一种垂直提升大型波状挡边带式输送机的支撑装置及其应用的制作方法
本发明涉及一种垂直提升大型波状挡边带式输送机的支撑装置及其应用，属于波状挡边带式输送机技术领域。
背景技术：
传统的露天煤矿运输方式——卡车运输。随着开采深度的不断增加，矿用卡车的运输费用也变得越来越高(可占到采煤成本的一半)。与此同时，相关操作人员和卡车燃料所需的费用也呈上升的趋势。为此，为满足降低开采费用、加强环境保护等方面的要求，要对现有输送方式进行合理选择。近几年来，带式输送机飞速发展，尤其是随着带式输送机的不断发展完善，在许多露天煤矿运输设计中均设想利用大型波状挡边带式输送机作为提升煤炭运输的关键设备，进而克服卡车运输的不足以及普通带式输送机受输送倾角(小于18°)限制的缺点，目前大型波状挡边带式输送机提升角度范围已实现0-90°，最大输送物料粒度400mm，提升高度可达400m，最大输送能力已实现6000t/h，可实现将煤炭从深凹的开采工作面提升到地面甚至是装车站。所以，深入研究大型波状挡边带式输送在露天煤矿中用于提升运输，具有相当重要的经济意义，不仅如此，现如今地铁隧道项目，波状挡边带式输送机也应用于垂直提升中。另外，2013年，波状挡边带式输送机行业标准的制定中，也将大带宽作为今后发展的方向，并把基带宽度为2400mm的波状挡边输送带纳入行业标准中，作为今后发展的方向。
波状挡边带式输送机主要由波状挡边输送带、驱动装置、传动装置、带向装置、改向压轮、凸弧段机架、凹弧段机架、头架、尾架、机架上托辊组、下托辊组、拉紧装置等组成。其波状挡边输送带由基带、波状挡边、横隔板组成。
其中，波状挡边输送带是波状挡边带式输送机的枢纽部件。现今国内大多数波状挡边输送带的生产方式仍然以传统橡胶输送带为基带，而后把波状挡边及横隔板粘结于基带上，最后整体硫化而成。按照这种方式制造成的波状挡边输送带在使用中普遍存在刚度不足的缺点。波状挡边带式输送机在运行时，波状挡边输送带不仅要有较好的抗拉强度，而且带体横向必须保持平直状态，所以对基带的横向刚度也要求较高。很多波状挡边输送带因横向刚度不足，在空载分支下托辊处凹陷，且由于输送煤炭具有一定的粘性，卸料处不能完全将煤从波状挡边输送带中卸载出来，这样就容易在波状挡边输送带所形成的“闸”口中堆积，在下水平回程段加重了输送带的重量，形成凹陷现象的发生。这不但增加了波状挡边带式输送机的运行阻力，也加剧了波状挡边输送带的磨损。在凹弧段和凸弧段的改向处波状挡边输送带会出现局部受力相对较大的现象，因此带体就易出现横向变形，变形量较大时就会发生导向轮磨损波状挡边以及托辊磨损和拍打横隔板的状况，严重时可能导致在凸弧段压带轮处发生输送带脱离运行轨道，造成停机，尤其是在垂直提升的大型(基带宽度为2400mm)波状挡边带式输送机上，此问题格外突出。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种专门针对垂直提升大型波状挡边带式输送机而设计的新型支撑装置，利用该支撑装置可以有效解决导向轮磨损波状挡边以及凹陷现象的问题，同时还能够实现自动清扫“闸”口中堆积的淤煤。
本发明还提供一种安装有上述支撑装置的垂直提升大型波状挡边带式输送机。
本发明的技术方案如下：
一种垂直提升大型波状挡边带式输送机的支撑装置，包括轮轴，轮轴的两端设置在轴承座内，轮轴上设置有一对基带压轮和一对挡边压轮，基带压轮和挡边压轮分别通过深沟球轴承与轮轴连接，轮轴上还设置有五星支撑轮，五星支撑轮位于一对挡边压轮之间。
优选的，所述五星支撑轮与轮轴通过键连接。
优选的，所述基带压轮和挡边压轮上分别设置有尼龙保护套。
