武 熙 李 珂 孟慶靈 趙佳偉

(1.山西大同大學(xué)機電工程學(xué)院,山西 大同 037003;2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037003)

智慧礦山是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、提升行業(yè)發(fā)展質(zhì)量的核心驅(qū)動力,是礦山技術(shù)發(fā)展的最高形式[1]。在機械化換人,自動化少人,智能化無人的概念提出以來,建設(shè)智能礦山是世界礦業(yè)發(fā)展的大趨勢[2-3]。煤炭智能化共涉及五大模塊,分別為采煤、掘進、運輸、安控、救援。在目前技術(shù)尚不能使煤礦開采實現(xiàn)全部智能化的過渡時期,分步實現(xiàn)智能化是目前切實可行的方案。在運輸模塊中,帶式輸送機由于其運輸距離長,輸送功率大等特點,廣泛應(yīng)用于煤炭運輸過程中[4-5],其次,帶式輸送機作為巷道與巷道之間、地下與地面之間的中介,是煤炭運輸?shù)闹饕O(shè)備之一[6-7]。長距離帶式輸送系統(tǒng)一般由多段不同線路組成,在運行過程中,可能會發(fā)生跑偏、打滑、縱向撕裂、堆料、斷帶等故障[8-9]。煤炭智能化極大提高了煤礦開采效率,這也對運輸設(shè)備的穩(wěn)定性提出了新的要求,在帶式輸送機運行過程中,由于煤泥水分與煤渣沖擊等因素,經(jīng)過破碎的煤渣或煤泥會黏結(jié)在輸送帶上,黏結(jié)煤量較多時,會使輸送帶發(fā)生跑偏等故障[10-11],這會對輸送帶的運行產(chǎn)生較大的影響,進而減緩整個運輸?shù)男?甚至產(chǎn)生人員傷亡。因此,清掃器是煤礦主要運輸設(shè)備中不可缺少的一環(huán),目前,重錘式清掃器與彈簧式清掃器在煤礦運輸設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛,這兩種結(jié)構(gòu)形式的清掃器不能自動調(diào)節(jié)壓緊力且不能引入信息化技術(shù)應(yīng)對井下復(fù)雜多變的環(huán)境,而先進的信息化技術(shù)是礦山實現(xiàn)數(shù)字化、智能化的基礎(chǔ)[12-13],因此,設(shè)計新型智能清掃器是有必要的。

1 清掃器類型

以山西某地區(qū)井工煤礦運輸設(shè)備為例,帶式輸送機清掃器安裝位置圖如圖1 所示。

圖1 礦用帶式輸送機清掃器安裝位置Fig.1 Installation location of sweeper of mining belt conveyor

礦用帶式輸送機清掃器按清掃形式分類時主要有2 種。第一種是被動式清掃器,即頭道、二道及空段清掃器[14],頭道清掃器一般安裝在機頭卸煤滾筒回程的下方。頭道清掃器能清掃大部分黏結(jié)在輸送帶上的煤泥與煤渣,在輸送帶清掃方面起著主要作用。二道清掃器安裝在輸送帶回程段,距頭道清掃器不遠處;空段清掃器安裝在輸送帶回程分支輸送帶上側(cè),靠近機尾滾筒,這2 種清掃器都是為了使清掃更為徹底,起著輔助清掃的作用。第二種是主動式清掃器,這種清掃器的主要類型為滾刷清掃器,其動力源可以由帶式輸送機的驅(qū)動滾筒提供,其工作原理為:通過自身與輸送帶旋轉(zhuǎn)方向相反的運動帶來的周向力來清掃煤渣。這種清掃器一般安裝在帶式輸送機的機頭或機尾滾筒處。

由于被動式清掃器無需安裝驅(qū)動裝置,目前,礦用帶式輸送機清掃器主要為被動式清掃器,即頭道、二道及空段清掃器,且頭道清掃器的清掃性能要高于二道和空段清掃器,因此本文主要研究頭道清掃器,其主要形式為重錘式清掃器和彈簧式清掃器,彈簧式結(jié)構(gòu)與重錘式結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

圖2 彈簧式清掃器與重錘式清掃器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of spring sweeper and weight sweeper

