順槽帶式輸送機卷帶裝置的設計與動力學分析

王 淵

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦， 山西 呂梁 033102）

引言

順槽帶式輸送機是綜采工作面根據采煤進度實時收縮輸送帶的帶式輸送機。鑒于當前順槽帶式輸送機收卷輸送帶的操作存在效率低、安全系數低的問題，本文特設計一款適用于綜采工作面順槽帶式輸送機收卷輸送帶的裝置。

1 卷帶裝置總體設計方案

本文所研究帶式輸送機輸送帶的類型為整芯輸送帶，其對應的型號為PVC1250S。本文所研究帶式輸送機的關鍵參數如表1 所示。

表1 帶式輸送機關鍵參數

帶式輸送機卷帶裝置的主要任務是完成順槽帶式輸送機輸送帶的收卷任務，進而減小卷帶作業人員的勞動強度，提升卷帶工作的安全性，為提升綜采工作面產煤效率的提升奠定基礎。順槽帶式輸送機卷帶裝置的結構如圖1 所示。

1.1 卷帶裝置液壓控制系統的總體設計

液壓系統作為順槽帶式輸送機卷帶裝置的控制中心，且帶式輸送機卷帶裝置的大部分動作均是由液壓系統控制完成的，其主要由液壓泵站、輸送油路組成。為了提升帶式輸送機液壓系統的利用率，要求卷帶裝置和張緊裝置共用一個液壓泵站[1]。

根據控制需求，卷帶裝置液壓系統可在自動和手動兩種工作狀態下工作。其中，基于手動狀態控制系統中的換向閥實現對系統各個動作的控制；自動狀態主要是針對卷帶裝置的出帶任務，為確保在出帶過程中避免輸送帶搭落的情況，此時張緊裝置為輸送帶提供一定的張緊力[2]。

圖1 順槽帶式輸送機卷帶裝置結構組成

1.2 卷帶裝置電氣控制系統的總體設計

對于綜采工作面而言，要求工作面所有電氣設備均滿足防爆性能的要求。鑒于PLC 控制系統在惡劣環境工作的可靠性和穩定性，順槽帶式輸送機卷帶裝置的電氣控制系統是基于PLC 實現的[3]。且卷帶裝置電氣控制系統所選用具體PLC 的型號為S7-CPU224X。

2 卷帶裝置關鍵部件的校核

順槽帶式輸送機卷帶裝置的關鍵部件為出帶裝置，出帶裝置的主要任務是完成對輸送帶的卷曲工作。本文所研究的順槽帶式輸送機100 m 輸送帶全部收入卷帶裝置后其質量全部負荷于卷帶裝置的舉升梁和中心回轉架上。因此，卷帶裝置的舉升梁和中心回轉架強度是確保整個卷帶裝置可靠性和安全性的基礎[4]。本節基于ANSYS 軟件對舉升梁和中心回轉架的強度進行校核。

2.1 舉升梁的校核

根據順槽帶式輸送機卷帶裝置舉升梁的實際尺寸基于SolidWorks 建立三維模型，并將三維模型導入ANSYS 軟件中，根據舉升梁普通碳鋼屬性特點對ANSYS 模型中的材料屬性進行設置，待完成網格劃分和添加載荷約束后開始仿真。仿真結果及其材料許用值對比如下頁表2 所示。

如表2 所示，卷帶裝置完成收卷任務后，100 m輸送帶傳遞至舉升梁的最大應力為1.68×108N/m2接近于其材料許用最大應力2.8×108N/m2；而舉升梁的最大位移12 mm 遠遠超過普通碳鋼的最大位移2 mm。為確保舉升梁及其整個系統的安全性，需對舉升梁結構進行優化。具體優化措施如下：

1）將支撐舉升梁的鋼結構的尺寸從原先的120 mm×60mm×10mm增大為140mm×80mm×15mm；

2）將卷筒的直徑從原先的40 mm 增大為60 mm；

3）為舉升梁中間位置加設加固筋板。

對優化后舉升梁重新建模后采用同樣的外部載荷和網格數進行仿真，仿真結果如表3 所示。

表2 舉升梁強度校核

表3 優化后舉升梁的強度校核

經仿真分析可知，優化后舉升梁的最大應力比其所選材料的需用應力小一個數量級，且其最大位移也小于其選用材料所允許的最大位移。所以，優化后舉升梁的強度滿足實際生產的需求。

2.2 中心回轉架的校核

同樣，根據中心回轉架的實際尺寸基于SolidWorks 軟件搭建三維模型，并將模型導入ANSYS 軟件中，經網格劃分和添加載荷后得出如表4 所示的仿真結果。

表4 回轉中心架的強度校核

回轉中心架的材料同樣為普通碳鋼。經仿真可知，在實際工況下回轉中心架的最大應力和最大位移，均遠小于其選材的最大許用應力和最大位移。所以，回轉中心架的強度滿足實際生產的需求。

3 卷帶裝置的工業性試驗

文中第2 節主要完成了對卷帶裝置中關鍵部件舉升梁和回轉中心架強度的校核，并未驗證所設計的卷帶裝置是否能夠達到降低作業人員勞動強度的目的。為此，基于所設計的卷帶裝置搭建工業性試驗平臺，主要對其能否與綜采工作面順槽的完美匹配和在同等工作量下作業人員的參與人數和完成時間進行對比。現場試驗時必須嚴格遵守各項規章制度和整個卷帶系統的工作流程。經現場試驗可知：

1）順槽帶式輸送機卷帶裝置機械部分能夠與張緊裝置完美配合，且與現場其他設備的匹配性良好；

2）針對本文所研究順槽帶式輸送機的100 m 輸送帶的收卷任務，采用優化設計后的卷帶裝置參與的作業人員的人數由原先的6 人縮減為當前的2 人，且消耗時間由原先的3 h 縮減為當前的0.5 h，大大地降低了作業人員的勞動強度，提升了卷帶的效率。

4 結論

實際生產中順槽帶式輸送機的卷帶任務需消耗大量的人力、物力，且其操作過程的安全性一直被質疑。卷帶裝置的順槽帶式輸送機的應用能夠有效地解決上述問題。實踐表明，卷帶裝置的應用能夠將參與收卷輸送帶任務的人員由原先的6 人縮減為當前的2 人，且消耗時間由原先的3 h 縮減為當前的0.5 h。