适应大倾角工况的煤矿皮带机张紧装置结构设计与性能仿真

1 大倾角工况对张紧装置的特殊需求

1.1 物料下滑力影响

在大倾角皮带输送系统中，当倾角超过 18°时，物料在重力作用下的沿斜面下滑分力显著增强，成为制约输送稳定性的关键因素。传统水平或缓坡皮带机中，物料与皮带间的静摩擦力足以维持相对静止，但在大倾角条件下，尤其在潮湿、粒度不均或粘性较差的煤料输送过程中，物料极易发生局部滑移甚至整体下滑。这种滑移不仅导致输送效率下降，更严重的是会破坏皮带张力的均匀分布，引发驱动滚筒打滑、皮带边缘磨损加剧等问题。因此，张紧装置不仅要提供足够的初始张力以确保驱动滚筒的摩擦力储备，还需具备动态调节能力，实时补偿因物料滑移引起的张力波动。尤其在启动瞬间，物料惯性叠加下滑力，对张紧系统形成瞬时冲击载荷，要求张紧装置具有良好的缓冲与响应特性。

1.2 皮带张力变化复杂

大倾角皮带机在运行周期中经历启动、稳定运行与制动三个典型阶段，各阶段皮带张力呈现高度非线性变化特征。启动阶段，驱动装置施加扭矩使皮带加速，此时皮带张力从尾部向头部传递，形成“张力波”，在大倾角条件下，该波的传播速度与衰减特性受重力分量影响显著，易在皮带中后段形成局部张力集中。而在制动过程中，由于物料惯性滞后于皮带减速，皮带张力迅速释放，可能导致张紧侧松弛，甚至引发皮带“抖动”或“跳槽”现象。此外，输送量的动态变化，如给料不均或突发性大块煤冲击，也会引起张力的瞬态波动。传统固定式张紧难以应对此类复杂工况，必须依赖具备自适应调节能力的张紧系统，实现张力的主动反馈与动态平衡，从而保障整机运行的平稳性与安全性。

2 张紧装置结构设计

2.1 重载小车式张紧装置布局

针对大倾角工况的特殊力学环境，本文提出一种优化型重载小车式张紧装置，将其布置于皮带机尾部，充分利用巷道自然坡度实现高效张紧。该布局的核心优势在于将巷道倾角转化为张紧力的主动来源：重载小车沿倾斜轨道布置，其自重在斜面上的分力直接作用于皮带，形成持续且可调的张紧力。相较于垂直式或液压式张紧，该结构无需额外动力源，节能高效，且在断电等突发情况下仍能维持基本张紧功能，提升系统可靠性。更为关键的是，小车质量与轨道倾角可依据实际输送参数进行匹配设计，实现张紧力的精准调控。例如，在倾角 30°以上的工况中，通过增加配重块或调整轨道角度，可灵活应对不同输送量与物料特性带来的张力需求变化，显著提升系统的适应性与经济性。

2.2 关键部件设计

2.2.1 重载小车

重载小车作为张紧力的执行单元，其结构强度与运动稳定性直接决定系统性能。车架采用箱型焊接结构，主体材料选用 Q345B 高强度低合金钢，经有限元分析优化应力分布，确保在最大张力工况下最大应力不超过材料屈服强度的 70% 。车轮组采用双列调心滚子轴承，配合锥形踏面设计，有效抑制轨道不平顺引起的偏载与振动。为增强运行平稳性，车体前后设置液压缓冲器，在启动与制动阶段吸收冲击能量，减少对轨道与皮带的动态载荷。此外，车体两侧加装可调式侧向滚轮，与轨道翼缘形成间隙配合，既防止脱轨，又避免运行阻力过大。

2.2.2 轨道

轨道作为小车运行的支撑基础，其刚度与安装精度至关重要。轨道采用工字钢结构，固定于混凝土基础之上，通过预埋螺栓与调平垫片确保纵向坡度误差控制在 ±0.5% 以内，横向水平度偏差小于1mm/m 。为应对井下潮湿、腐蚀环境，轨道表面进行热浸锌处理，并在轨面涂覆耐磨涂层，延长使用寿命。轨道端部设置限位挡块与弹性缓冲装置，防止小车在极端工况下越界，同时降低碰撞冲击。