2 清掃器清掃機理

2.1 清掃器目前存在的問題

(1)工作位置不穩(wěn)定。如圖3 所示,在清掃器工作過程中,輸送帶在機頭卸煤滾筒處改向后向機尾滾筒處運動,清掃器固定在帶式輸送機卸煤滾筒的下方,并與輸送帶接觸,因此清掃器與輸送帶之間存在滑動摩擦。清掃器與輸送帶接觸部分為清掃塊,其材料為聚氨酯,隨著摩擦磨損,清掃塊逐漸縮短,清掃器向滾筒下方偏移,進而,清掃器的工作位置和傾角在不斷變化[15]。而清掃塊有效工作長度是有限的,當清掃塊最大磨損量超過正常磨損長度時,如果沒有及時更換清掃塊,清掃器極有可能與輸送帶直接接觸,造成清掃器折斷,甚至輸送帶的損壞,嚴重影響煤炭運輸效率。

圖3 帶式輸送機清掃器工作位置示意Fig.3 Schematic of working position of belt conveyor sweeper

(2)清掃塊磨損狀態(tài)不確定。由于清掃塊需壓緊在輸送帶上才能達到清掃的目的,且清掃器與輸送帶存在相對運動,因此,磨損不可避免,而清掃塊的磨損一般通過井下工作人員的經(jīng)驗判斷,發(fā)生誤判概率較大,如在清掃塊正常工作時停機更換清掃塊,或在清掃塊已經(jīng)失效時,不能及時停機更換清掃塊。在清掃塊磨損較小時停機并更換會增大清掃成本,降低運輸效率;在清掃塊已經(jīng)失效卻不及時更換清掃塊時,不僅煤渣會隨著輸送帶與滾筒摩擦,磨損滾筒,還可能會造成清掃器桿部與輸送帶直接接觸,造成輸送帶的損傷,帶來更大的經(jīng)濟損失。

(3)清掃效果不穩(wěn)定。如圖4 所示,清掃器安裝后在初始安裝位置工作時,清掃塊與輸送帶的接觸形式近似為線接觸,隨著磨損加劇,清掃塊與輸送帶的接觸面會愈來愈大。

圖4 清掃塊磨損示意Fig.4 Schematic of cleaning block wear

隨著清掃塊的磨損,清掃塊與輸送帶的接觸面積A會增大,接觸面積增大,而重錘的質(zhì)量不發(fā)生變化,帶來的力矩不變,因此,根據(jù)式(1),清掃塊與輸送帶表面的壓強就會減小。由于接觸面積在不斷增大,壓強在不斷減小,壓緊在輸送帶單位面積上的力也在不斷減小,清掃效果也變得不穩(wěn)定。

2.2 清掃器的工作原理及工作特性分析

清掃器需作用在輸送帶上足夠的壓緊力,從而把輸送帶上的煤泥和煤渣清掃干凈,因此清掃器的清掃原理類似于普通車床中的“切削”原理。以重錘式清掃器為例,在帶式輸送機正常工作時,清掃器壓緊在機頭卸煤滾筒下方的輸送帶上,清掃器受到滾筒上輸送帶的支持力和摩擦力,清掃器對輸送帶的摩擦力即為清掃力[16-17],該力總是與滾筒旋轉(zhuǎn)方向相反,且由壓緊力的大小決定。

為分析清掃器工作狀態(tài),對清掃器進行受力分析,以清掃器作為研究對象,在受力分析前假設(shè):① 桿件為剛性體;② 清掃塊和桿件的自身重力不影響整體性能。簡化受力分析模型如圖5 所示。

圖5 清掃器受力分析Fig.5 Stress analysis of sweeper

為了使分析與實際相結(jié)合,本次選取帶式輸送架帶寬B=1 600 mm,機頭卸煤滾筒直徑D=1 000 mm。給定已知條件:清掃器固定架與滾筒回轉(zhuǎn)中心的垂直距離和水平距離分別為H、L,清掃塊接觸點與滾筒回轉(zhuǎn)中心所在水平線的夾角θ,輸送帶與清掃塊間的摩擦系數(shù)μ,桿件與豎直線的夾角α,重錘重力G。

