皮带输送机滚筒包胶磨损机理的研究

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      皮带输送机中的滚筒是必不可少的基本组成部件。滚筒失效将直接导致整条输送线停机，对正常生产影响很大，同时还会带来繁重的维修工作量。
      1.实际存在问题
      在秦皇岛港煤码头五期工程，皮带输送机长期的运行实践表明：滚筒包胶磨损严重是导致滚筒失效的主要原因，秦皇岛港股份有限公司第九港务分公司投产4年以来，共进行包胶维修157 根次，占滚筒更换总量的75%以上。滚筒重新包胶存在以下几个问题：
      (1)损伤滚筒铁质元件，重新包胶时会使筒皮变薄，影响使用寿命。
      (2)维修费用庞大。4年中滚筒包胶维修共花费2,503,778 元。其中1根φ1000 mm、长2.5m滚筒硫化包胶12mm的费用在2万元左右，每年滚筒包胶维修费用超过公司总维修费用的10%。
      (3)包胶的快速磨损，造成橡胶资源的浪费。
      因此，减轻滚筒包胶磨损就成为输送设备优化管理工作的一项重要任务。目前我国对滚筒包胶磨损建模的研究非常少，因此，开展该领域的研究工作，对减轻包胶磨损对生产的影响、降低维修成本和工作量、节约资源和优化输送设备管理等方面都有着重大的现实意义和理论意义。
      2、滚筒包胶磨损的主要因素
      滚筒包胶是橡胶制品，它的组织结构是一种微观的层状结构。通过对现场包胶磨损情况的观察研究，发现其磨损表现为表面周期性地产生微小的舌状物撕裂，以及在拉伸作用下舌状物发生断裂两个过程，而这两个过程是大面积发生的，这就出现了宏观磨损，属于典型的磨粒磨损。
      通过对不同工况条件下的滚筒包胶磨损原因进行分析可知，滚筒包胶与输送带接触面的正压力较大、滚筒所处环境煤尘洒落较多时，包胶磨损比较严重，滚筒更换较频繁。统计结果如图1所示。

图1 滚筒包胶磨损原因统计

      依据统计数据，结合滚筒磨损的现场实际情况，以及橡胶磨损学知识，将滚筒包胶磨损的主要因素归结为：滚筒包胶与输送带间的正压力，充斥到输送带与包胶之间的磨损介质——煤尘微粒，以及输送带在张力变化时与滚筒包胶之间存在的弹性摩擦。
      3、滚筒包胶的磨损机理
      磨损是指摩擦副表面作相对运动时，由于机械与(或)化学作用所发生的材料脱落现象。滚筒包胶磨损的主要原因，同样是包胶与接触介质之间在较大正压力下发生了相对运动。这样，在研究滚筒包胶磨损机理时，就有以下3个重要影响因素。
      (1)包胶的接触介质
      皮带输送机专门用于运输煤炭时，因在输送带和滚筒之间存在着大量的煤炭微粒。通过现场大量观察研究发现，在分布范围和厚度方面，这些微粒在输送带和滚筒上基本可以认为是均匀分布。
      (2)包胶层受到的正压力
      这个压力主要是来自输送带的张紧力。皮带输送机要保证正常运转，需要在输送带上施加适当的张紧力，以保证输送带在启停及运转过程中不致出现打滑现象。
      (3)包胶与接触介质之间的相对运动
      这种相对运动可以分为两种：一种是在皮带输送机启动和停止的瞬间，滚筒包胶与输送带之间会存在瞬时的相对运动，这种相对运动存在的时间短，且是间歇性出现。另一种是在皮带输送机运行中，由于输送带与滚筒包胶之间存在摩擦力矩的作用，因此滚筒两边的输送带受到的张力并不相等，如图2所示。

图2 滚筒所受张力示意图

      输送带作为一种橡胶制品，在张力变化时所产生的长度变化是很明显的。皮带输送机运行时，输送带从接触到滚筒到脱离滚筒这一时间段内，会连续发生长度变化。在相对于滚筒转动速度以外，输送带与包胶之间存在弹性滑动，这种滑动在皮带输送机正常运行时会一直发生，是导致包胶与接触介质之间相对运动的主要原因。