2.2.3 改向滚筒

改向滚筒不仅承担皮带方向转换功能，更在大倾角条件下起到增强摩擦包角的关键作用。本文设计采用直径为 800mm 的包胶滚筒，包胶层采用高摩擦系数氯丁橡胶，硬度为 70±5 Shore A，有效提升皮带与滚筒间的摩擦力。滚筒轴端配置双列圆锥滚子轴承，并集成温度与振动监测传感器，实现运行状态在线监控。滚筒位置经仿真优化，确保皮带包角不小于 210^∘ ，以充分抵消物料下滑力对驱动效率

的负面影响。

2.3 辅助装置设计

2.3.1 防跑偏装置

大倾角运行中，皮带受力不均易导致横向偏移。本文采用“调心托辊组+机械挡轮”复合防偏策略。调心托辊组布置于张紧段前后，当皮带发生轻微偏移时，侧托辊受力不均带动回转架转动，自动纠正皮带位置。在倾角变化剧烈区段，增设可调式挡轮装置，挡轮与皮带边缘保持 3～5mm 间隙，限制其横向位移，防止严重跑偏引发撒料或撕带事故。

2.3.2 防撒料装置

为应对大倾角下的物料撒落问题，设计多级防护结构：在皮带承载段设置弧形挡料裙板，高度为带宽的 1/3，内衬耐磨聚氨酯材料，与皮带边缘形成柔性密封；同时，在转载点加装导料槽与缓冲托辊，降低物料落差与冲击力。此外，尾部张紧段设置可调式刮料板，及时清除粘附于皮带非工作面的煤粉，防止其在回程中掉落污染巷道。

3 张紧装置性能仿真

3.1 仿真模型建立

基于 ADAMS 多体动力学平台，构建包含皮带、滚筒、托辊、重载小车及轨道的完整系统模型。皮带采用离散柔性体建模方法，划分为 500 个质量单元，考虑其拉伸刚度与弯曲柔性；重载小车与轨道间设置接触力模型，摩擦系数设为 0.08 输入参数包括：皮带机总长 600m ，倾角 28^∘ ，带速 2.5m/s ，输送量 800t/h，小车总质量 8t，轨道倾角与巷道一致。边界条件设定驱动滚筒为速度驱动，张紧端为自由移动约束，确保模型真实反映实际工况。

3.2 不同工况下的仿真分析

3.2.1 启动工况

仿真结果显示，在 0~5s 启动过程中，皮带张力由初始值 45kN 迅速上升至峰值 78kN，重载小车在张力牵引下沿轨道上行，最大加速度达 0.32m/s² ，位移变化约 120mm, 。张力峰值出现在启动后 1.8s，主要由皮带弹性波传播与物料惯性叠加所致。小车响应及时，未出现滞后或卡阻现象，验证了结构设计的动态适应性。

3.2.2 稳定运行工况

稳定运行阶段（5~120s），皮带张力波动范围为 68~72kN，标准差小于 1.5kN，表明张紧系统具有良好的稳态调节能力。重载小车在±15mm 范围内微幅调整，有效补偿了因给料波动引起的张力扰动。监测数据显示，改向滚筒包角充足，未出现打滑征兆，系统运行平稳。

3.2.3 制动工况

在 120~128s 制动过程中，皮带张力由 70kN 线性下降至 40kN，重载小车在重力作用下匀速下行，制动距离为 95mm，耗时 6.2s 张力释放平缓，未出现突降或反弹现象，表明系统具备良好的能量耗散能力，有效避免了皮带松弛与冲击断裂风险。

4 结论

适应大倾角工况的煤矿皮带机张紧装置需在结构设计上充分考虑物料下滑力与皮带张力动态变化的耦合效应。本文提出的重载小车式张紧装置通过合理布局与关键部件优化，实现了张紧力的自适应调节与高可靠性运行。防跑偏与防撒料辅助装置的集成，进一步提升了系统的整体稳定性。基于多体动力学的性能仿真验证了该装置在启动、稳定运行与制动各阶段均具备优良的动态响应特性与张力控制能力。该设计为大倾角煤矿皮带输送系统的安全高效运行提供了切实可行的技术方案，具有显著的工程应用价值。

参考文献

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