帶式輸送機斷帶抓捕裝置的設計與仿真分析

史華建

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

帶式輸送機廣泛應用于煤炭、電力、化工、冶金等行業(yè)，其運輸距離長、運送量大及運輸?shù)倪B續(xù)性等特點受到煤炭行業(yè)的青睞，可滿足我國對煤礦生產(chǎn)高質(zhì)量、高效率的要求。近年來，帶式輸送機發(fā)展迅速，其運行速度明顯提高、運送功率也逐漸增大。然而由于帶式輸送機自身的質(zhì)量問題、工作環(huán)境的惡劣影響都會造成斷帶事故的發(fā)生[1]。斷帶事故所造成的人員、設備及經(jīng)濟損失是無法估量的，需對帶式輸送機從結(jié)構(gòu)上采取保護措施，從而有效避免事故的發(fā)生。帶式輸送機斷帶抓捕裝置是帶式輸送機中比較關(guān)鍵的保護裝置，對帶式輸送機的安全運行起著重要的作用，關(guān)系到煤礦生產(chǎn)人員的安全及煤礦本身生產(chǎn)運營的安全，具有非常重要的經(jīng)濟意義和社會效益。因此，急需設計一種能夠快速、及時地檢測斷帶信號并能迅速、可靠地抓捕下滑輸送帶的斷帶抓捕裝置，以防危害進一步擴大。

1 輸送帶斷帶情況分析

1.1 斷帶原因

斷帶抓捕裝置的設計首先需要剖析輸送帶斷裂的原因，其次需要對輸送帶斷裂的位置進行深入分析[2]。帶式輸送機在煤礦運輸方面運用較為廣泛，輸送帶在運輸過程中發(fā)生斷裂的原因很多，從以往發(fā)生的斷帶事故實例總結(jié)出了以下幾點：

1）輸送帶制作質(zhì)量不過關(guān)，操作不規(guī)范，使用時間較長、運載過重。

2）由于帶式輸送機齒輪減速器里的高速軸、輪齒突然斷裂，液力偶合器出現(xiàn)噴液導致電動機突然逆轉(zhuǎn)。

3）帶式輸送機運載過程中，運送物料不均勻?qū)е螺斔蛶芰Σ痪锪吓芷⒙洌苯佑绊懥溯斔蜋C的安全運載能力，增大了斷帶事故的發(fā)生概率。

4）帶式輸送機啟動時輸送帶應力變化較大導致其斷裂。

5）輸送帶接頭簡單、牢固的工藝制作方法還不成熟，接頭制作稍不嚴密，運載過大就會導致運送過程中輸送帶斷裂。

1.2 斷裂位置

輸送帶斷裂的主要位置在輸送帶最大張力點周圍。驅(qū)動滾筒是帶式輸送機運行的主要驅(qū)動力，輸送帶正常運行時，驅(qū)動滾筒與輸送帶的接觸點張力最大，極易發(fā)生斷帶[3]。然而輸送方式不同，斷裂位置也不相同，具體情況如下：

1）下運式帶式輸送機在輸送帶離開驅(qū)動滾筒的位置張力最大極易發(fā)生斷裂。

2）上運式帶式輸送機在輸送帶進入驅(qū)動滾筒的位置張力最大極易發(fā)生斷裂。

3）多驅(qū)動式帶式輸送機張力最大的位置與輸送帶運行方向傾角有關(guān)，需綜合分析后再確定其準確斷帶位置。

2 斷帶抓捕裝置的設計

機電液控制式斷帶抓捕裝置是較為常見的一種斷帶抓捕裝置，能夠準確地檢測到斷帶信號，自動化控制能對輸送帶突然斷裂實施全面抓捕[4]。

2.1 設計要點

機電液控制式斷帶抓捕裝置的設計需要理論與設計情況相結(jié)合，對安全可靠性及靈敏度提出了一定的要求。主要設計要點如下：

1）斷帶抓捕裝置與輸送帶無作用力，只有輸送帶發(fā)生斷裂時抓捕機構(gòu)才開始發(fā)生作用，實施抓捕工作。

2）斷帶抓捕裝置的制動力應能滿足斷帶發(fā)生時實施全面抓捕，而且應保證抓捕力均勻分布在輸送帶上。

3）斷帶抓捕裝置誤動作處理。若斷帶抓捕裝置發(fā)生誤動作時，輸送機要及時切斷電機電源。

4）帶式輸送機應安裝清煤裝置，減小斷帶后由于物料散落而降低抓捕裝置實施抓捕工作的制動效率。

2.2 系統(tǒng)組成

機電液控制式斷帶抓捕裝置主要包括四個部分：輸送帶信號采集系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)及機械抓捕機構(gòu)。機電液控制式斷帶抓捕裝置示意圖如圖1所示。

