抗沖擊耐屈撓抗撕裂鋼絲繩芯輸送帶的 研制及性能

閆山(鶴壁煤業(yè)運(yùn)輸帶有限責(zé)任公司，河南 鶴壁 458000)

0 引言

在采礦、冶金等重工業(yè)生產(chǎn)中，鋼絲繩芯輸送帶具有載量大的優(yōu)勢，能夠通過將覆蓋膠和骨架材料合理匹配延長輸送帶使用壽命，因此應(yīng)用范圍較廣。但用于輸送不規(guī)則、質(zhì)硬且尖銳的物料，容易出現(xiàn)撕裂、縱向劃破等問題，導(dǎo)致輸送帶無法繼續(xù)使用，引發(fā)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。研制抗沖擊耐屈撓抗撕裂鋼絲繩芯輸送帶，滿足重工業(yè)對高性能輸送帶的使用需求。

1 鋼絲繩芯輸送帶研制需求

某鐵礦1 000 萬噸/年開采工程在鐵礦體開采期間，在深入地下100 m 位置遭遇了排巖系統(tǒng)輸送帶被刺穿和撕裂問題，給開礦作業(yè)進(jìn)行帶來了阻礙。按照礦石開采流程，將先通過破碎站破碎成直徑不超300 mm小石塊，然后通過輸送帶運(yùn)輸。分析輸送帶損壞原因可知，石塊棱角較為尖銳，從破碎站下落至輸送帶的高度距離達(dá)到6 m，導(dǎo)致輸送帶承受較大沖擊力，在拉伸強(qiáng)度不足、耐屈撓能力較弱的情況下，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)被撕裂。為解決問題，保證生產(chǎn)活動順利進(jìn)行，要求完成抗沖擊、伸長率小、耐屈撓的輸送帶研制，避免輸送帶發(fā)生撕裂等損傷的同時，有效延長其使用壽命，滿足尖銳小礦石的長距離、高效運(yùn)送需求。

2 鋼絲繩芯輸送帶的研制方案

2.1 骨架材料

從骨架材料來看，輸送帶可以劃分為棉帆布、聚酯帆布、鋼絲繩等多種，擁有耐油、阻燃、耐磨等不同性能[1]。根據(jù)輸送帶的研制需求，選用鋼絲繩作為估價材料，按照材質(zhì)可以劃分為鍍銅和鍍鋅兩類。從使用壽命來看，需選用鍍鋅材質(zhì)，外覆塑料避免生銹，滿足長期使用需求。在普通的鋼絲繩芯輸送帶中，僅在縱向上布置鋼絲繩，橫向缺少骨架結(jié)果，導(dǎo)致輸送帶受沖擊后容易出現(xiàn)開裂問題。在橫向設(shè)計增強(qiáng)體，從而形成抗撕裂層，達(dá)到改善輸送帶性能的目標(biāo)。從增強(qiáng)體材料上來看，可以為鋼絲繩或纖維線繩，前者能夠提高橫向拉伸強(qiáng)度，增加開裂阻力，后者則擁有良好彈性，能夠改善結(jié)構(gòu)抗沖擊性能。在綜合考量的基礎(chǔ)上，選用孟鋼合金材質(zhì)的防撕裂線繩，編制成線圈形成抗撕裂層，達(dá)到同時提高輸送帶抗沖擊性和抗撕裂性能的目標(biāo)。

2.2 骨架結(jié)構(gòu)

