帶式輸送機智能分煤系統的設計應用

王 佳，郭奮超，王榮泉，黨 靜

(1.陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西 榆林 719315；2.陜西陜煤韓城礦業有限公司生產服務中心，陜西 渭南 715400)

0 引言

隨著煤礦井下機械化、智能化的不斷發展，井下采煤技術越發成熟，采煤產能節節攀升，然而原有運輸系統的運輸能力卻與采煤產能的增加無法匹配，地面運輸系統和煤倉棧橋等運輸部分的運輸能力也難以提升，對其進行拆除改造也存在時間和空間等方面的難度，紅柳林煤礦主帶運輸系統存在同樣的問題，這成為困擾礦井產能提升的一個瓶頸。

1 現場情況分析

原有設計中，主斜井帶式輸送機只能與101上倉棧橋帶式輸送機搭接，設計運量為4 500 t/h。后期為了保障101帶式輸送機正常運行，將實際運量調至4 000 t/h。同時為了保證在101帶式輸送機出現故障時的正常生產，在101帶式輸送機的旁邊又增加了旁路帶式輸送機，能夠臨時向地面煤場輸送物料。

為使主運輸系統與井下綜采系統相匹配，主運輸系統的運輸量要增加至5 000 t/h。經過改造，主斜井帶式輸送機的運輸量能夠提升至5 000 t/h，但在主斜井帶式輸送機保持5 000 t/h的運輸量運行時，與其搭接的101帶式輸送機振動嚴重，存在嚴重的安全隱患。而在主斜井帶式輸送機向101帶式輸送機卸煤時，無法向旁路帶式輸送機卸煤。單獨向旁路帶式輸送機卸煤時，其卸載端——地面煤場卻又無法滿足如此大的存儲量。

2 帶式輸送機智能分煤系統的原理

為解決這一問題，在現有卸載部溜槽的結構上設計帶式輸送機智能分煤系統如圖1所示，該系統主要由智能電氣系統、防爆液壓系統和斜閘門機械結構組成。該系統能夠根據綜采系統運量大小，通過遠程或智能控制，實現向101帶式輸送機單獨卸料、旁路帶式輸送機單獨卸料和101與旁路同時卸料3種不同的卸料方式，從而提升運輸系統產能，解決輸送能力不足的問題。

圖1 主斜井帶式輸送機智能分煤系統三維模型Fig.1 3D model of intelligent coal separation system of belt conveyor in main inclined shaft

2.1 智能電氣系統設計

智能電氣系統由礦用隔爆型可編程控制箱(圖2)，3臺高精度電子皮帶秤、閘板位置傳感器、漏斗堆煤傳感器、聲光報警器組成。控制箱內裝有電源濾波器、PLC、開關電源、本安電源、繼電器和觸摸顯示屏等。具有多路數字開關量信號和模擬量信號的輸入輸出接口，可配置各種不同的通信接口，可以提供2～8路本安電源供本安儀表或本安傳感器使用，能最大限度地滿足系統需要。

圖2 礦用隔爆型可編程控制箱Fig.2 Mine flameproof programmable control box

可編程控制箱內置西門子PLC作為核心可編程控制器，能夠預先設定的運量分配方案，結合安裝在主斜井、101和旁路帶式輸送機上的3臺高精度電子皮帶秤傳回的運量數據，通過防爆液壓系統調節液壓缸的伸縮量，進而調節閘板的開合程度，從而達到智能分配101和旁路帶式輸送機上受料煤量的目的。閘板上設置的位置傳感器能夠實時反饋閘板位置，做到閉環控制。101和旁路帶式輸送機上安裝的高精度電子皮帶秤也能夠將各自分配到的煤量數據反饋到PLC控制箱，確保煤量分配的智能和精準。另外，漏斗堆煤傳感器能夠實時監控漏斗內是否發生堆煤的情況，進而向上級控制器反饋堆煤報警信號，保障運輸系統的安全可靠運行。

2.2 防爆液壓系統設計

防爆液壓站及液壓系統如圖3、4所示，主要由防爆電動機、防爆電磁閥、高壓油泵、油箱、推移液壓缸組件、高壓膠管等組成，在電氣系統的控制下能夠為分煤閘門液壓缸提供可靠的液壓動力源，從而控制液壓缸的開合。防爆液壓站采用雙回路系統(雙電機、雙液壓泵、雙套電磁閥)，一個回路在用，一個回路備用，2個回路可以任意切換，有效地提高了液壓系統的可靠性。防爆液壓系統供電電壓380/660 V，最高工作壓力20 MPa。