力平衡:

力矩平衡:

由摩擦定律得:

移項得支持力的表達式:

添加補充方程:

根據(jù)式(7) 、式 (8)得:

得最終的支持力計算式:

其中,

式中,FN為輸送帶對清掃塊的支持力,N;G為重錘所受的重力,N;μ為清掃塊和輸送帶之間的摩擦系數(shù);H為鉸支座與清掃塊和輸送帶接觸位置的垂直距離,mm;L為鉸支座與清掃塊和輸送帶之間的水平距離,mm;R為滾筒半徑,mm;L1、L2為清掃器桿長,mm。

清掃器對輸送帶的壓緊力與輸送帶對清掃塊的支持力是一對相互作用力,支持力的大小取決于壓緊力的大小;輸送帶對清掃塊的摩擦力和清掃塊對輸送帶的清掃力是一對相互作用力,清掃力的大小取決于清掃器對輸送帶摩擦力的大小,且清掃力與摩擦力大小相等方向相反,摩擦力可由庫侖摩擦定律計算求得,因此,求解出支持力就求解出了摩擦力,求解出摩擦力就求解出了清掃力。

根據(jù)式(11)得出,重錘的重力G和力臂L1的大小和長短對支持力的影響最為顯著,進而,對清掃力的影響最為顯著。

(1)當力臂L1、α角及滾筒直徑R確定時后,作用在清掃器上的力愈大,支持力則愈大。

(2)當α角、重錘重力G及滾筒直徑R確定時,力臂越長,支持力則愈大。

(3)當重錘重力G、力臂L1及滾筒直徑R確定時,當α隨時間在(0,π/2)變化時,支持力隨傾角的增大而減小。

因此,設(shè)計清掃器時,應(yīng)根據(jù)滾筒直徑、壓緊力矩、力臂長度,及清掃器與滾筒旋轉(zhuǎn)中心的夾角θ及清掃器傾角α綜合考慮。

3 智能清掃器設(shè)計

3.1 清掃器設(shè)計準則

(1)清掃器要適應(yīng)帶式輸送機。清掃器設(shè)計完成后,需適應(yīng)一定規(guī)格的帶式輸送機,如只適應(yīng)一種帶式輸送機,則設(shè)計是失敗的。本次設(shè)計針對的是載荷量大,輸送率高的重型帶式輸送機,即輸送帶寬度B大于1.4 m 的帶式輸送機。

(2)成本要盡量低。清掃器是帶式輸送機的組成部分之一,其成本應(yīng)占帶式輸送機的一小部分,因此,新設(shè)計的帶式輸送機清掃器成本應(yīng)盡量的小。

(3)性能要穩(wěn)定,且有保護輸送帶的作用。在設(shè)計完成后,清掃器的運動要唯一且準確,能準確地執(zhí)行清掃任務(wù)。并且在清掃器工作時,少數(shù)黏結(jié)頑固的煤泥與煤渣極難清除,如果清掃器不能及時縮回,則會發(fā)生清掃器將煤泥與煤泥黏結(jié)的輸送帶撕裂,造成輸送帶表皮的損壞,降低了輸送帶的使用壽命。因此,即使遇到煤渣黏結(jié)頑固的工況,也不能出現(xiàn)清掃器損傷輸送帶的情況。

(4)高速響應(yīng)的動態(tài)特性。在輸送帶隨滾筒運行時,由于滾筒自身的轉(zhuǎn)動慣量和輸送帶本身的質(zhì)量較大,帶的線速度較高,且輸送帶上黏著有大小不一的煤渣,清掃器和輸送帶的相對位置應(yīng)是不斷調(diào)整的,因此,清掃器需要高速的動態(tài)響應(yīng)能力來應(yīng)對輸送帶上的復(fù)雜工況。

(5)適應(yīng)煤礦智能化的需要。在建設(shè)智能化煤礦的過程中,煤礦中的開采、運輸、掘進、支護等大型機電裝備均需要從自動化向智能化的轉(zhuǎn)變。清掃器作為煤礦主要運輸設(shè)備的組成部分之一,設(shè)計智能清掃器,對煤礦智能化的建設(shè)有著促進作用。