按照上述思路，能夠形成由覆蓋膠、線圈、鋼絲繩和芯膠構(gòu)成的骨架，輸送帶寬2 200±15 mm，長度達(dá)到14 400 mm，厚度在32.3～37.2 mm 之間，要求縱向拉伸強(qiáng)達(dá)到4 500 kN·m 以上。按照設(shè)計，選用Φ 8.8 mm鋼絲繩，沿著寬度方向排列，間隔為16±1.5 mm。鋼絲繩選用6×19 W+WSC 結(jié)構(gòu)，在寬度方向上右交互捻，與左交互捻鋼絲繩保持間隔排列，使結(jié)構(gòu)張力保持均勻。選用Φ 0.18 mm 的線圈，采用6×7 W+WSC 結(jié)構(gòu)，按照多環(huán)合圍方式排列，形成長×寬為2 110 mm×315 mm的“回”字結(jié)構(gòu)，確保各環(huán)線圈不會出現(xiàn)相互重疊問題，可以穩(wěn)定傳輸信號，延長其使用壽命[2]。在覆蓋膠和芯膠之間，需要每隔50 m 布置一個線圈。依靠埋設(shè)在輸送帶內(nèi)部的線圈，能夠輔助自動化監(jiān)測裝置實現(xiàn)輸送帶故障的精確定位。因為在輸送帶因受到外部沖擊發(fā)生撕裂、損傷等異常的情況下，能夠通過線圈信號中斷情況進(jìn)行精確定位，通過立即控制設(shè)備停機(jī)避免輸送帶受到更大損傷。在鋼絲繩上、下，都設(shè)計有覆蓋膠，厚度分別為15 mm 和10 mm，內(nèi)部上、下分布芯膠，厚度均為4.8 mm。在帶體中間，需要在鋼絲繩間嵌入線圈，確認(rèn)其天線與鋼絲結(jié)構(gòu)保持相互垂直。在二者之間，需要填充厚5 mm、寬6 mm、長15 mm的膠條，并將線圈放在膠條上面，主體位于相鄰鋼絲繩間，上部再次覆蓋膠條，確保輸送帶在斷裂時不會給線圈帶來過多損傷。

2.3 覆蓋膠研制

在覆蓋膠研制方面，考慮到生產(chǎn)環(huán)境較差，覆蓋膠需要承受較大沖擊力，應(yīng)達(dá)到高強(qiáng)、高彈、耐磨等性能要求，還要合理進(jìn)行配方設(shè)計。不同于普通輸送帶，研制輸送帶表面覆蓋層應(yīng)達(dá)到DIN-X 等級，至少達(dá)到25 MPa 的拉伸強(qiáng)度，同時磨耗量不超120 mm3。結(jié)合聚合物磨損機(jī)理可知，主要因彈性變形和塑性變形發(fā)生磨損。選用標(biāo)準(zhǔn)天然橡膠NR 和丁苯橡膠SBR作為主體材料，前者擁有良好彈性、較高強(qiáng)度，并且便于加工，后者則帶有較強(qiáng)耐屈撓、耐磨等性能，可以與其他材料較好混合。為進(jìn)一步增強(qiáng)膠料拉伸性能，減少磨耗發(fā)生，需要添加補(bǔ)強(qiáng)劑。具體來講，需要搭配使用炭黑和硅烷偶聯(lián)劑，前者充分發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)作用，后者發(fā)揮架橋作用，確保主料和補(bǔ)強(qiáng)劑能夠較好混合[3]。此外，需要選擇低毒或無毒的抗老化、抗氧化和軟化劑等輔助制劑，確保覆蓋膠能夠獲得良好綜合性能。其中，軟化劑應(yīng)以油類為主。因為橡膠極性較大，需要選用與之相近的增塑劑進(jìn)行互溶，確保其不容易被油類抽出，在給膠料帶來良好的加工性能的同時，適當(dāng)降低膠料用量。在固化劑選用方面，使用古馬隆樹脂可以使膠料獲得更強(qiáng)的黏性，同時不容易受油脂影響而析出，在硫化后可以使材料獲得較強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度。根據(jù)粒徑結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)等各方面因素，合理確定材料類型和劑量，能夠得到如表1 所示的材料配比。

表1 覆蓋膠配比

從配制得到的膠料性能來看，按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在148 ℃的條件下進(jìn)行材料物理性能30 min 測試，可知材料邵爾A 型硬度為62°，拉伸強(qiáng)度達(dá)到27.2 MPa，拉斷時的伸長率達(dá)到555%。在148 ℃和96 h 下進(jìn)行材料熱空氣老化性能測試，能夠得到材料拉伸強(qiáng)度為27.2 MPa，拉斷時的伸長率達(dá)到477%。在40 ℃條件下，材料拉伸率達(dá)到20%，臭氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1×10-4，材料能夠成功通過臭氧老化測試，最終并未出現(xiàn)龜裂等缺陷，因此說明材料性能符合要求。

