帶式輸送機更換托輥用皮帶舉升機構設計與應用

田立勇，唐 瑞，于 寧，陳洪月

（遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000）

隨著帶式輸送機的高速發展，許多行業都選擇帶式輸送機作為主要運輸工具。帶式輸送機具有運輸能力強、成本低、操作簡單和自動化程度高等特點，是煤礦生產運輸環節的重要組成部分[1]。煤礦智能化建設提高了礦產資源的開發效率，帶式輸送機的運輸強度隨之增大。輸送機在井下長時間高強度運行易發生故障，若故障不及時排除，則會嚴重制約生產效率，甚至會發生安全事故。因此，提高帶式輸送機的維修效率具有重大意義，是煤礦智能化建設進程中亟待解決的技術問題。

托輥故障是帶式輸送機最常見的故障之一。以王家嶺煤礦主平硐帶式輸送機為例，其運輸距離長達12.8 km，托輥損壞頻繁，維修頻率高，每年更換的托輥數量為7 000 個左右。由于輸送機工作環境的限制，現有的托輥更換技術和設備單一，傳統的人工更換托輥方式存在很大的局限性，更換效率低，安全風險高，且停機維修需要耗費大量時間，嚴重影響生產效率[2]。

針對上述問題，筆者團隊提出了一種更換托輥機器人，以取代傳統的托輥更換方式，從而實現在帶式輸送機不停機的狀態下更換托輥，避免托輥損壞后未能及時更換所造成的皮帶損傷及安全事故等風險，減少輸送機工作故障。這對保證煤礦生產的連續性和提高煤炭生產安全性具有重要意義[3]。

舉升皮帶是不停機更換托輥的關鍵步驟，須將皮帶舉升到足夠高度以使其與托輥分離，保證拆卸和安裝托輥有足夠的操作空間。傳統的方法是在帶式輸送機停機狀態下清理完皮帶上方的物料后才能舉升皮帶，主要有以下2種方式：1）用電動葫蘆配合鏈條將皮帶吊起來；2）用千斤頂將皮帶頂起來。由于帶式輸送機的載荷大且作業空間狹窄，維修人員采用傳統舉升方法時操作不方便，工作效率低；此外，維修人員作業時需要接觸皮帶，存在較大的安全隱患[4]。

然而，在帶式輸送機不停機狀態下舉升皮帶是個技術難點。筆者擬設計一種新的皮帶舉升機構，以實現在帶式輸送機不停機狀態下舉升皮帶，確保皮帶舉升高度滿足要求且輸送機平穩、安全地運行，從而提高托輥更換效率，減少維修人員作業風險和勞動強度。首先，通過分析帶式輸送機的作業環境和更換托輥機器人的功能需求，確定皮帶舉升機構的結構特征和舉升方式，并對其結構進行詳細設計；然后，基于帶式輸送機的參數計算舉升皮帶的工作載荷，并對皮帶舉升機構進行受力分析，同時開展運動學仿真及靜力學仿真；最后，開展地面試驗和井下試驗，以驗證皮帶舉升機構設計的合理性和可靠性。

1 皮帶舉升機構功能分析與結構設計

帶式輸送機托輥更換作業是煤礦維修的日常工作，為實現在不停機狀態下更換上部槽形托輥組，以解決停機停產問題[5]，本文設計了如圖1所示的更換托輥機器人，其主要由行走機構、姿態調整平臺、伸縮平臺、機械手和皮帶舉升機構等組成。

圖1 更換托輥機器人結構組成Fig.1 Structure composition of idler replacement robot

行走機構可為更換托輥機器人提供遠距離作業的條件，其配有國Ⅲ防爆柴油發動機和液壓泵等，能同時攜帶6個托輥，有效地減輕了維修人員在巷道內遠距離作業時的勞動強度，提高了維修效率。