3.2 清掃器設(shè)計方案及總體設(shè)計

在分析了清掃器設(shè)計準則、清掃器工作時的問題、工作環(huán)境及工作特性后,確定了設(shè)計所要達成的目標和布置形式。

(1)本次針對井工煤礦用帶式輸送機,選用被動式清掃器,其結(jié)構(gòu)簡單,易維護,成本較低,購買方便,既可以保證清掃效果,又可以保證刮除水分。

(2)驅(qū)動件選用液壓缸,控制器給電磁換向閥傳遞信號,控制換向閥變位來實現(xiàn)液壓缸的升降。在液壓缸管路處安裝壓力傳感器,使施加在輸送帶上的力控制在一定范圍內(nèi)。為了防止清掃塊切帶的情況發(fā)生,達到高速的動態(tài)響應(yīng)能力,設(shè)計帶有儲存液壓沖擊功能的液壓回路,來減少此種情況的發(fā)生。

(3)傳動部分采用四連桿式傳動,其滿足條件為最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿之和,執(zhí)行機構(gòu)是通過螺栓聯(lián)接在安裝架的清掃塊,方案如圖6 所示。

圖6 智能清掃器設(shè)計方案Fig.6 Design scheme of intelligent sweeper

在清掃器的鉸支座上安裝傾角傳感器,通過實時監(jiān)測清掃器的旋轉(zhuǎn)角度,即可監(jiān)測清掃器的磨損程度。清掃器運動軌跡如圖7 所示,主動桿件每轉(zhuǎn)1°,清掃塊就磨損3.23 cm。根據(jù)清掃塊的最大有效工作長度為20 cm,折算后,當桿件旋轉(zhuǎn)角度達到6°時,系統(tǒng)就停止工作。

圖7 清掃器運動軌跡Fig.7 Movement track of sweeper

礦用帶式輸送機頭部智能清掃器總體設(shè)計如圖8 所示,清掃器主要由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)由清掃塊、清掃塊安裝架、連桿、支撐架等組成;控制系統(tǒng)主要由控制器、壓力傳感器、傾角傳感器等組成,液壓系統(tǒng)由液壓缸、電磁換向閥、溢流閥、管路、蓄能器等組成。清掃器3 個部分都安裝在支撐架和三角架上,液壓缸的活塞桿做往復(fù)直線運動,靠四連桿機構(gòu)把運動傳遞給執(zhí)行機構(gòu),進而實現(xiàn)清掃塊對輸送帶的壓緊和松開。

圖8 帶式輸送機清掃器總體設(shè)計Fig.8 Overall design of belt conveyor sweeper

3.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

如圖9 所示,該液壓系統(tǒng)分為主回路和輔助回路,其主要組成部分有油箱、過濾器、電動機、大小流量液壓泵、三位四通電磁換向閥、單向閥、液壓缸、壓力傳感器、蓄能器、二位二通電磁換向閥,溢流閥等。液壓系統(tǒng)的壓力可由帶式輸送機液壓系統(tǒng)提供。

圖9 液壓系統(tǒng)原理Fig.9 Principal of hydraulic system

液壓系統(tǒng)的工作過程可分為4 個階段[18]:

(1)系統(tǒng)啟動階段。帶式輸送機啟動,驅(qū)動滾筒由電機通過減速機驅(qū)動,輸送帶借助驅(qū)動滾筒與輸送帶之間的摩擦力進行運動[19],帶式輸送機啟動并穩(wěn)定運行后,清掃器需執(zhí)行清掃任務(wù),電磁鐵2YA 得電,電磁換向閥5 換左位,液壓泵站向液壓缸無桿腔內(nèi)供液,液壓缸活塞桿伸出,作用于四連桿機構(gòu),四連桿機構(gòu)把運動傳遞給執(zhí)行機構(gòu),執(zhí)行機構(gòu)上的清掃塊接觸到輸送帶時,液壓系統(tǒng)無桿腔的油液壓力開始增大,當壓力傳感器檢測到無桿腔壓力達到預(yù)定壓力時,電磁鐵2YA 失電,換向閥5 回中位,液壓缸活塞桿保持工作位置,清掃器執(zhí)行清掃任務(wù)。

