朱江鵬

（山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048006）

引言

由于帶式輸送機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以承擔(dān)長(zhǎng)距離的煤炭輸送，并且每次的輸送量都比較大，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的輸送工作[1]。與礦井開采生產(chǎn)的高產(chǎn)量高效率的工作要求相符，滿足散裝煤炭物料的輸送工況要求。然而直接與煤炭物料接觸的皮帶構(gòu)件是保障整個(gè)開采聯(lián)系運(yùn)行的關(guān)鍵，由于煤礦惡劣的工作條件，可能對(duì)皮帶造成各種各樣的破壞，這些破壞包括突發(fā)性的以及長(zhǎng)期性的破壞。在皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，有可能受力不均勻或者其他原因造成輸送皮帶的磨損甚至是斷裂。當(dāng)傾斜式帶式輸送機(jī)，在向下傳遞煤炭物料的時(shí)候是工況最危險(xiǎn)的時(shí)候，此時(shí)傳送皮帶將受到載荷作用以及煤炭物料的重力，如果此時(shí)突然發(fā)生斷裂，就有可能造成機(jī)架的破壞以及托輥的橫飛[2-3]。

為保障煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行，有必要對(duì)帶式輸送機(jī)的輸送帶在斷裂后及時(shí)進(jìn)行處置的裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，研制一種能快速檢測(cè)斷帶信號(hào)，并及時(shí)發(fā)出指令快速抓捕下滑輸送帶的裝置。

1 輸送帶斷裂分析

1.1 輸送帶斷裂原因分析

通過(guò)調(diào)查資料分析可知，造成輸送帶斷裂的原因有很多，可以分為以下幾點(diǎn)[4]：

1）制造廠商對(duì)輸送帶的制作過(guò)程沒(méi)有嚴(yán)格按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，造成質(zhì)量不達(dá)標(biāo)；

2）輸送帶在工作過(guò)程中沒(méi)有嚴(yán)格按照規(guī)章制度對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)更換；

3）帶式輸送機(jī)內(nèi)部的齒輪突然發(fā)生斷裂，傳動(dòng)軸突然斷裂，電動(dòng)機(jī)故障反轉(zhuǎn)等情況；

4）帶式輸送帶的連接方式有很多種，包括機(jī)械式、熱硫化粘接式、冷粘接式三種，沒(méi)有對(duì)輸送帶的連接方式進(jìn)行正確的選擇；

5）在輸送機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)以及緊急制動(dòng)的時(shí)候，輸送帶將承受更大的載荷作用，容易發(fā)生斷裂；

6）開采機(jī)開采出的煤炭物料出現(xiàn)塊料較大，突然引起輸送帶的局部載荷增加，容易使輸送帶出現(xiàn)斷裂情況；

7）輸送帶運(yùn)送物料的分布不均、空載段和超載段的出現(xiàn)，使得輸送帶的受力不平衡；

8）輸送帶運(yùn)送物料的時(shí)候放置位置分布不均，容易發(fā)生跑偏現(xiàn)象，最后使得物料散落，直接增大了斷帶事故發(fā)生的概率。

1.2 輸送帶斷裂位置分析

通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，整個(gè)輸送帶在傳輸過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)所受最大張力的位置通常是輸送帶斷裂的位置，針對(duì)研制斷帶抓捕裝置，應(yīng)首先分析出輸送帶的張力最大位置。驅(qū)動(dòng)滾筒式帶式傳送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，起承載及牽引作用的又是輸送帶，根據(jù)帶式輸送機(jī)輸送帶在傳輸煤炭物料的工作原理，結(jié)合相關(guān)機(jī)械原理理論，輸送帶最大張力位置在輸送帶進(jìn)入驅(qū)動(dòng)滾筒的接觸位置[5]。

依據(jù)上述分析情況，還可得出三種結(jié)論：帶式輸送機(jī)為下運(yùn)式機(jī)器的時(shí)候，此時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候傾角較大，出現(xiàn)最大張力的位置是輸送帶即將要離開傳動(dòng)滾筒的接觸位置；上運(yùn)式帶式輸送機(jī)與下運(yùn)式帶式輸送機(jī)正好相反，最大張力位置為輸送帶即將進(jìn)入傳動(dòng)滾筒的接觸位置；針對(duì)于多驅(qū)動(dòng)方式的帶式輸送機(jī)要綜合分析才能判斷最大張力所出現(xiàn)的地方，應(yīng)該根據(jù)輸送帶的運(yùn)輸方向以及傾角進(jìn)行綜合判斷。

2 斷帶抓捕裝置的設(shè)計(jì)

2.1 抓捕裝置的設(shè)計(jì)要求

應(yīng)設(shè)計(jì)出符合實(shí)際工況條件，并能產(chǎn)生實(shí)際作用的抓捕裝置是本次研究的重點(diǎn)，應(yīng)該具有安全性、可靠性、靈敏性等幾大特點(diǎn)，設(shè)計(jì)要求主要包括[6]：

