礦用傾斜式帶式輸送機斷帶分析及抓捕裝置的設計研究

朱江鵬

（山西長平煤業有限責任公司， 山西 晉城 048006）

引言

由于帶式輸送機自身的結構特點，可以承擔長距離的煤炭輸送，并且每次的輸送量都比較大，運行時間較長，可以實現連續不間斷的輸送工作[1]。與礦井開采生產的高產量高效率的工作要求相符，滿足散裝煤炭物料的輸送工況要求。然而直接與煤炭物料接觸的皮帶構件是保障整個開采聯系運行的關鍵，由于煤礦惡劣的工作條件，可能對皮帶造成各種各樣的破壞，這些破壞包括突發性的以及長期性的破壞。在皮帶運轉的時候，有可能受力不均勻或者其他原因造成輸送皮帶的磨損甚至是斷裂。當傾斜式帶式輸送機，在向下傳遞煤炭物料的時候是工況最危險的時候，此時傳送皮帶將受到載荷作用以及煤炭物料的重力，如果此時突然發生斷裂，就有可能造成機架的破壞以及托輥的橫飛[2-3]。

為保障煤礦企業安全生產的穩定進行，有必要對帶式輸送機的輸送帶在斷裂后及時進行處置的裝置進行設計研究，研制一種能快速檢測斷帶信號，并及時發出指令快速抓捕下滑輸送帶的裝置。

1 輸送帶斷裂分析

1.1 輸送帶斷裂原因分析

通過調查資料分析可知，造成輸送帶斷裂的原因有很多，可以分為以下幾點[4]：

1）制造廠商對輸送帶的制作過程沒有嚴格按國家標準執行，造成質量不達標；

2）輸送帶在工作過程中沒有嚴格按照規章制度對其進行維護保養更換；

3）帶式輸送機內部的齒輪突然發生斷裂，傳動軸突然斷裂，電動機故障反轉等情況；

4）帶式輸送帶的連接方式有很多種，包括機械式、熱硫化粘接式、冷粘接式三種，沒有對輸送帶的連接方式進行正確的選擇；

5）在輸送機開始運轉以及緊急制動的時候，輸送帶將承受更大的載荷作用，容易發生斷裂；

6）開采機開采出的煤炭物料出現塊料較大，突然引起輸送帶的局部載荷增加，容易使輸送帶出現斷裂情況；

7）輸送帶運送物料的分布不均、空載段和超載段的出現，使得輸送帶的受力不平衡；

8）輸送帶運送物料的時候放置位置分布不均，容易發生跑偏現象，最后使得物料散落，直接增大了斷帶事故發生的概率。

1.2 輸送帶斷裂位置分析

通過查閱國內外相關文獻資料，整個輸送帶在傳輸過程中，其結構所受最大張力的位置通常是輸送帶斷裂的位置，針對研制斷帶抓捕裝置，應首先分析出輸送帶的張力最大位置。驅動滾筒式帶式傳送機的驅動裝置，起承載及牽引作用的又是輸送帶，根據帶式輸送機輸送帶在傳輸煤炭物料的工作原理，結合相關機械原理理論，輸送帶最大張力位置在輸送帶進入驅動滾筒的接觸位置[5]。

依據上述分析情況，還可得出三種結論：帶式輸送機為下運式機器的時候，此時運轉時候傾角較大，出現最大張力的位置是輸送帶即將要離開傳動滾筒的接觸位置；上運式帶式輸送機與下運式帶式輸送機正好相反，最大張力位置為輸送帶即將進入傳動滾筒的接觸位置；針對于多驅動方式的帶式輸送機要綜合分析才能判斷最大張力所出現的地方，應該根據輸送帶的運輸方向以及傾角進行綜合判斷。