姿態調整平臺可根據井下作業環境的變化實時調整機器人的姿態，為不停機更換托輥提供合適的作業條件，以保證安全、快速地更換托輥。

伸縮平臺通過多級伸縮來實現更換托輥機器人從帶式輸送機一側伸入到輸送機機架中，在保證機器人與皮帶及機架保持安全距離的情況下，將機器人工作平臺搭建在皮帶下方。

前、后機械手主要用于拆卸和安裝帶式輸送機上部3個不同位置的托輥。

皮帶舉升機構是更換托輥機器人的重要組成部分，承擔在帶式輸送機不停機狀態下舉升皮帶的關鍵作用。皮帶舉升機構的設計難點在于：結構尺寸要符合作業環境的要求，且舉升高度及承載能力要滿足更換托輥的功能需求。

如圖2所示，在帶式輸送機中，皮帶最低點距機架縱梁僅196 mm 左右，空間狹小。根據更換托輥機器人的功能需求，皮帶要舉升至400 mm以上。如圖3 所示，帶式輸送機槽形托輥組由3 個托輥組成，托輥架支撐皮帶呈V形姿態，中間托輥與側托輥的夾角為35o[6]；輸送機機架縱梁外側間距為1 850 mm；皮帶主要承重位置為中間位置，皮帶兩端由側托輥控制形成槽形結構，以避免物料散落。通過分析輸送機及其托輥架的結構發現，空間限制因素較多，對更換托輥機器人皮帶舉升機構的尺寸要求嚴格，這對皮帶舉升機構的結構設計和加工有巨大影響。

圖2 帶式輸送機結構示意Fig.2 Structure schematic of belt conveyor

圖3 槽形托輥組結構示意Fig.3 Structure schematic of groove-shape idler group

根據更換托輥機器人的工作原理確定皮帶舉升機構的主要功能，具體如下：

1）舉升皮帶。在帶式輸送機不停機的狀態下，機器人伸縮平臺能安全進入皮帶下方，并將皮帶舉升至400 mm 以上，旨在為機械手更換托輥提供足夠的操作空間。

2）保證帶式輸送機平穩運行。確保皮帶在舉升過程中呈平穩上升姿態，且皮帶舉升后仍可正常運行。

為實現上述功能，同時考慮到更換托輥機器人和帶式輸送機的空間限制，擬設計2種舉升方案并進行對比分析。

方案1：采用擺動式舉升機構，以液壓擺動油缸為驅動，將托輥架由水平放置狀態轉動至豎直狀態，通過托輥架轉動后的高度變化來實現皮帶的舉升。擺動式皮帶舉升機構的結構如圖4所示，主要包括擺動油缸、伸縮油缸、中間托輥架和側托輥架等。其中，伸縮油缸控制側托輥架移動，側托輥架收縮時可將皮帶舉升機構放置在皮帶下方，伸展時能增大與皮帶的接觸面積；由擺動油缸旋轉帶動中間托輥架繞油缸軸線轉動90o，實現皮帶的舉升。

圖4 擺動式皮帶舉升機構三維模型Fig.4 Three-dimensional model of swing-type belt lift‐ing mechanism

方案2：以剪叉結構作為皮帶舉升機構的主體，保證中間托輥架和側托輥架在舉升油缸的作用下實現聯動，達到舉升皮帶的目的。剪叉式皮帶舉升機構的結構簡圖如圖5所示，包括1個原動件（舉升油缸7）、2 個滑塊（油缸滑塊6，8）以及5 根連桿（剪叉臂1，2，4，5 和托輥架3）。在舉升過程中，舉升油缸7推動油缸滑塊6，8向兩側移動，剪叉臂2繞鉸接點H旋轉，并通過中間鉸接點B受力使剪叉臂1 繞鉸接點A轉動，同時剪叉臂2 繞鉸接點C轉動。在所受載荷均勻分布的情況下，該皮帶舉升機構左右兩側的運動對稱。舉升油缸輸出主動力，各元件受力傳動，托輥架3上、下移動，實現皮帶舉升機構的升降[7]。