一种垂直提升大型波状挡边带式输送机，包括机架及设置在机架上的波状挡边输送带、支撑托辊、凸弧段托辊组件、压带轮组件和改向滚筒，所述波状挡边输送带包括依次连接的下部水平承载段、中间垂直提升段、上部水平承载段、上部水平回程段、中间垂直回程段和下部水平回程段；下部水平承载段和中间垂直提升段的连接处设置压带轮组件，中间垂直提升段和上部水平承载段的连接处设置凸弧段托辊组件，上部水平回程段和中间垂直回程段、中间垂直回程段和下部水平回程段的连接处均设置改向滚筒，下部水平承载段和上部水平承载段设置支撑托辊，下部水平回程段及上部水平回程段设置有上述的支撑装置。
优选的，下部水平回程段及上部水平回程段各设置有三个支撑装置，三个支撑装置等间距分布。
优选的，在下部水平承载段和中间垂直提升段的连接处设置有2个压带轮组件，2个压带轮组件的中心分别位于波状挡边输送带在变角处形成的角度平分线的等距离两侧；压带轮组件包括轮轴，轮轴的两端设置在轴承座内，轮轴上设置有一对基带压轮和一对挡边压轮，基带压轮和挡边压轮分别通过深沟球轴承与轮轴连接。
优选的，在中间垂直提升段和上部水平承载段的连接处设置有13个凸弧段托辊组件，13个凸弧段托辊组件等夹角布置在90°圆弧范围内。
优选的，所述凸弧段托辊组件包括轴、套筒和支座，套筒的两端设置有轴承，轴贯穿轴承且轴的两端设置在支座上。
优选的，所述改向滚筒包括滚筒轴，滚筒轴的两端通过深沟球轴承置于轴承座内，滚筒轴上贯穿设置有轮毂和帐套，轮毂和帐套上设置有幅板，幅板外周连接有筒体。
优选的，所述五星支撑轮的轴向宽度小于波状挡边输送带横隔板的宽度，基带压轮的轴向宽度小于波状挡边输送带基带外侧空边宽度。
优选的，所述下部水平承载段和上部水平承载段分别等间距设置有四个支撑托辊。
本发明的有益效果在于：
1.本发明设计的新型五星轮式支撑装置与空载回程段的波状挡边输送带相配合，很好地解决了空载分支波状挡边输送带因横隔板的存在而无法对其中间带体进行支撑的难题，有力的弥补了由于基带刚度不足引起的输送带向中间凹陷的缺点。同时五星支撑轮和基带压轮的设计也起到了导向作用，对防止波状挡边输送带的跑偏起到较大作用。
2.由于垂直提升大型波状挡边带式输送机的中间垂直提升段是无任何支撑的，所以整条输送带转弯形成的张力，将全部由凸弧段承载托辊组来承受，由于大型波状挡边带式输送机构造的特殊性，波状挡边带式输送机凹、凸弧段等部分波状挡边输送带的支撑问题成为了这个输送系统平稳运行的关键，本发明采用改进后的压带轮组件、凸弧段托辊组件及新型改向滚筒，加强了波状挡边输送带在空载分支凹弧段与凸弧段的支撑，延长了输送带的使用寿命，同时增强了带体的刚度和稳定性，保证了输送系统运行的安全平稳。
附图说明
图1为垂直提升大型波状挡边带式输送机总体布局图；
图2a为现有复式托辊结构示意图；
图2b为现有复式托辊运行关系图；
图3为改进后水平段空载分支五星轮式支撑装置结构示意图；
图4为改进后水平段空载分支五星轮式支撑装置应用图；
图5a为五星支撑轮剖面图；
图5b为五星支撑轮的立体图；
图6为波状挡边输送带结构示意图；
图7为波状输送带尺寸结构示意图；
图8为大型波状挡边带式输送机凸弧段支撑装置布局图；
图9为支撑托辊组件的结构示意图；
图10为大型波状挡边带式输送机凸弧段改向滚筒；
图11为大型波状挡边带式输送机凸弧段受力图；
图12为大型波状挡边带式输送机凸弧段托辊组件受力图；
其中：1—支撑托辊；2—下部水平回程段五星轮式支撑装置；3—压带轮组件；4—改向滚筒；5—上部水平回程段五星轮式支撑装置；6—改向滚筒；7—凸弧段托辊组件；8—轴承座；9—轮轴；10—波状挡边输送带基带压轮；11—波状挡边输送带挡边压轮；12—深沟球轴承；13—基带压轮保护套；14—挡边压轮保护套；15—五星支撑轮；16—内六角螺栓；17—波状挡边带；18—横隔板；19—波状挡边输送带基带；20—深沟球轴承；21—筒体；22—滚筒轴；23—幅板；24—轮毂；25—帐套；26-轴承座；27-轴；28-套筒；29-轴承；30-支座。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
