皮帶輸送機斷帶保護裝置優化設計

郭朝霞

（山西省煤礦節能監測中心，太原 030045）

0 引言

隨著煤礦機電一體化技術的不斷提高，井下皮帶輸送機的需求越來越大，對皮帶輸送機的要求也越來越高。皮帶輸送機在實際工作中，由于工況較為復雜，載荷不均勻，設備會受到較大沖擊，所以經常會出現一些打滑、跑偏、堆煤等故障[1-2]。如果皮帶機在運行過程中發生斷帶故障，皮帶與物料將同時堆積在皮帶機的機頭部分，甚至在重力作用下推倒皮帶機，造成較大的經濟損失[3]。所以為了保護煤礦生產工作面的安全，國內很多學者和機構研究出了皮帶輸送機的綜合保護裝置，可實現皮帶機的速度保護、堆積保護、打滑保護、跑偏保護等，但是在斷帶保護方面缺乏有效的解決措施[4-5]。本文將對皮帶輸送機電設備的斷帶保護裝置進行優化設計。

1 皮帶輸送機斷帶故障分析

綜合工程中皮帶機斷帶的實例分析，主要原因有以下4種。

（1）皮帶機的設計存在缺陷。皮帶機在選型設計階段存在失誤，如輸送機驅動裝置選擇不合理，減速器減速比等參數設計出現問題。皮帶機的啟動、制動控制裝置不完善也是造成皮帶斷裂的主要原因之一，皮帶機在每次啟動、停止時，都超過允許的加速度或者減速度，在物料重力作用下，皮帶所受到的張力超過許用張力，發生斷裂。

（2）皮帶自身質量不過關。部分煤礦偷工減料，購買不符合標準的皮帶也是導致故障發生的原因之一。

（3）輸送帶的硫化接頭存在質量問題。硫化接頭的材料過期，加工過程中的硫化溫度、壓力和時間不符合要求，接頭的性能達不到標準硫化接頭的強度要求。

（4）皮帶機運行過程中操作不當。在運輸過程中，因異物卷入導致的載荷突變，極易導致皮帶發生斷裂。由于煤礦生產任務繁重，皮帶機通常情況下都是晝夜運行，皮帶表面的磨損嚴重，內部鋼絲繩的繩芯發生腐蝕，疲勞破壞等，導致皮帶韌性下降，當運輸過程中載荷分配不均時，極易發生斷帶故障[6-7]。

2 斷帶保護裝置結構設計

皮帶輸送機的斷帶保護裝置的主要功能是當皮帶出現斷裂或者打滑問題時，對皮帶進行抓捕，防止皮帶及物料在慣性作用下造成的安全事故。目前，我國的斷帶保護措施主要分為預防性檢測和被動性抓捕[8]。本節將對被動性抓捕裝置進行優化設計。

2.1 斷帶抓捕器結構

抓捕器是輸送帶斷帶后采用抓捕原理防止皮帶下滑的裝置。抓捕器屬于點式抓捕裝置，當輸送機皮帶斷裂后，根據監測裝置監測到的斷帶信號，抓捕器通過抓捕皮帶邊緣，產生較大的夾持力，防止輸送帶下滑。抓捕器作為皮帶機的斷帶保護裝置，應達到的性能要求有以下幾點：（1）抓捕動作迅速，當皮帶斷裂后，可以第一時間完成抓捕動作，防止皮帶下滑；（2）動作準確，在發生斷帶時，可準確定位并抓捕，在未發生斷帶情況時，不會誤動作；（3）抓捕范圍大，抓捕器作為點式抓捕裝置，夾持輸送帶的面積小，作用在皮帶上的壓力較大，容易損壞皮帶，發生二次事故，所以抓捕裝置較大的抓捕帶寬，在保護皮帶的同時，也提高了抓捕的成功率。

針對抓捕器的主要性能要求，本文對抓捕器的結構進行了優化設計，其結構如圖1所示。抓捕器由兩個對稱的抓捕機構組成，其中抓捕機構由抓捕臂、電磁鐵與抓捕輥組成，兩個抓捕機構的棘輪制動方向相反。阻尼板安裝于皮帶下方，并留有一定間隙，保證皮帶機在正常運轉時，不會與阻尼板發生摩擦，當皮帶斷裂后，在重力作用下，皮帶將落于阻尼板上，這時阻尼板將起到阻尼作用，減緩皮帶下滑速度，為抓捕器提高更好的抓捕條件。

抓捕器的兩邊的棘輪為相反方向安裝，其中左側棘輪的轉向與皮帶運行方向相反，右側棘輪轉向與皮帶運行方向相同。皮帶輸送機在正常運行時，左側抓捕臂與抓捕輥在電磁鐵作用下懸置與皮帶上方，抓捕器右側的抓捕機構相對左側要更加靠近皮帶。當皮帶發生斷裂故障時，斷帶逆轉，向左下方滑動，檢測裝置將檢測到的斷帶信號傳輸回控制系統，系統發出命令，停止皮帶機的驅動電機，并將抓捕器的電磁鐵斷電，左側抓捕結構在重力作用下，將斷帶壓在阻尼板上，最終，在阻尼板與抓捕輥的作用力下，斷帶停止下滑。這種抓捕器結構的優點是：抓捕機構作用在皮帶上的面積相對較大，不會對皮帶造成二次撕裂，安全系數較高。

2.2 抓捕器理論抓捕力

抓捕器產生的抓捕力大于皮帶下滑時的重力分量，才可以有效保護皮帶機。抓捕器為多個節點布置，在計算總的抓捕力時，需要綜合考慮抓捕器組數與單個抓捕器產生的抓捕力大小，具體計算公式如下：

式中：n為皮帶機的節點個數；Fi為第i個節點處，皮帶斷裂產生的力；N為抓捕器所需的組數；Fz為單個抓捕器產生的抓捕力；μ為每組抓捕器的有效作用帶寬與皮帶總帶寬的比例；B為皮帶的寬度；Gr為皮帶的抗拉強度。

3 斷帶保護裝置電控設計

3.1 檢測裝置

由于皮帶輸送機的斷帶故障具有隨機性，為了使系統的檢測功能更為準確，本文主要采用速度檢測與斷帶檢測兩種方式來采集皮帶機的運行情況。

皮帶的帶速檢測主要通過光電編碼器實現，皮帶輸送機在正常工作和斷帶故障兩種情況下的速度不同，系統通過比較器產生一個差值來發出斷帶信號。斷帶信號檢測裝置選用GVY1.5礦用撕裂傳感器，皮帶在斷裂后，物料會不斷沉積，當傳感器檢測到的壓力信號到達一定值后，將發送故障信號到控制器。

3.2 控制主程序

斷帶保護系統的主程序流程圖如圖2所示，系統初始化后，控制系統驅動電機，電機帶動滾筒轉動，皮帶輸送機正常運行，開始運行皮帶機的狀態監測子程序，對皮帶機的速度信號與斷帶信號進行監測，當皮帶機速度異常后，通過撕裂傳感器檢測到的壓力信號進行驗證。當系統檢測到皮帶發生斷裂后，對斷裂位置進行準確定位，發出命令信號，控制該位置處的抓捕器動作，防止皮帶下滑，并進行報警，待工作人員進一步處理。

圖2 斷帶保護系統主程序流程圖

4 結束語

本文通過分析皮帶機斷帶的主要原因與斷帶保護裝置的性能要求，對抓捕器的結構進行優化設計，并對抓捕器的布置方式與布置個數進行理論計算，在監控系統上，優化了系統的檢測裝置，改善了系統故障監測的準確度。