王輝

（山西潞安集團(tuán) 蒲縣開(kāi)拓煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041206）

1 概 況

煤礦中帶式輸送機(jī)是很重要的輔助運(yùn)輸裝備，作用是對(duì)煤礦資源進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸。由于帶式輸送機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)缺姸鄡?yōu)勢(shì)，所以在煤礦領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。張緊裝置是帶式輸送機(jī)中重要的結(jié)構(gòu)裝置，作用是對(duì)皮帶進(jìn)行張緊，保證皮帶與驅(qū)動(dòng)滾筒之間具有足夠的接觸力，實(shí)現(xiàn)摩擦傳動(dòng)。張緊力太小皮帶與驅(qū)動(dòng)滾筒之間會(huì)打滑，輕則損害帶式輸送機(jī)設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)生產(chǎn)事故；張緊力過(guò)大可能導(dǎo)致皮帶斷裂。所以張緊裝置的性能對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性有重要影響。本文以開(kāi)拓煤業(yè)DSJ160/350/3×500 型煤礦用帶式輸送機(jī)為例，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)的自動(dòng)張緊裝置，主要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)用到工程實(shí)踐中，達(dá)到了預(yù)期效果。

2 自動(dòng)張緊裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于煤礦中使用的大型帶式輸送機(jī)，不同使用階段對(duì)皮帶張緊力的要求存在差異，這就要求自動(dòng)張緊裝置能夠根據(jù)實(shí)際需要對(duì)張緊力進(jìn)行調(diào)整，確保帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。圖1 為帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置的整體結(jié)構(gòu)。自動(dòng)張緊裝置在結(jié)構(gòu)方面主要包括軌道、游動(dòng)小車、滑輪、鋼絲繩、張力傳感器、制動(dòng)器、聯(lián)軸器、張緊卷筒、電動(dòng)機(jī)等。張緊卷筒的作用是對(duì)鋼絲繩進(jìn)行纏繞，張力傳感器的作用是對(duì)鋼絲繩的受力大小進(jìn)行檢測(cè)，得到皮帶的張緊力，作為張緊力調(diào)整控制的反饋。制動(dòng)器的作用是完成張力調(diào)整后，對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行制動(dòng)，確保皮帶張緊力能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 自動(dòng)張緊裝置的整體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The overall structure of the automatic tensioning device

2.2 基本工作原理

自動(dòng)張緊裝置接受控制箱的控制，主要是通過(guò)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)張緊力的調(diào)整。電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與張緊卷筒進(jìn)行連接并對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制張緊卷筒的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的伸長(zhǎng)或縮短。鋼絲繩伸長(zhǎng)或縮短會(huì)影響游動(dòng)小車在皮帶軸線方向的位移。流動(dòng)小車與張緊滾筒連接，游動(dòng)小車移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)張緊滾筒移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)皮帶張力的調(diào)整。調(diào)整過(guò)程中，張力傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并上傳至控制箱中，控制箱根據(jù)張力采集結(jié)果對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，確保張力調(diào)整過(guò)程的穩(wěn)定性和精度。

3 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

開(kāi)拓煤業(yè)DSJ160/350/3×500 型帶式輸送機(jī)全長(zhǎng)為5 000 m 左右，傾角幾乎為0，輸送帶的型號(hào)PVG2000，寬度1 600 mm，運(yùn)行速度4 m/s，輸送量每小時(shí)可達(dá)到3 000 t。

3.1 鋼絲繩設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)啟動(dòng)階段、正常運(yùn)行階段和停車階段對(duì)皮帶張緊力的需求存在差異。開(kāi)拓煤業(yè)DSJ160/350/3×500 型帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行階段要求皮帶張緊力為180 kN。設(shè)備在啟動(dòng)階段由于其自身重量相對(duì)較大，存在很大的慣性，因此對(duì)張緊力提出了更高要求，張緊力一般為正常運(yùn)行階段的1.5 倍，所以啟動(dòng)階段的皮帶張緊力為270 kN。制動(dòng)階段對(duì)張緊力要求低一些，通常為正常運(yùn)行階段的0.9 倍，所以停車階段的張緊力為162 kN。

此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)張緊裝置滑輪組結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在動(dòng)滑輪和靜滑輪的作用下，共有6 根鋼絲繩參與受力。按皮帶張緊力最大時(shí)的工況，即設(shè)備啟動(dòng)階段時(shí)的皮帶張緊力進(jìn)行計(jì)算，每根鋼絲繩的受力大小為45 kN?？紤]到煤礦用帶式輸送機(jī)要求的可靠性較高，因此選用鋼絲繩時(shí)設(shè)定的安全系數(shù)也應(yīng)取大，此次設(shè)計(jì)中設(shè)置為5，計(jì)算得到的鋼絲繩理論破斷拉力為225 kN。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果選用的鋼芯鋼絲繩的抗拉強(qiáng)度為1 870 MPa，公稱直徑為20 mm。該鋼絲繩的最小破斷力為266 kN，可以滿足實(shí)際使用要求。