2 斷帶抓捕裝置的設計

2.1 抓捕裝置的設計要求

應設計出符合實際工況條件，并能產生實際作用的抓捕裝置是本次研究的重點，應該具有安全性、可靠性、靈敏性等幾大特點，設計要求主要包括[6]：

1）設計出的斷帶抓捕裝置，不能影響輸送帶的正常工作過程，不能對輸送帶施加作用力；

2）盡可能地增加抓捕裝置對輸送帶的接觸面積，形成較大的制動力，能夠防止輸送帶的二次破壞；

3）在輸送帶突然出現斷裂或者反方向運轉的時候，抓捕裝置應及時快速響應，能夠滿足實際的抓捕響應時間；

4）為了實現斷帶抓捕裝置的動態抓捕，對斷裂下滑的輸送帶進行快速有效的抓捕。

2.2 系統組成與工作原理

本次研制出的斷帶抓捕裝置主要采用機械系統與液壓系統相結合的快速響應裝置，通過工業控制器PLC 作為中央核心處理器，收集輸送帶斷帶信號的模擬量，通過A/D 轉換發出動作執行命令。預先設計斷帶信號的限位值，當超過斷帶限位值的時候PLC 將發出指令使液壓系統開始工作，發出高壓液壓油推動活塞桿件，并迅速啟動機械抓捕機構的快速動作，施加正壓力形成較大的摩擦力，防止輸送帶繼續下滑，斷帶抓捕裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 斷帶抓捕裝置整體示意圖

2.3 抓捕裝置組成結構設計

2.3.1 機械抓捕機構

抓捕裝置是采用機械以及液壓裝置的綜合組成，然而機械抓捕機構是抓捕結構中的關鍵構件，該機構的主要構成包括油缸、移動楔塊、固定楔塊、油缸支撐橫梁、機架等，具體結構如圖2 所示。

2.3.2 液壓抓捕機構

液壓系統是抓捕裝置的關鍵構件，作為核心執行驅動構件應滿足響應時間短、動作精確、故障率較低的特點。通過PLC 中心核心控制器判斷是否有斷帶情況發生，通過液壓系統電磁閥對液壓系統的執行機構進行控制，液壓系統結構原理圖如圖3 所示。

2.3.3 斷帶信號采集

圖2 機械抓捕機構示意圖

圖3 液壓系統工作原理圖

根據實際工況條件設定帶式輸送機輸送帶斷帶信號是否斷裂的數值限制，PLC 控制器可根據該數值判斷輸送帶是否斷裂并發出響應信號，數據判斷如表1 所示，V0為額定速度，Vi為實際速度。

表1 輸送帶斷裂信號數值判斷

3 仿真試驗結果分析

聯合應用ADAMS 和AMESim 軟件模擬機械及液壓作用狀態，并建立斷帶抓捕裝置的三維模型圖（見下頁圖4），通過仿真軟件對斷帶抓捕裝置進行邊界條件的設定，使其符合實際的工況條件。工況參數為：電機的轉速設定為1 450 r/min；液壓泵排量設定為40 mL/r；蓄能器的公稱容積設定為25 L。

圖4 斷帶抓捕裝置的三維模型

圖5 不同接觸面積條件下活塞桿位移情況

斷帶抓捕裝置的移動楔塊質量分布均勻，根據實際工況選取不同的接觸面積條件下楔塊與輸送帶的摩擦阻力，接觸面積分別設置為0.21 m2、0.28 m2、0.32 m2，可通過對傳送機構活塞桿的位移情況判斷，在斷帶發生后傳輸帶是否還有移動情況，活塞桿的位移曲線圖如圖5 所示。

如圖5 所示，考慮三種不同接觸面積的工況條件下，抓捕裝置的活塞桿均在0.24 s 之內完成了有效抓捕動作，保障輸送帶在斷帶后能夠及時處置安全隱患的工作性能，設計出的輸送帶斷帶抓捕裝置有實用價值并且具有較高的安全性。

4 結語

通過設計出模擬實際開采工況的機械液壓斷帶抓捕裝置，采用仿真實驗顯示斷帶抓捕裝置能夠有效及時地對輸送帶斷帶進行抓捕，防止輸送帶繼續滑脫，提高了輸送帶傳輸煤炭物料的本質安全性能，并且為礦井開采設備的安全裝置設計提供了思路。