1）設(shè)計(jì)出的斷帶抓捕裝置，不能影響輸送帶的正常工作過(guò)程，不能對(duì)輸送帶施加作用力；

2）盡可能地增加抓捕裝置對(duì)輸送帶的接觸面積，形成較大的制動(dòng)力，能夠防止輸送帶的二次破壞；

3）在輸送帶突然出現(xiàn)斷裂或者反方向運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，抓捕裝置應(yīng)及時(shí)快速響應(yīng)，能夠滿足實(shí)際的抓捕響應(yīng)時(shí)間；

4）為了實(shí)現(xiàn)斷帶抓捕裝置的動(dòng)態(tài)抓捕，對(duì)斷裂下滑的輸送帶進(jìn)行快速有效的抓捕。

2.2 系統(tǒng)組成與工作原理

本次研制出的斷帶抓捕裝置主要采用機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)相結(jié)合的快速響應(yīng)裝置，通過(guò)工業(yè)控制器PLC 作為中央核心處理器，收集輸送帶斷帶信號(hào)的模擬量，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換發(fā)出動(dòng)作執(zhí)行命令。預(yù)先設(shè)計(jì)斷帶信號(hào)的限位值，當(dāng)超過(guò)斷帶限位值的時(shí)候PLC 將發(fā)出指令使液壓系統(tǒng)開始工作，發(fā)出高壓液壓油推動(dòng)活塞桿件，并迅速啟動(dòng)機(jī)械抓捕機(jī)構(gòu)的快速動(dòng)作，施加正壓力形成較大的摩擦力，防止輸送帶繼續(xù)下滑，斷帶抓捕裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 斷帶抓捕裝置整體示意圖

2.3 抓捕裝置組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 機(jī)械抓捕機(jī)構(gòu)

抓捕裝置是采用機(jī)械以及液壓裝置的綜合組成，然而機(jī)械抓捕機(jī)構(gòu)是抓捕結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，該機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)成包括油缸、移動(dòng)楔塊、固定楔塊、油缸支撐橫梁、機(jī)架等，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.3.2 液壓抓捕機(jī)構(gòu)

液壓系統(tǒng)是抓捕裝置的關(guān)鍵構(gòu)件，作為核心執(zhí)行驅(qū)動(dòng)構(gòu)件應(yīng)滿足響應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)作精確、故障率較低的特點(diǎn)。通過(guò)PLC 中心核心控制器判斷是否有斷帶情況發(fā)生，通過(guò)液壓系統(tǒng)電磁閥對(duì)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖3 所示。

2.3.3 斷帶信號(hào)采集

圖2 機(jī)械抓捕機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 液壓系統(tǒng)工作原理圖

根據(jù)實(shí)際工況條件設(shè)定帶式輸送機(jī)輸送帶斷帶信號(hào)是否斷裂的數(shù)值限制，PLC 控制器可根據(jù)該數(shù)值判斷輸送帶是否斷裂并發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，數(shù)據(jù)判斷如表1 所示，V0為額定速度，Vi為實(shí)際速度。

表1 輸送帶斷裂信號(hào)數(shù)值判斷

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

聯(lián)合應(yīng)用ADAMS 和AMESim 軟件模擬機(jī)械及液壓作用狀態(tài)，并建立斷帶抓捕裝置的三維模型圖（見下頁(yè)圖4），通過(guò)仿真軟件對(duì)斷帶抓捕裝置進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，使其符合實(shí)際的工況條件。工況參數(shù)為：電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 450 r/min；液壓泵排量設(shè)定為40 mL/r；蓄能器的公稱容積設(shè)定為25 L。

圖4 斷帶抓捕裝置的三維模型

圖5 不同接觸面積條件下活塞桿位移情況

斷帶抓捕裝置的移動(dòng)楔塊質(zhì)量分布均勻，根據(jù)實(shí)際工況選取不同的接觸面積條件下楔塊與輸送帶的摩擦阻力，接觸面積分別設(shè)置為0.21 m2、0.28 m2、0.32 m2，可通過(guò)對(duì)傳送機(jī)構(gòu)活塞桿的位移情況判斷，在斷帶發(fā)生后傳輸帶是否還有移動(dòng)情況，活塞桿的位移曲線圖如圖5 所示。

如圖5 所示，考慮三種不同接觸面積的工況條件下，抓捕裝置的活塞桿均在0.24 s 之內(nèi)完成了有效抓捕動(dòng)作，保障輸送帶在斷帶后能夠及時(shí)處置安全隱患的工作性能，設(shè)計(jì)出的輸送帶斷帶抓捕裝置有實(shí)用價(jià)值并且具有較高的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)出模擬實(shí)際開采工況的機(jī)械液壓斷帶抓捕裝置，采用仿真實(shí)驗(yàn)顯示斷帶抓捕裝置能夠有效及時(shí)地對(duì)輸送帶斷帶進(jìn)行抓捕，防止輸送帶繼續(xù)滑脫，提高了輸送帶傳輸煤炭物料的本質(zhì)安全性能，并且為礦井開采設(shè)備的安全裝置設(shè)計(jì)提供了思路。