圖5 剪叉式皮帶舉升機構結構簡圖Fig.5 Structure sketch of scissor-fork belt lifting mecha‐nism

剪叉式皮帶舉升機構的三維模型如圖6 所示。結合原托輥架的結構特點，采用槽形托輥組的結構，以確保皮帶在舉升過程中保持平穩?？紤]到皮帶舉升機構的工作環境，在非工作狀態下，側托輥架可繞剪叉臂頂點轉動至豎直狀態，以節省空間并避免與其他設備碰撞；在初始工作狀態下，側托輥架與中間托輥架均水平放置，確保舉升機構與皮帶之間有足夠的安全距離，隨后側托輥架隨剪叉臂同步運動；當中間托輥架上升至最高點時其與側托輥架的夾角約為35°，與原托輥架結構相似，消除了舉升皮帶時煤料從皮帶兩側掉落的風險；皮帶舉升到最高位置時油缸滑塊兩側受底板結構限位，保證舉升機構在承載狀態下保持平衡，避免因物料偏載而影響舉升效果。

圖6 剪叉式皮帶舉升機構三維模型Fig.6 Three-dimensional model of scissor-fork belt lift‐ing mechanism

通過對比2 種舉升方案發現，方案1 機構不僅需要較大的空間尺寸，而且對油缸轉矩的需求大，相較于方案2缺點明顯；方案2機構的結構緊湊，油缸選型較為方便，且舉升方式更平穩可靠。由此，確定采用剪叉式皮帶舉升機構結構方案。

2 皮帶舉升機構受力分析

以王家嶺煤礦主平硐帶式輸送機為研究對象，根據表1所示的關鍵參數，分析舉升皮帶的工作載荷以及皮帶舉升機構的受力情況[8]。

表1 帶式輸送機關鍵參數Table 1 Key parameters of belt conveyor

根據帶式輸送機皮帶的舉升原理，對舉升皮帶的工作載荷進行分析，其主要包括物料重力、皮帶重力和皮帶張緊力等。對各部分載荷進行計算，即可得到舉升皮帶的工作載荷。

單位長度皮帶所承載的物料質量q為：

式中：Q為帶式輸送機額定輸送量，t/h；v為帶式輸送機運行速度，m/s。

假設在皮帶舉升過程中，皮帶的最大舉升高度為Hm，皮帶與相鄰兩側托輥分離，皮帶與水平方向的夾角為θ，兩側托輥架中心的距離L=6 m，對皮帶張緊力進行分析。如圖7所示，由于皮帶張緊力在水平方向上相互抵消，因此主要考慮皮帶的豎直張緊力F1。

圖7 皮帶張緊力分析Fig.7 Belt tension force analysis

根據圖7，皮帶的豎直張緊力F1為：

式中：Fz為皮帶張緊力，N。

由式(2)可知，F1的大小受θ的影響，而θ隨皮帶舉升高度的增大而增大。根據帶式輸送機的參數，設皮帶最大舉升高度Hm=204 mm，通過計算得到θ=3.68°，此時對應的F1值最大。

在帶式輸送機運行過程中，由于皮帶舉升機構所受的載荷較大，而托輥質量較小，故可忽略托輥重力。由此可知，皮帶舉升機構在豎直方向上所受的載荷即為舉升皮帶的工作載荷[9]。假設中間托輥承受的載荷為37%物料重力、67%皮帶重力和皮帶豎直張緊力，側托輥承受的載荷為31%物料重力、17%皮帶重力和皮帶豎直張緊力[10]。

由此可得，中間托輥承受的靜載荷和動載荷分別為：

式中：P1為中間托輥承受的靜載荷，N；為中間托輥承受的動載荷，N；e為載荷系數，取e=0.8；q2為單位長度皮帶的質量，kg/m；fs為運行系數；fd為沖擊系數；fa為工況系數。

根據ISO標準，帶式輸送機上物料的截面形狀如圖8所示，物料截面頂部呈拋物線狀。

圖8 帶式輸送機上物料截面形狀示意Fig.8 Schematic diagram of material cross-sectional shape on belt conveyor