圖2 滑輪組的結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of pulley block

3.2 張緊卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張緊卷筒的名義直徑可按下式計(jì)算：

式中：d為鋼絲繩直徑，為20 mm；h為與結(jié)構(gòu)級(jí)別和鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，取為18?？捎?jì)算得到張緊卷筒名義直徑為360 mm?？紤]到張緊卷筒工作速度較小，穩(wěn)定性高，所以在表面設(shè)置了鋼絲繩導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽的螺旋角為2°。另外，張緊卷筒的繩槽節(jié)距為22 mm，卷筒厚度為15 mm，卷筒長(zhǎng)度為500 mm，卷筒實(shí)際工作長(zhǎng)度為290 mm，兩邊預(yù)留一定長(zhǎng)度方便與其他配件進(jìn)行連接。設(shè)計(jì)的張緊卷筒結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 張緊卷筒結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Tight drum structure diagram

3.3 張緊電機(jī)功率計(jì)算及型號(hào)選擇

電機(jī)的作用是為張緊卷筒提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的伸長(zhǎng)與縮短，因此必須具備足夠的動(dòng)力。根據(jù)開(kāi)拓煤業(yè)DSJ160/350/3×500 型帶式輸送機(jī)實(shí)際情況，假設(shè)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為90 r/min，考慮到帶式輸送機(jī)啟動(dòng)階段的張緊力最大，按此工況條件進(jìn)行計(jì)算。

張緊卷筒的轉(zhuǎn)矩為：

式中：D為張緊卷筒的直徑；F為張緊卷筒的皮帶張緊力。

通過(guò)式（2） 可以計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩為8.1 kN·m，張緊卷筒的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩相同，所以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也為8.1 kN·m。

電動(dòng)機(jī)的功率可按下式計(jì)算：

式中：n為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。可以計(jì)算得到電機(jī)的功率為76 kW。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算結(jié)果，并考慮煤礦復(fù)雜的工況環(huán)境，需要選用具備隔爆性能的電動(dòng)機(jī)，最終確定的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為TBVF-90/40YC(660/1140)，主要參數(shù)如下：

3.4 張力傳感器設(shè)計(jì)

自動(dòng)張緊裝置中張力傳感器是非常重要的構(gòu)成部分，作用是對(duì)鋼絲繩的張力大小進(jìn)行檢測(cè)，是實(shí)現(xiàn)張緊力精確調(diào)整的基礎(chǔ)。結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)的張力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 張力傳感器的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of tension sensor

整體上屬于雙孔剪切梁式結(jié)構(gòu)，具備使用壽命長(zhǎng)、互換性好、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，在鋼絲繩張力檢測(cè)方面展現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)。為了提升傳感器的使用效果，利用高強(qiáng)度合金鋼進(jìn)行加工，表面鍍鉻處理，使材料在彈性變形階段的應(yīng)力和應(yīng)變具有良好的線性關(guān)系。鋼絲繩固定在U 型螺栓上，當(dāng)鋼絲繩受力時(shí)，作用力會(huì)傳遞到傳感器主體上，應(yīng)變片產(chǎn)生變形，根據(jù)變形量可以獲得對(duì)應(yīng)的張力大小。設(shè)計(jì)的傳感器具備優(yōu)良性能，完全能夠滿足自動(dòng)張緊裝置的使用要求，主要技術(shù)性能參數(shù)如下：

4 實(shí)踐應(yīng)用

為了對(duì)設(shè)計(jì)的自動(dòng)張緊裝置的性能進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果將其部署到開(kāi)拓煤業(yè)工程實(shí)踐中。目前自動(dòng)張緊裝置在工程中的服役時(shí)間有1 a 以上，期間對(duì)裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行了詳細(xì)的觀察記錄。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的自動(dòng)張緊裝置結(jié)構(gòu)科學(xué)合理的，工作過(guò)程穩(wěn)定、可靠，能夠根據(jù)不同工況條件比如啟動(dòng)階段、正常運(yùn)行階段、停車階段的實(shí)際需要，對(duì)皮帶張緊力進(jìn)行調(diào)整。與原有張緊裝置進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)的自動(dòng)張緊裝置響應(yīng)時(shí)間更短，時(shí)間壓縮了12%左右，設(shè)備工作時(shí)的振幅降低20%左右。綜上所述，此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)張緊裝置具有更優(yōu)異的性能，達(dá)到了預(yù)期的效果，為帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

以開(kāi)拓煤業(yè)DSJ160/350/3×500 型帶式輸送機(jī)為對(duì)象進(jìn)行研究，主要從結(jié)構(gòu)層面對(duì)自動(dòng)張緊裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并部署到工程實(shí)踐中。自動(dòng)張緊裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)層面主要包括張緊卷筒、鋼絲繩、游動(dòng)小車、張緊滾筒、制動(dòng)結(jié)構(gòu)等。根據(jù)開(kāi)拓煤業(yè)實(shí)際情況，通過(guò)分析計(jì)算，設(shè)計(jì)選用的鋼絲繩直徑為20mm，設(shè)計(jì)的張緊卷筒名義直徑和寬度分別為360 mm 和500 mm， 選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為TBVF-90/40YC（660/1140）。將設(shè)計(jì)的自動(dòng)張緊裝置應(yīng)用到帶式輸送機(jī)工程實(shí)踐中，經(jīng)過(guò)1 a 時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用，表明自動(dòng)張緊裝置可以結(jié)合實(shí)際情況對(duì)皮帶張緊力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，運(yùn)行穩(wěn)定性很高，達(dá)到了預(yù)期效果，保證了煤礦安全高效生產(chǎn)。