在波状挡边带式输送机广泛应用的同时，逐渐暴露出其在实际应用中出现的诸多缺点和不足。如：挡边输送带刚度不足、易跑偏、空载分支的支撑存在问题、回程返(漏)料问题、凹凸弧段的支撑问题等，严重影响着正常的生产活动，尤其是垂直提升的大型波状挡边输送带，这些问题更为严重。本发明的垂直提升大型波状挡边带式输送机支撑装置以及改进后的垂直提升大型波状挡边输送机，可有效解决这些问题。本发明中的垂直提升大型波状挡边带式输送机具体参数如下，如图7所示，波状挡边输送带宽度B＝2400mm，基带空边宽度B1＝400mm，基带有效宽度B2＝1400mm，挡边底座宽度B3＝100mm，横隔板宽度B4＝300mm，运量Q＝3000t/h，提升高度H＝300m，上水平段长度L上＝6m，下水平段长度L下＝7m。如图1所示，本发明垂直提升大型波状挡边带式输送机布置图中，在下部水平段承载段处，布置有四组承载支撑托辊，由于本次应用于大带宽、大运量，所用支撑装置为长托辊，对于2400mm的带宽属于非标设计，在由下部水平段改为垂直提升段中，承载凹弧段最为关键在于不发生飘带现象并且能够安全平稳运行，在本次设计中，在承载凹弧段改向处安装有两个新型复式压带轮组件，在下部水平回程阶段，加装有三组所设计的五星轮式支撑装置，起到支撑并清扫的作用。上部水平承载段与回程段支撑装置的布置形式与下部水平段相同。
在实际生产和应用中，复式托辊的应用较为常见，一般将复式托辊分为复式导向压轮和复式导向托轮。复式导向压轮可置于承载分支改向处作为压带轮组件；复式导向托轮则可用作改向滚筒安装于空载分支凹弧段来支撑波状挡边输送带。但是在实际应用过程中发现，输送带的波状挡边和复式导向轮的小压(托)带轮磨损非常严重，影响了正常的生产运作。
在此，以复式导向压轮为例来分析其原因。如图2a和图2b所示当复式导向压轮旋转时，基带压轮、挡边压轮的旋转角速度以及轮轴的角速度ω相同，由于基带压轮与(波状挡边输送带)基带接触，由基带带动而旋转，故基带的速度v和基带压轮顶点的线速度v2＝ωR是相等的。基带和波状挡边是同一速度v，挡边压轮顶点线速度v1＝ωr，故v1＜v，即挡边压轮顶点线速度小于波状挡边的速度。由此可知，波状挡边与挡边压轮之间肯定会发生滑动摩擦。托辊基带压(托)轮、挡边压(托)轮的角速度是相等的，这样必然造成两者顶点线速度不同，从而造成挡边压轮与波状挡边之间的滑动摩擦。波状挡边在挡边压轮上急速滑动并发生相互摩擦，导致挡边压轮磨损严重，同时波状挡边也严重磨损。同理，复式导向托轮也是如此。
针对波状挡边带式输送机输送带支撑现状，本发明设计了一种新型五星轮式支撑装置，用于支撑空载分支的波状挡边输送带。由于复式托辊的支撑面只限于基带空边和波状挡边，其相对支撑面积较小。对于大型波状挡边输送带，由于基带较宽，会造成输送带中间部位在重力的作用下向下凹陷，而凹陷输送带又会在承载分支运行被平托辊托起而恢复原状。这样，输送带在交变作用力的作用下会加剧其损坏程度，降低输送带的使用寿命，不仅如此横隔板所存留的煤料残留不能有效清扫也会导致驱动滚筒寿命降低，所以必须增大托辊的在输送带带面上的支撑面积。
实施例1：
如图3所示，本实施例提供的垂直提升大型波状挡边带式输送机的支撑装置，包括轮轴9，轮轴9的两端设置在轴承座8内，轮轴9上设置有一对基带压轮10和一对挡边压轮11，基带压轮10和挡边压轮11分别通过深沟球轴承12与轮轴9连接，基带压轮10上设置有尼龙制基带压轮保护套13，挡边压轮11上设置有尼龙制挡边压轮保护套14，轮轴9上还设置有五星支撑轮15，五星支撑轮15位于一对挡边压轮11之间，五星支撑轮15与轮轴9之间通过键连接。