2.4 芯膠研制

在芯膠研制方面，可知其又被稱之為粘合膠，應(yīng)確保覆蓋膠的橡膠和鋼絲繩能夠高強(qiáng)度粘合，確保形成的結(jié)構(gòu)可以獲得較高的抗沖擊、抗撕裂等性能，達(dá)到延長輸送帶使用壽命的目標(biāo)?，F(xiàn)階段，市面上多采用簡單粘合體系，僅能對鋼絲繩和橡膠進(jìn)行靜態(tài)粘合，在輸送帶使用期間則容易出現(xiàn)動態(tài)粘合性不足問題。經(jīng)過多次屈撓后，將發(fā)生芯膠與鋼絲繩剝離開來的情況，導(dǎo)致中空層的產(chǎn)生，最終引發(fā)輸送帶整體性能下降情況[4]。為解決這一問題，增強(qiáng)輸送帶的耐屈撓特性，需要采用鈷鹽粘合技術(shù)進(jìn)行芯膠配制。依靠鈷鹽螯合鍵，可以起到促進(jìn)橡膠材料和金屬鋼絲繩粘合的效果。但在實際設(shè)計芯膠配比時，應(yīng)注意鈷鹽過多將加速橡膠材質(zhì)老化，過少則無法取得理想粘合效果，需要通過反復(fù)試驗確定用量。在粘合體系設(shè)計上，在使用鈷鹽的同時，需要同時使用白炭黑、間苯二酚-乙醛樹脂等增強(qiáng)材料老化前后的粘合性。添加粘合劑，也可以提高材料粘合強(qiáng)度。芯膠主料依然為NR 和SBR，而采用天然橡膠進(jìn)行硫化加工，要求達(dá)到較高定伸應(yīng)力，通過適當(dāng)增加硫磺用量增強(qiáng)材料的粘結(jié)強(qiáng)度。但使用NR 和SBR 只能完成少量硫磺溶解，因此要求硫磺用量不超2 份，以免出現(xiàn)噴霜問題，導(dǎo)致芯膠在硫化期間發(fā)生還原問題，出現(xiàn)粘合性能和力學(xué)性能下降情況。為此，還應(yīng)選擇不溶性硫磺增強(qiáng)橡膠和骨架的粘合情況。對促進(jìn)劑進(jìn)行選擇，從粘合性、工藝安全等多方面進(jìn)行考量，要求膠料在反應(yīng)前深入鋼絲之間，因此選用磺酰胺類促進(jìn)劑，可以獲得焦燒時間，后效性良好，取得良好促進(jìn)效果。在補(bǔ)強(qiáng)劑選擇上，考量到使用的橡膠并非結(jié)晶材料，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)填充，確?？梢垣@得良好力學(xué)性能。而炭黑補(bǔ)強(qiáng)性較好，擁有較大比表面積，實際選擇時應(yīng)注意中超耐磨炭黑盡管擁有較好補(bǔ)強(qiáng)效果，但在混煉時受熱將引發(fā)膠黏劑失效問題。而作為芯膠材料要求具備良好流動性，確保與鋼絲繩緊密接觸，產(chǎn)生大量交聯(lián)鍵。選用高耐磨炭黑和白炭黑，依靠白炭黑表面氫鍵、羥基構(gòu)成極性和非極性部分，可以同時增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)和粘合性能。通過綜合分析，能夠得到芯膠配比，如表2 所示。

表2 芯膠配比

從芯膠性能來看，按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行物理性能測試，能夠得到邵爾A 型硬度為70°，材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到17.8 MPa，拉斷時的伸長率達(dá)到470%。經(jīng)過熱空氣老化性能測試，能夠得到材料拉伸強(qiáng)度為16.0 MPa，拉斷時的伸長率達(dá)到395%。此外，芯膠也能通過臭氧老化測試，各項性能指標(biāo)均符合要求。

2.5 工藝方案

在研制的輸送帶產(chǎn)品生產(chǎn)方面，設(shè)計的工藝流程與普通輸送帶接近，需要先完成膠料配制，然后進(jìn)行成型加工，最后完成硫化處理。在不同的生產(chǎn)工序，還要合理進(jìn)行工藝選擇，確保生成的產(chǎn)品綜合性能良好。