(2)正常磨損階段。執(zhí)行機構(gòu)和輸送帶做相對運動時會產(chǎn)生摩擦磨損,隨著磨擦磨損,清掃器有逐漸遠離輸送帶表面的趨勢,液壓缸無桿腔的壓力會逐漸減小,壓力傳感器檢測到液壓缸無桿腔壓力沒有達到系統(tǒng)預(yù)定工作壓力時,則發(fā)出信號,控制電磁鐵5YA 得電,電磁換向閥11 換右位,系統(tǒng)通過輔助回路進行補油,使無桿腔壓力持續(xù)升高,待無桿腔壓力達到預(yù)定壓力值后,電磁鐵5YA 失電,輔助回路斷開,液壓缸活塞保持工作位置。

(3)沖擊工況階段。在液壓系統(tǒng)工作過程中,黏結(jié)頑固的煤渣對執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生了較大的物理沖擊,這種沖擊產(chǎn)生的力隨著四連桿機構(gòu)作用到液壓缸的活塞桿上,液壓缸無桿腔受到活塞桿反向擠壓,壓力會急劇增大,部分無桿腔的油液回充入蓄能器中,待沖擊過后,蓄能器再把油液充入液壓缸無桿腔中,清掃器繼續(xù)工作中[20]。

(4)停止階段。執(zhí)行機構(gòu)上清掃塊的磨損量逐漸增大,液壓缸推動四連桿機構(gòu)旋轉(zhuǎn),待清掃塊達到最大工作長度后,即連桿旋轉(zhuǎn)到最大角度時,傾角傳感器傳出信號,電磁鐵3YA 得電,換向閥5 換右位,液壓桿有桿腔充液,無桿腔回液,液壓缸活塞桿縮回,待全部縮回后,帶式輸送機停機并發(fā)出報警,工人開始更換清掃塊。

3.4 液壓系統(tǒng)仿真

根據(jù)設(shè)計的液壓系統(tǒng)原理圖,利用AMESIM 軟件中的液壓庫、機械庫及信號庫搭建仿真模型[21]。如圖10 所示,液壓缸的活塞桿動作隨著電磁換向閥5 的變位而改變,控制信號輸出如圖11,在0 ～2 s,信號發(fā)生器不動作,2～4 s 內(nèi),信號發(fā)生器動作,電磁換向閥5 得電,換向閥換位,液壓油充入液壓缸的無桿腔,活塞桿伸出;4 ～10 s 內(nèi)電磁鐵失電,換向閥回中位,液壓缸活塞桿保持工作位置。為了模擬清掃器遇到頑固粘結(jié)物時的狀態(tài),如圖12 所示,4 ～4.2 s 內(nèi),液壓缸活塞桿受到14 000 N 的作用力。

圖10 液壓系統(tǒng)仿真Fig.10 Hydraulic system simulation

圖11 液壓缸活塞桿受力Fig.11 Force on piston rod of hydraulic cylinder

圖12 活塞桿位移和控制信號Fig.12 Piston rod displacement and control signal

為了保證仿真結(jié)果與實際工況相接近,在AMESIM 中設(shè)置換向閥與液壓缸的實際參數(shù)如表1所示。

表1 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of hydraulic system

4 結(jié) 論

(1)總結(jié)了清掃器的類型,分析了清掃器目前清掃中存在的問題,闡述了清掃器的工作原理及清掃機理,并以重錘式清掃器為模型,分析了清掃器的工作特性。在明確了設(shè)計準則后,進行了清掃器的總體設(shè)計和液壓系統(tǒng)設(shè)計。

(2)本次設(shè)計的頭部智能清掃器具有以下優(yōu)點:① 可使壓緊力始終維持在一個范圍內(nèi),保證清掃效果穩(wěn)定;② 為了使清掃器不損傷輸送帶,設(shè)計了有自動保護功能的智能清掃器,降低了清掃器損傷輸送帶發(fā)生的概率;③ 提高了清掃器動態(tài)響應(yīng)能力,無需人工定期查看清掃器的磨損狀態(tài);④ 能適應(yīng)智能化控制的需要,對發(fā)展智慧礦山有著促進作用。