该五星轮式支撑装置安装在下部水平回程段波状挡边输送带的底部，如图4所示：五星轮式支撑装置的轮轴9两端固定。在波状挡边输送带挡边压轮11与轮轴9之间、波状挡边输送带基带压轮10与轮轴9之间分别安装深沟球轴承12，使波状挡边输送带挡边压轮11和波状挡边输送带基带压轮10与轮轴9之间均能够相对转动，实现波状挡边输送带挡边压轮11外圆周线速度与波状挡边的速度相同，基带压轮10外圆周线速度与基带的速度相同，减少了基带和波状挡边与压轮之间的滑动摩擦。此外，为保护波状挡边、减少磨损，在挡边压轮的外圆周添加尼龙保护套。本发明所设计的五星轮式支撑装置，五星轮托辊支撑波状挡边输送带的机理同齿轮齿条啮合原理相似。波状挡边输送带相当于齿条，五星轮相当于齿轮，五星轮在横隔板带动下转动，而五星轮的两侧压轮在基带空边带动下运行。相邻横隔板距离ts＝πm，五星轮直径D＝mz。
为方便设计计算与校核，在此以2400mm带宽的波状挡边输送带为例进行分析。
输送量：3000t/h；
带宽：2400mm，横隔板间距1400mm；
物料：煤，堆积密度ρ＝0.85t/m3；
粒度：A≤40mm；
以挡边高HB＝400mm，横隔板高h＝360mm，挡边宽B1＝100mm，有效带宽B2＝1400mm，基带空边宽基带空边宽度B1＝400mm
五星轮参数：取五星轮齿数z＝5，由相邻横隔板距离ts＝πm，五星轮直径D＝mz得到五星轮直径D＝2300mm。初选轮轴直径d1＝200mm。为了减少五星齿轮与波状挡边的内侧摩擦，五星轮轮齿的轴向宽度b1应该比波状挡边输送带的有效带宽B2稍小一些，取b1＝1300mm。五星轮外侧的两个基带压轮的轴向宽度b2可比基带外侧空边宽B1稍小，取b2＝350mm。中间五星轮结构尺寸如图5a和图5b所示。图中：r1＝100mm，r2＝85mm，R1＝2300mm。
五星轮托辊整体结构材料初选Q235A钢，材料的屈服强度σs＝235MPa，抗拉强度σb＝375～500MPa。基带压轮与轴之间轴承采用6310C4系列深沟球轴承，轴承的额定动负载为62.00kN，额定静负载为38.50kN。
五星轮式支撑装置的结构如图3所示，其工作效果如图4所示。中间为五星轮结构，两侧为基带压轮，其基带压轮与轮轴之间分别装有滚动轴承，避免了基带压轮与五星轮因转速不同引起对轮轴产生附加扭矩，保证五星轮的正常运行。
实施例2：
如图1所示，本实施例提供一种垂直提升大型波状挡边带式输送机，包括机架及设置在机架上的波状挡边输送带、支撑托辊、凸弧段托辊组件、压带轮组件和改向滚筒，所述波状挡边输送带包括依次连接的下部水平承载段、中间垂直提升段、上部水平承载段、上部水平回程段、中间垂直回程段和下部水平回程段，下部水平承载段和中间垂直提升段的连接处设置压带轮组件，中间垂直提升段和上部水平承载段的连接处设置凸弧段托辊组件，上部水平回程段和中间垂直回程段、中间垂直回程段和下部水平回程段的连接处均设置改向滚筒，下部水平承载段和上部水平承载段设置支撑托辊，下部水平回程段及上部水平回程段各设置有三个实施例1所述的五星轮式支撑装置，三个支撑装置等间距分布。其中，五星支撑轮的轴向宽度小于波状挡边输送带横隔板的宽度，基带压轮的轴向宽度小于波状挡边输送带基带外侧空边宽度。
本实施例中，在下部水平承载段和中间垂直提升段的连接处设置有2个压带轮组件，2个压带轮组件的中心分别位于波状挡边输送带在变角处形成的角度平分线的等距离两侧；压带轮组件包括包括轮轴，轮轴的两端设置在轴承座内，轮轴上设置有一对基带压轮和一对挡边压轮，基带压轮和挡边压轮分别通过深沟球轴承与轮轴连接。压带轮组件与五星轮式支撑装置在结构上的不同之处在于，压带轮组件没有五星轮。
在中间垂直提升段和上部水平承载段的连接处设置有13个凸弧段托辊组件，13个凸弧段托辊组件等夹角布置在90°圆弧范围内，相邻两个凸弧段托辊组件的夹角约为7°。凸弧段托辊组件包括轴27、套筒28和支座30，套筒28的两端内腔里设置有轴承29，轴27贯穿轴承29且轴27的两端设置在支座30上，支座30安装在机架上，如图9所示。