首先，在膠料配制時，需選用密煉機(jī)進(jìn)行混煉加工，確保各種材料能夠均勻混合，得到性能穩(wěn)定的膠料。膠料混煉效果直接影響輸送帶最終拉伸強(qiáng)度，混煉過程中應(yīng)明確加料順序，要求在完成補(bǔ)強(qiáng)劑填充后進(jìn)行軟化劑添加，避免導(dǎo)致其他填充劑、炭黑等材料出現(xiàn)結(jié)團(tuán)不均情況。在覆蓋膠混煉過程中，輥距應(yīng)控制在0.5～1.0 mm 之間，溫度在55～65 ℃范圍。由于天然橡膠塑性在0.22～0.28 范圍內(nèi)，早期添加天然橡膠時應(yīng)先將輥距調(diào)至2 mm，后續(xù)添加SBR、氧化鋅、硬脂酸、防老劑和樹脂材料時，可以逐漸縮小輥距。之后，依次添加炭黑、偶聯(lián)劑、硫磺和促進(jìn)劑等材料。經(jīng)過6～8 遍加工后，將輥距調(diào)至3～4 mm，能夠完成膠片制備。為保證覆蓋膠能夠均勻混煉，在壓片出型時應(yīng)確認(rèn)煉膠溫度和可塑度匹配，同時輥距兩側(cè)一致，卷取松緊度相同，期間應(yīng)保證溫度和壓延速度穩(wěn)定，以免出現(xiàn)薄厚不均或產(chǎn)生明疤等缺陷。在芯膠混煉過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度，避免因溫度過高造成易揮發(fā)性物質(zhì)未能得到充分揮發(fā)，最終造成膠片粘合強(qiáng)度下降，實際溫度應(yīng)控制在50～60 ℃之間。得到膠片后，使用隔離液處理，在冷卻、晾干后可以備用，應(yīng)確認(rèn)在室溫條件下停放時間在6～24 h 內(nèi)，避免時間過短導(dǎo)致膠片內(nèi)殘留氣泡，也避免時間過長造成膠料產(chǎn)生噴霜和自硫問題，導(dǎo)致粘合度下降。

分上下在骨架上布置覆蓋膠和芯膠膠片布置后，可以進(jìn)行成型加工，但采取以往的壓延工藝，擠出過程中存在各層結(jié)構(gòu)不密實的問題，內(nèi)部存在殘留氣體，硫化后將出現(xiàn)皺紋、氣泡等缺陷，導(dǎo)致輸送帶在后期使用過程中容易出現(xiàn)內(nèi)部脫層開裂問題，抗沖擊等性能較差。針對這一問題，需要采用帶坯成型工藝，先對上層的覆蓋膠和芯膠進(jìn)行壓合。在下層覆蓋膠和芯膠之間，需要等間距布置線圈，然后對下層膠料進(jìn)行壓合。將得到的膠片然后分別布置在鋼絲繩上、下，可以進(jìn)行冷壓加工。在成型階段，應(yīng)先做好骨架材料排列，對鋼絲繩進(jìn)行等間距和左右交錯間隔排列，確保每根鋼絲繩的張力相同，形成平穩(wěn)結(jié)構(gòu)。使用液壓馬達(dá)進(jìn)行繩軸初張力控制，并使用拉帶機(jī)同步拉帶坯進(jìn)模，與成型車聯(lián)動作業(yè)，能夠在恒張力條件下完成合模加工。為防止模內(nèi)鋼絲繩出現(xiàn)彎曲情況，需要在成型機(jī)前布置分梳器，確保帶坯成型期間鋼絲繩保持均勻分布狀態(tài)，有效保證產(chǎn)品質(zhì)量。在實踐操作過程中，需要按照左右捻相間排列方式將鋼絲繩掛于錠子架上，逐根穿過改向輥，然后通過分梳器和夾持器后進(jìn)入張力站。在牽引板上捆扎各股鋼絲繩，利用定位板固定后，將鋼絲繩牽出，進(jìn)入到冷壓平板。張力大小在3.8±0.5 MPa 之間，冷壓平板壓力在3～4 MPa 范圍。在芯膠和鋼絲繩緊密貼合的情況下，能夠使膠片保持較好的流動狀態(tài)。在鋼絲繩外側(cè)布置5 mm 厚膠條，進(jìn)行30 s 冷壓，確認(rèn)不存在張口問題。合膠時，應(yīng)確認(rèn)縱向搭接在0～3mm 之間，橫向在10～15 mm之間，兩側(cè)的邊膠寬相同，做到輥實。在規(guī)定張力條件下進(jìn)行成型加工，避免鋼絲繩間距不均。為避免布局出現(xiàn)膠量過多，導(dǎo)致后續(xù)硫化時對鋼絲繩產(chǎn)生過度擠壓，引發(fā)張力不均情況，壓延期間應(yīng)做到不改變速度和突然停車。在8 MPa 壓力條件下進(jìn)行合模加工，經(jīng)過60～90 s 后能夠得到成型的半成品，應(yīng)確認(rèn)帶坯兩側(cè)不存在張嘴問題。針對線圈所在帶坯位置，需要沿著線圈內(nèi)、外側(cè)扎孔排氣，禁止在線圈上方扎孔，以免結(jié)構(gòu)受損。