在輸送機實際工作過程中，需要保證皮帶側面有一定的空間，避免物料從側面溢出散落。當皮帶帶寬S≤2 000 mm 時，皮帶空邊距l1的最小值符合以下函數關系：

在帶式輸送機上部槽形托輥組中，中間托輥與側托輥在支撐皮帶時呈平緩變化狀態，托輥間幾乎沒有間隙。假設中間托輥長度為l[11]，由此可計算得到側托輥的有效承載距離l2：

則側托輥承受的靜載荷和動載荷分別為：

式中：P2為側托輥承受的靜載荷，N；為側托輥承受的動載荷，N。

在帶式輸送機運行過程中，皮帶始終與托輥接觸，由于皮帶重力、物料重力和皮帶豎直張緊力的作用，皮帶下表面被壓陷在托輥上，產生了具有遲滯特征的壓陷變形，進而在水平方向產生了阻力。托輥受力情況如圖9 所示，其中K為皮帶對托輥的作用力，其豎直方向分力為舉升皮帶的工作載荷，水平方向分力為皮帶對托輥的壓陷阻力[12]。

圖9 托輥受力分析Fig.9 Force analysis of idler

根據圖9所示的皮帶與托輥的接觸情況，壓陷阻力與舉升皮帶的工作載荷之間的關系為[13]：

其中：

式中：Fi為壓陷阻力，N；D0為托輥直徑，mm；ψ為阻尼系數；η為剛度系數。在本文中，皮帶材料為橡膠，托輥材料為鋼，其接觸面的阻尼系數取0.57，剛度系數取2 855。

由上文對舉升皮帶的工作載荷的分析可知，對于托輥來說，作用在托輥上的壓力由皮帶重力、物料重力及皮帶張緊力來確定。物料的特性不同于流體，物料的主動作用和被動作用均會影響力的分布，因此托輥所受的壓力總和大于皮帶和物料的重力之和。

基于圖8所示的物料分布情況，為計算壓陷阻力，假設托輥表面的壓力分布如圖10所示，中間托輥表面壓力P'1均勻分布，側托輥表面壓力P'2由0 N到最大值呈線性增大（皮帶縱向視作撓性體，壓力分布與實際情況較為符合）。

圖10 托輥表面壓力分布Fig.10 Pressure distribution of idler surface

由圖10可知，中間托輥所受的壓陷阻力Fi1為：

側托輥所受的壓陷阻力Fi2為：

則槽形托輥組的總壓陷阻力Fi為：

此外，托輥與皮帶之間存在摩擦作用，由于托輥與皮帶為滾動摩擦，摩擦力較小，通?？珊雎?。因此在研究托輥與皮帶之間的接觸問題時主要考慮皮帶作用在托輥表面上的豎直壓力。

剪叉式皮帶舉升機構通過剪叉臂之間的相互作用來實現皮帶舉升動作。舉升狀態下剪叉式皮帶舉升機構的結構簡圖如圖11 所示，對其進行受力分析。

圖11 剪叉式皮帶舉升機構舉升狀態示意Fig.11 Schematic of lifting status of scissor-fork belt lifting mechanism

根據圖11中的幾何關系，可得：

式中：a為油缸滑塊的水平位移；r為剪叉臂1的長度，剪叉臂2的長度為2r；α為剪叉臂2與水平面的夾角；h為中間托輥架的高度。

由虛位移原理可知：作用在質點系中的所有力對其虛位移做的虛功之和為零[14-15]。設推力F0作用產生的虛位移為da，外加載荷P′產生的虛位移為dh，對式(13)和式(14)進行求導，可得：

根據虛位移公式，可得：

聯立式(15)至式(17)，可得：

假設載荷分布均勻，即無重大偏載情況，鑒于皮帶舉升機構的剪叉結構具有對稱性，故針對剪叉結構一側進行受力分析。各剪叉臂受力分析如圖12所示。為方便分析，將剪叉臂1與剪叉臂2的鉸接點標記為B′和B。

