带式输送机更换托辊用皮带举升机构设计与应用

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.127

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (6): 667-677 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.127

创新设计

带式输送机更换托辊用皮带举升机构设计与应用

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

Design and application of belt lifting mechanism for replacing idler of belt conveyor

Liyong TIAN(

),Rui TANG,Ning YU,Hongyue CHEN

School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China

全文: PDF(5079 KB) HTML

摘要：

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

Abstract:

Aiming at the problems of the frequent idler failure of long-haul large belt conveyor, idler replacement work leading to shutdown, and the low efficiency and single equipment of traditional manual idler replacement, a robot that can realize non-stop idler replacement is proposed to improve the idler replacement efficiency by taking the belt conveyor in the main adit of Wangjialing Coal Mine as the research object. The belt lifting mechanism is an important part of idler replacement robot. Based on the functional requirements of the robot and the characteristics of narrow space and large belt load of belt conveyors, a scissor-fork belt lifting mechanism was designed. Firstly, the three-dimensional model of the scissor-fork belt lifting mechanism was constructed by SolidWorks software. After the working load of belt lifting was calculated according to the parameters of the belt conveyor, the force analysis for belt lifting mechanism was carried out. Then, the kinematics simulation analysis for belt lifting mechanism was conducted by SolidWorks Motion module and the statics simulation analysis was carried out by ANSYS Workbench finite element software. Finally, the ground test and underground test were carried out to verify the feasibility of the designed belt lifting mechanism. The ground test results showed that under the load of 20?60 kN, the matching accuracy between the measured and simulated vertical displacement of the belt lifting mechanism was 6%?15%, which verified that the bearing capacity of its main structure met the design requirements. The underground test results proved the rationality and reliability of the belt lifting mechanism design. The bearing capacity and lifting height of the scissor-fork belt lifting mechanism meet the functional requirements of the idler replacement robot, which is a key technical breakthrough to realize the non-stop replacement of idlers for belt conveyors.

Key words: belt conveyor non-stop idler replacement belt lifting mechanism simulation analysis

收稿日期: 2023-03-06 出版日期: 2024-01-02

CLC:

TH 122

基金资助: 国家自然科学基金面上项目(52174143)

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

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田立勇,唐瑞,于宁,陈洪月. 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.

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

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.127 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I6/667

图1 更换托辊机器人结构组成

图2 带式输送机结构示意

图3 槽形托辊组结构示意

图4 摆动式皮带举升机构三维模型

图5 剪叉式皮带举升机构结构简图1，2，4，5—剪叉臂；3—托辊架；6，8—油缸滑块；7—举升油缸。

图6 剪叉式皮带举升机构三维模型

表1 带式输送机关键参数

图7 皮带张紧力分析

图8 带式输送机上物料截面形状示意

图9 托辊受力分析

图10 托辊表面压力分布

图11 剪叉式皮带举升机构举升状态示意

图12 剪叉臂受力分析

图13 剪叉式皮带举升机构的初始和最终姿态

图14 举升油缸运动曲线

图15 中间托辊架的竖直位移曲线

图16 剪叉臂的角速度和角加速度曲线

表2 剪叉式皮带举升机构主要零部件材料

图17 剪叉式皮带举升机构有限元网格模型

图18 剪叉式皮带举升机构等效应力云图

图19 剪叉式皮带举升机构变形云图

图20 皮带举升机构地面试验现场

表3 不同载荷下中间托辊架的竖直位移对比 (mm)

图21 停机状态下井下试验现场

图22 工作状态下井下试验现场

图23 皮带举升高度测量现场

图24 皮带举升高度变化曲线

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