在硫化加工階段，通常橡膠制品將在140～160 ℃條件下硫化，具體需要結(jié)合材料配比和輸送帶厚度情況確認(rèn)，最終將硫化溫度設(shè)定為150±1 ℃。帶坯硫化，進(jìn)模前提前確認(rèn)邊部是否存在粘合不牢或搭接位置漏搭等情況，發(fā)現(xiàn)問題立即修補(bǔ)，然后再次涂抹脫模劑。使用脫模劑，應(yīng)加強(qiáng)配比和用量控制，避免滲入夾溝，以免引發(fā)明疤等缺陷。在加工前，應(yīng)確認(rèn)坯處于硫化板中心線的位置，避免因結(jié)構(gòu)偏移造成鋼絲繩受到擠壓。為將帶面氣體充分排出，可以進(jìn)行二次緩壓?？紤]到輸送帶的厚度較大，需要適當(dāng)提高硫化壓力，以免材料產(chǎn)生氣泡，在改善材料物理性能的同時，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)致密性。此外，通過提高交聯(lián)密度，也可以加速膠料在鋼絲繩間的滲透，達(dá)到較高粘合強(qiáng)度。通過反復(fù)試驗，最終將硫化壓力設(shè)定為15 MPa，蒸汽壓力達(dá)到0.4 MPa，利用模壓方式分段連續(xù)硫化50 min。

2.6 性能分析

對研制的輸送帶產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，確認(rèn)能否達(dá)到設(shè)計要求，從而驗證產(chǎn)品生產(chǎn)方案的有效性。按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品物理機(jī)械性能進(jìn)行測試，可以得到單根鋼絲繩強(qiáng)度可以達(dá)到89.2 kN，線圈強(qiáng)度為3.7 kN。對輸送帶各項特性進(jìn)行測試，可知抗沖擊初始破損和穿透能量分別達(dá)到1 850 J 和3 070 J，屈撓100 萬次后結(jié)構(gòu)粘合強(qiáng)度可以達(dá)到176 kN/m，覆膠率仍然為100%，而輸送帶縱向撕裂強(qiáng)度可以達(dá)到8.3 kN/m。按照產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，如表3 所示為產(chǎn)品主要性能指標(biāo)，可知各項性能較優(yōu)。將研制的輸送帶安裝在輸送線上，按照4.5 m/s 速度運(yùn)行，經(jīng)過為期3 個月的運(yùn)轉(zhuǎn)后，輸送帶始終未出現(xiàn)破裂或受損情況。而利用輸送帶內(nèi)部線圈，可以配合采用防撕裂系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)測，在線圈受到破壞時將發(fā)出報警信號，提醒人員及時處理。人員在現(xiàn)場手持與線圈配套的移動終端設(shè)備，可以在距離芯片1 m 位置獲得感應(yīng)信號，獲得相關(guān)檢測數(shù)據(jù)。此外，通過互聯(lián)網(wǎng)，能夠在線確認(rèn)輸送帶的運(yùn)行情況，并在輸送帶受損后精確定位受損位置，發(fā)出制動指令，在5～72 m 內(nèi)將輸送線停下，避免輸送帶受損過多，出現(xiàn)無法繼續(xù)使用問題。因此研制的輸送帶在擁有良好物理機(jī)械性能的同時，能夠體現(xiàn)智能化特點(diǎn)，可以有效延長輸送帶使用壽命。

表3 產(chǎn)品主要性能指標(biāo)

3 結(jié)語

在鋼絲繩芯輸送帶研制方面，合理進(jìn)行骨架材料選用，并做到橫向排布抗撕裂線圈，能夠有效提高輸送帶抗沖擊和抗撕裂等性能。在做好骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成耐磨、拉伸強(qiáng)度高、彈性佳的覆蓋膠、芯膠研制，能夠進(jìn)一步優(yōu)化輸送帶耐屈撓等特性。采用混煉和冷壓成型等生產(chǎn)工藝，最終生產(chǎn)出各項性能符合要求的輸送帶產(chǎn)品，能夠為解決礦石輸送問題提供有效方案。