圖12 剪叉臂受力分析Fig.12 Force analysis of scissor arm

將剪叉臂1，2視作整體進行分析，其所受的載荷為P0（P0=0.5P′）。將鉸接點A、H沿x、y方向所受的力分別記作FAx、FAy、FHx、FHy，則根據受力平衡，可得：

由于剪叉臂1與剪叉臂2在鉸接點B（B′）處所受的力為相互作用力，故有：

結合式(18)和圖10、圖11，可得：

根據受力平衡關系，可知剪叉臂1，2分別在x、y方向上受力平衡，故可得：

根據剪叉臂1與剪叉臂2在鉸接點B（B′）處所受的力矩等于0 N·m，可得：

聯立上述公式，解得：

3 皮帶舉升機構運動學仿真分析

由上文分析可知，皮帶舉升機構在舉升皮帶時，要確保中間托輥架、側托輥架、剪叉臂運動的平穩性。根據所選的舉升油缸，保證合適的輸出速度以確保皮帶舉升機構運行過程平穩、可靠。為了驗證所設計的剪叉式皮帶舉升機構的可行性，采用SolidWorks Motion模塊對其進行運動學仿真，并觀察其在運行過程中的姿態變化[16]。

剪叉式皮帶舉升機構的初始姿態如圖13(a)所示，此時托輥架處于最低位置。在舉升油缸的作用下，機構姿態發生變化，側托輥架的姿態隨剪叉臂的運動逐漸變化。如圖13(b)所示，2個側托輥架完全升起時呈V形，與槽形托輥組形狀一致，實現了皮帶的舉升。皮帶舉升機構由初始姿態運行至最終姿態用時5 s，故下文對0—10 s 內機構的升降運動進行分析。

圖13 剪叉式皮帶舉升機構的初始和最終姿態Fig.13 Initial and final posture of scissor-fork belt lift‐ing mechanism

為實現皮帶舉升的仿真分析，在SolidWorks Motion 模塊中設置皮帶舉升機構的運動仿真參數。通過力學分析，選定舉升油缸的規格型號為φ63-35，根據油缸參數確定其伸縮時間。在SolidWorks Motion 模塊中設置舉升油缸的運動曲線，如圖14所示。

圖14 舉升油缸運動曲線Fig.14 Motion curve of lifting cylinder

皮帶舉升機構在運動過程中呈連續多姿態變化，因此主要對托輥架的豎直位移和剪叉臂的角速度及角加速度進行研究。由于皮帶舉升機構各剪叉臂在運動過程中的角速度與角加速度基本一致，故取其中一條剪叉臂進行分析。利用SolidWorks Motion模塊對皮帶舉升機構進行運動學仿真，得到中間托輥架的豎直位移曲線及剪叉臂的角速度和角加速度曲線，分別如圖15和圖16所示。由圖15可知，中間托輥架在舉升油缸作用下逐漸升高，運動過程平緩。由圖16 可知，在0—10 s 內，剪叉臂的最大角速度和角加速度分別為35 (°)/s，127 (°)/s2。結果表明，剪叉式皮帶舉升機構在上升和下降過程中運動平緩，其剪叉臂的角速度和角加速度無明顯突變，說明該機構無干涉狀況，驗證了其結構設計的合理性和可行性[17]。

圖15 中間托輥架的豎直位移曲線Fig.15 Vertical displacement curve of intermediate idler frame

圖16 剪叉臂的角速度和角加速度曲線Fig.16 Angular velocity and angular acceleration curves of scissor arm

4 皮帶舉升機構靜力學仿真分析

為驗證所設計的剪叉式皮帶舉升機構的可靠性，通過靜力學仿真來分析其強度和剛度。在ANSYS Workbench 有限元軟件中建立皮帶舉升機構的有限元仿真模型，施加邊界載荷條件，通過運算得到其應力與變形結果，以分析結構的可靠性。在實際工作中，皮帶舉升機構中托輥架內部的受力非常復雜。為了便于分析運算，對皮帶舉升機構的局部結構進行相應簡化，如簡化小倒角、尖角以及密封裝置等[18-19]。

