于抗拉强度，所以在进行了剪切强度校核，得出能够满足要求后不需要进行抗拉强度校核。

（3），对于螺栓预紧力的计算是理论计算，做这个计算的目的是为了证明皮带的强度，实际工作中很少做到每个问题都进行计算，而且要做到每颗螺钉都按照计算进行预紧也是有困难的。

（4），螺栓验证时考虑的等级为4.8级，所以在实际工作中材料质量高于Q235，质量等级大于4.8级的螺栓不需要验证可以放心使用。

6.3，槽钢相关
（1），由于是拿具体的410皮带逆止器来验证，所以槽钢的选取是按照410皮带的实际情况选取的。

（2），对于焊接焊条的选取也是按照实际工作中最普遍使用的E4303（J422）选取的，焊接质量取了0.8，在实际工作中这个焊接应力是很难保证的，由于受焊接个人水平的影响，实际中无法做出很可靠的判断。

（3），槽钢安装时，由于拆除了部分翼缘，所以强度肯定有所下降，但是实际中受具体工作环境影响是不容易进行考核的，所以实际的承载能力肯定小于计算值。

（4），槽钢中间的开孔对于整体刚度也是有消弱的，但是由于每个皮带逆止器的开口都是不同的，而且槽钢开孔也不能有效保证，所以理论计算分析很不实际。

只能在焊接完成受进行一些补救工作加强强度。

6.4，现有总结
（1），总的说来皮带逆止器由于其制作简单，具有一定效果，相对于其它机械式逆止器来说更是具有几乎不需要任何维护的优点，在我们洗选中心的作为逆止的辅助措施总的说来是成功的，但是由于自身的一些无法克服的状况也限制了他的有效推广。

比如：由于皮带的选择时，要考虑的因素很多，皮带的磨损，皮带的老化，工作环境的不同等，在安装时受安装人员水平的影响也有很大差异（尤其是焊接腹板），而且由于整个制造安装过程都没有具体的规范，所以差异性是很明显的，稳定工作的能力也不容易保证。

（2），对于螺栓的预紧力的把握有条件的尽可能使用扭矩扳手，保持每个螺栓受力相同。

（3），槽钢的选择尽可能的没有缺陷，开口要交替错开，不要应力集中，从弯矩图中可以知道，如果要发生变形，那么在中部是最容易的，所以，槽钢的开口应尽可能靠向两翼。

减小中间强度损失。

6.5，几点加保证带逆止器刚度特性的建议：
（1）皮带开口有条件尽可能的有一定的错开；
（2）槽钢的腹板有条件的话最好添加一些筋板，加强中心刚度。

（3）槽钢的焊接注意焊接工艺的选择，保证最大程度减少应力集中；
（4）槽钢与托辊架连接处尽可能添加一些筋板。

七．补充说明：
（1）
m，m1,m2为三段的物料质量，θ为皮带爬坡倾角。

皮带正方向运转时有：
()
F=m1+m2g f+mgcosθ
成立，由于v是恒定值所以没有
加速度。

F为驱动力，g为重力常数，f为摩擦系数。

当出现停车时，由于没有了正方向的驱动力，而提升段却能产生向下的动力，所
以有：
()() mgsin-m1+m2g f+mgf cos=m1+m2+mg cos a θθθ⎡⎤
⎣⎦
要出现最大的加速度a从而产生最大的v1那么对于等式的左边而言，只能是减
少()m1+m2g f+mgf cos θ⎡⎤⎣
⎦ 的数值，由于m 是驱动力的来源，所以只有m1+m2=0时才有最大的a 值。

所以有：对于倾斜输送机，通过输送带作用于传动滚筒上的最大逆转力出现在输送机承载段只有上升段满载，而其它段为空载的条件下。

（2）
如图，对于L 长度度皮带物料总重力G G H G=L q g=q g sin θ⎛⎫
⎪⎝⎭
由于倾斜力只有沿方向才产生逆转作用力，所以沿方向
G 的分力
G G =G sin =q g H θ ’
参考资料：
[1]成大先，机械设计手册，1998年版。

[2]中心关于皮带逆止器改造要求。