圖1 機電液控制式斷帶抓捕裝置示意圖

2.2.1 機械抓捕機構(gòu)

機械抓捕機構(gòu)主要由油缸、油缸支撐橫梁、移動楔塊、固定楔塊、機架等組成。機械抓捕機構(gòu)采用solidworks軟件進行三維建模，其正常運行狀態(tài)及抓捕狀態(tài)的模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 抓捕機構(gòu)示意圖

2.2.2 液壓控制系統(tǒng)

斷帶抓捕裝置液壓系統(tǒng)是以電動機帶動高壓柱塞泵為動力通過溢流閥和電磁換向閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，以實現(xiàn)斷帶的快速抓捕。

2.2.3 電氣控制系統(tǒng)

機電液控制式斷帶抓捕裝置電氣控制系統(tǒng)的核心部件是PLC（可編程邏輯控制器），可進行程序編輯、存儲操作指令、控制機械裝置及生產(chǎn)過程、處理運行數(shù)據(jù)判斷輸送帶運行情況并作出相應動作[5]。若輸送帶斷裂，控制信號會發(fā)出斷帶信號，實施快速抓捕。

2.2.4 斷帶信號檢測、采集系統(tǒng)

斷帶信號的檢測與采集是啟動斷帶抓捕裝置的關(guān)鍵因素。輸送帶的斷裂檢測主要依靠速度方向與大小、輸送帶張力和懸垂度三個方面進行，只有三種斷帶信號同時被檢測并通過對采集的信息進行對比分析后確定輸送帶是否斷裂。

3 斷帶抓捕裝置的仿真模擬

3.1 斷帶抓捕裝置模型的建立

利用Solidworks軟件進行斷帶抓捕裝置的實體建模并導入到ADAMS軟件中，斷帶抓捕裝置三維模型如圖3所示。

圖3 斷帶抓捕裝置三維模型

3.2AMESim與ADAMS聯(lián)合仿真

運用AMESim軟件進行液壓系統(tǒng)仿真模擬，運用ADAMS軟件進行機械系統(tǒng)模型建立。AMESim模擬輸出的液壓缸作用力作為AMAMS機械系統(tǒng)模擬的輸入，AMAMS經(jīng)過模擬后輸出活塞桿位移反饋到AMESim中。聯(lián)合仿真模型如圖4所示。

圖4 聯(lián)合仿真模型

3.3 仿真結(jié)果分析

本次仿真的目的是分析上楔塊與輸送帶接觸面積與抓捕時間的關(guān)系。基于上述聯(lián)合仿真模型，當上楔塊與輸送帶接觸面積分別為0.2 m2、0.25 m2、0.3 m2時，系統(tǒng)的抓捕時長，仿真結(jié)果如第69頁表1所示。

經(jīng)仿真分析可知，系統(tǒng)的抓捕時間并不是隨著上楔塊與輸送帶的接觸面積的增大而減小。理論上，隨著上楔塊與輸送帶的接觸面積增大，在一定抓捕力的作用下，單位面積的抓捕力就越小，且波動時間就會延長。然而，在實際抓捕過程中除了上述影響外，接觸面積越小，使得系統(tǒng)活塞桿到達預定位置耗時越小。綜合上述兩項因素，導致抓捕時間隨著抓捕面積的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。

表1 不同接觸面積下系統(tǒng)的抓捕時間仿真結(jié)果

4 結(jié)語

經(jīng)仿真分析，得出上楔塊與輸送帶接觸面積與抓捕時間的關(guān)系為：抓捕時間隨著抓捕面積的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，對指導實際生產(chǎn)中的帶式輸送機斷帶抓捕工作具有現(xiàn)實意義。