首先，將構建的剪叉式皮帶舉升機構三維模型導入ANSYS Workbench有限元軟件，并輸入表2所示材料的參數。

然后，在Design Modeler 模塊中對皮帶舉升機構三維模型進行簡化處理?？紤]到計算時間和準確度，將舉升油缸設置為剛體。采用自動網格劃分和六面體網格劃分方式，得到皮帶舉升機構的有限元網格模型，如圖17所示，該模型共包含141 946個單元。

最后，定義約束條件，采用接觸設置和連接副進行約束。為使仿真結果更加準確，分別設置中間托輥和側托輥所受的動載荷，經計算得到P′1與P′2分別為16 559，4 435.9 N；載荷施加位置為托輥與皮帶接觸表面，約占托輥面積的1/6[20]。

通過靜力學仿真分析得到皮帶舉升機構的等效應力云圖，如圖18所示。結果表明：該皮帶舉升機構的最大等效應力位于側托輥架與剪叉臂的連接處，為142.8 MPa，遠小于材料屈服強度355 MPa，符合強度要求。

圖18 剪叉式皮帶舉升機構等效應力云圖Fig.18 Equivalent stress cloud map of scissor-fork belt lift‐ing mechanism

通過靜力學仿真分析得到皮帶舉升機構的變形云圖，如圖19所示。結果表明，該皮帶舉升機構的變形呈對稱分布，由中間托輥架到側托輥架端部位置呈逐漸增大的趨勢。這主要是因為在舉升過程中，兩端載荷使側托輥架端部承受較大壓力而產生變形；最大變形量為1.209 7 mm，變形較小，滿足強度要求[21]。

圖19 剪叉式皮帶舉升機構變形云圖Fig.19 Deformation cloud map of scissor-fork belt lifting mechanism

5 皮帶舉升機構性能試驗

5.1 地面試驗

為測試剪叉式皮帶舉升機構的承載能力，在地面上搭建試驗平臺，以對其主體結構進行初步試驗。采用千斤頂施加載荷，以模擬舉升皮帶的工作載荷，對皮帶舉升機構的承載能力進行測試。

在圖20所示的地面試驗平臺中，將木塊墊在托輥架與千斤頂之間，千斤頂上方頂住鋼筋縱梁，通過千斤頂施壓來調整作用在皮帶舉升機構上的工作載荷，并采用壓力表檢測載荷大小。測試在20～60 kN 載荷條件下，皮帶舉升機構整體長時間保持支撐狀態時有無明顯變形和其他異常狀況。同時，采用LVDT位移傳感器測量中間托輥架的位移變化情況，傳感器放置于中間托輥架下方，用于測量不同載荷下中間托輥架豎直位移的變化量。

圖20 皮帶舉升機構地面試驗現場Fig.20 Ground test site of belt lifting mechanism

經現場多次測量得到中間托輥架豎直位移的實測值，并與對應的仿真值進行對比，結果如表3所示。由表3可知，該皮帶舉升機構主體結構的承載能力符合設計要求，實測數據與仿真結果的誤差較小，證明了所構建的仿真模型與分析具有可行性和準確性。

表3 不同載荷下中間托輥架的豎直位移對比Table 3 Comparison of vertical displacement of intermedi‐ate idler frame under different loads 單位：mm