凸弧段承载托辊的支撑在整条输送带的支撑中有着举足轻重地位。由于波状挡边带式输送机凸弧段承载托辊的受力较大，而且是在变角处支撑，所以非常容易磨损和损坏。凸弧段承载托辊的良好设计与布置能够提高整条输送带的运行状况，延长托辊的使用寿命，因此对凸弧段托辊的研究与设计尤为重要。本实施例在90°圆弧范围内等夹角布置13个凸弧段托辊组件(A1-A13)，布局方式如图8所示。托辊所受的压力，是因为波状挡边输送带弯曲改向处的张力所造成的。因此，对凸弧段输送带的张力计算是分析凸弧段托辊组件受力的前提。下面通过受力分析，对本次凸弧段的设计加以验证。
物料在经过凸弧段圆弧辊道的过程中，由于受到加速度的作用，所以会受到惯性力矩的影响，理论分析物料在复杂受力条件下的受力平衡是极其复杂的，因此，本文在对于部分受力进行简化处理，对于物料由于加速度所产生的作用力不予以考虑，并且假设在该凸弧段托辊组件的受力是连续的，为此建立其数学模型。
在该凸弧段，转弯半径为R，单位长度波状挡边输送带和物料的质量为q，波状挡边输送带在任意点相对于水平线和转弯中心的夹角为α，α∈(0,π/2)。任取一端波状挡边输送带微单元进行受力分析，并记作Rdα。该微单元所受力为：物料和波状挡边输送带的重力dG＝qgRdα、托辊对波状挡边输送带的反作用力dN、输送带张力S、张力增量dS、df＝f·dN和离心力dQ＝qv2dα。如图11所示。
微单元重力为：
dG＝qRgdα
微单元离心力为：
运行阻力为：
df＝[dN+qgRdα]f
建立坐标系，沿着Y轴方向对微单元进行受力分解，得：
dN＝-qv2dα+Sdα+qRgsinαdα
沿着X轴方向对微单元进行受力分解，得：
dS＝(dN+qgRdα)f+qRgcosαdα
将公代入，整理可得：
此方程的解为：
S＝qRgsinα-qv2+qgR+Cefα
式中g——重力加速度；
f——摩擦因数；
C——待定系数；
Cefα——待定项。
输送带的张力在凸弧段初始处未知，但根据波状挡边带式输送机传动滚筒与凸弧段布置间距很小的特点，因此假设初始条件T1＝S|α＝90°待入上式可得：
Cefα＝T1-qRg+qv2-qgR
经整理可得，凸弧段输送带的张力公式为：
S＝qRgsinα+T1-qgR
推导出了波状挡边输送带在上凸弧段的输送带张力计算公式，即可得在凸弧段输送带对凸弧段托辊组件的压力。
dN＝2qRgsinαdα+T1dα-qRgdα-qv2dα
现实中，该凸弧段托辊组件对输送带的作用力dN并不是连续的，如图12所示。而是分布于13个托辊上，为此我们假设，输送带对凸弧段第n个托辊所产生的压力为：托辊所在位置相对于水平线与弯曲中心的夹角αn±θ/2(θ为两相邻托辊相对于转弯中心角的弧度差，)范围内的托辊对输送带所产生作用力的积分。
第n个波状挡边带输送机凸弧段所受力的计算公式即为：
为了使计算具有代表性，就以受力最大的第12根托辊组件进行计算。把各项数值T1＝2.85×105N、R＝3m、v＝4.5m/s、q＝251.25kg/m代入式(3.7)得第12个托辊组件的受力为4.58×104N。通过上述分析可以得出，本次设计的凸弧段的布置方式能够有效增强大型波状挡边带式输送机凸弧段的受力。在凸弧段的回程段，改用非标设计的用于2400mm带宽的改向滚筒4，其结构如图10所示。改向滚筒包括滚筒轴22，滚筒轴22的两端通过深沟球轴承20置于轴承座26内，滚筒轴22上贯穿设置有轮毂24和帐套25，轮毂24和帐套25上设置有幅板23，幅板23外周连接有筒体21。在下部水平承载段和上部水平承载段的底部分别等间距设置有四个支撑托辊，用于支撑波状挡边输送带，支撑托辊的结构与凸弧段托辊组件的结构相同。
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