5.2 井下試驗

為驗證剪叉式皮帶舉升機構的實際性能，于2022年8月在中煤華晉集團王家嶺煤礦開展井下試驗。分別在帶式輸送機停機和工作狀態下對更換托輥機器人進行試驗，先進行停機試驗，再進行不停機試驗，以保證試驗過程安全可靠。更換托輥機器人井下試驗現場如圖21 和圖22 所示。其中，圖21為停機狀態下皮帶的舉升過程，圖21(a)為未舉升狀態，圖21(b)為舉升過程中間狀態，圖21(c)為舉升完成后，圖21(d)為舉升后非行人側視圖。圖22 為工作狀態下皮帶的舉升過程，圖22(a)為準備舉升階段，圖22(b)為舉升中間階段，圖22(c)、圖22(d)為舉升完成階段。帶式輸送機工作狀態下非行人側不得有人員進入，因此工作狀態下主要以行人側視角觀察皮帶的舉升情況。通過觀察試驗現場可知，帶式輸送機在工作狀態下皮帶上方物料分布與理論分布接近，不存在嚴重偏載狀況。為保證試驗結果的準確性和真實性，皮帶舉升機構性能測試在帶式輸送機不同位置處開展，并在不同的輸送機速度和載荷下進行多次試驗。試驗結果表明，所設計的皮帶舉升機構在多種速度和不同載荷條件下均能安全平穩地將皮帶舉升，且舉升過程中皮帶上方物料無側傾和掉落，皮帶舉升后帶式輸送機運行正常，試驗效果達到預期。

圖21 停機狀態下井下試驗現場Fig.21 Underground test site in shutdown state

圖22 工作狀態下井下試驗現場Fig.22 Underground test site under working condition

由于井下環境限制，為保證試驗安全和測量準確，皮帶舉升高度的測量須在帶式輸送機停機狀態下進行。如圖23所示，利用卷尺對舉升后皮帶與托輥的距離進行測量，其最小距離能夠保證機械手有足夠操作空間即說明皮帶舉升機構的設計符合要求。

圖24所示為重載條件下皮帶舉升機構舉升皮帶的高度變化曲線（圖中位置“0”表示機構舉升位置）。結果表明，實際測得的皮帶最大舉升高度為241 mm，說明所設計的皮帶舉升機構可滿足更換托輥機器人的需求，能夠保證機械手安全快速地拆卸和安裝托輥。

6 結 論

1）以王家嶺煤礦主平硐帶式輸送機為研究對象，提出了一種可以實現不停機更換托輥的機器人，并設計了剪叉式皮帶舉升機構。同時，根據帶式輸送機的參數，計算了舉升皮帶的工作載荷，并對皮帶舉升機構進行了受力分析。

2）利用SolidWorks Motion 模塊對皮帶舉升機構進行了運動學仿真分析，得到了中間托輥架和剪叉臂的運動曲線。結果表明，中間托輥架的舉升高度最高可達240 mm；剪叉臂的最大角速度為35 (°)/s，最大角加速度為127 (°)/s2；皮帶舉升機構的速度在升降過程中未發生突變，說明其運動過程無干涉狀況，驗證了機構設計的合理性和可行性。

3）采用ANSYS Workbench 有限元軟件對皮帶舉升機構進行了靜力學仿真分析。結果表明，機構的最大變形量為1.209 7 mm，可忽略變形量對機構的影響；機構的最大等效應力出現在剪叉臂與托輥架的連接處，為142.8 MPa，小于材料的屈服強度，說明機構的剛度和強度均符合設計要求。

4）通過地面試驗對皮帶舉升機構在20～60 kN載荷條件下的承載能力進行了測試。結果表明，機構具有足夠的承載能力。分別在帶式輸送機停機和工作狀態下開展了井下試驗，結果表明，皮帶的最大舉升高度為241 mm，達到預期效果，可滿足更換托輥機器人的功能需求，驗證了皮帶舉升機構能實現在帶式輸送機不停機狀態下舉升皮帶并保證輸送機穩定運行。

剪叉式皮帶舉升機構的成功應用是不停機更換托輥機器人的關鍵技術突破，減少了帶式輸送機運行故障，有利于保障煤炭生產的連續性和提高煤炭生產效率。此外，本文采用理論分析與仿真相結合的方式開展研究，有效地降低了研發成本和周期；所設計的皮帶舉升機構結構緊湊，舉升能力強，伸展性好，適用于小空間、大高度的舉升環境，可為其他設備舉升機構的設計與應用提供參考。