圖3 防爆液壓站Fig.3 Explosion-proof hydraulic station

2.3 斜閘門機械結構設計

斜閘門機械結構如圖5所示，主要由斜閘板、斜閘門軌道、推移液壓缸連接件、開槽漏斗和分叉溜槽組成。斜閘板、斜閘門軌道和推移液壓缸組件通過連接件成為一體，傾斜安裝在開槽漏斗中，并通過支腿與地面支撐。斜閘板能夠在推移液壓缸的作用下在軌道上伸縮移動，從而調節閘門口的開合。

1-油箱；2-液位計；3-空濾器；4-隔爆型電磁換向閥；5-回油濾油器；6-球閥；7-補償接管；8-柱塞泵；9-泵套聯軸器；10-防爆電機(頂出線)；11-減震墊；12-壓力表開關；13-壓力表；14-單向閥；15-溢流閥；16-隔爆型電磁換向閥；17-液控單向閥；18-分流集流閥；19-壓力變送器圖4 液壓系統原理Fig.4 Principle of hydraulic system

圖5 斜分煤閘門三維Fig.5 3D model of inclined coal separation gate

在推移液壓缸伸出時，斜閘板沿著斜閘門軌道移動，到達電氣系統的指令位置(開合度百分比)。當閘板完全開合時，主斜井帶式輸送機的煤直接卸入旁路帶式輸送機溜槽，向旁路帶式輸送機單獨卸料；當閘板完全關閉時，主斜井帶式輸送機的煤卸在閘板上，然后回落到101帶式輸送機溜槽，向101帶式輸送機單獨卸料；當閘板位于中間位置時，主斜井帶式輸送機的煤一部分通過旁路溜槽進入旁路帶式輸送機，另一部分卸在閘板上，回落到101帶式輸送機溜槽中，達到同時向101與旁路帶式輸送機同時卸料的目的，同時通過閘門的開合大小調節進入101帶式輸送機和旁路帶式輸送機的煤量多少，從而達到控制各自運輸量的目的。同時閘板設計傾角為35°，使閘板上部可以存儲部分浮煤，以減緩落煤沖擊，減緩閘板的磨損。

3 關鍵部件的三維建模設計與有限元分析

3.1 斜閘板

斜閘板作為隔檔物料的主要運動部件，不但要承受物料的沖擊，而且還要承受物料的磨損，需要進行耐磨設計。根據溜槽的開口尺寸，設計斜閘板尺寸為3 300 mm×2 000 mm，主板采用30 mm厚的Q345高強度低合金鋼板，正面焊接9行6列300 mm×300 mm的20 mm厚的高強度低合金鋼板以提高正面的耐磨性，背面焊接12行2 000 mm×100 mm×20 mm的橫向筋板和兩列縱向筋板，并為液壓缸活塞桿留出空間，液壓缸活塞桿連接處在斜閘板的中間位置，采用單板銷軸形式連接液壓缸活塞桿。在閘板的底部采用直角結構與閘板軌道底部角形結構配合支撐，閘板頂部扣在閘板軌道頂部的槽鋼結構上進行吊掛支撐。斜閘板如圖6所示。

圖6 斜閘板三維Fig.6 3D model of inclined gate

3.2 斜閘門軌道

斜閘板軌道作為閘板導向的關鍵部件，既要承載斜閘板的重量與磨損，又要承載物料的沖擊，需要進行加強設計。斜閘板軌道采用20 mm厚的Q345高強度低合金鋼板和槽鋼加工而成，采用螺栓連接和焊接結構。軌道斜面角度為35°。底部采用鋼板焊接的角形軌道結構與閘板配合，這樣直角結構上既不容易存煤，又能夠支撐斜閘板的重量。頂部采用槽鋼加筋板的槽鋼軌道結構，與斜閘板頂部的矩形槽配合，一方面起到導向作用，另一方面又能夠拖住斜閘板，如圖7所示。

圖7 斜閘門軌道三維Fig.7 3D model of inclined gate track

3.3 斜閘門軌道的有限元分析

作為整個系統的關鍵部件，需要對斜閘門進行有限元分析，以充分模擬閘門關閉時的受力情況和結構強度。斜閘門重量3 500 kg，充分考慮落煤沖擊和自重后，按照斜閘門雙倍重量的載荷裕度，即70 000 N合力加載到直角形軌道和槽鋼軌道上寬度為2 000 mm的區域，斜閘門軌道底部固定，斜閘門軌道部分材料選用Q345高強度低合金鋼。經過有限元分析，最大應力為58.4 MPa，遠遠小于材料屈服強度350 MPa，有6倍的安全系數，斜閘門軌道結構強度完全滿足使用要求，如圖8所示。

圖8 斜分煤閘門有限元分析應力云圖Fig.8 Stress cloud diagram of finite element analysis of inclined coal gate

4 現場應用情況

帶式輸送機智能分煤系統安裝完成后(圖9)，實現了向101、旁路帶式輸送機單獨卸料和101與旁路同時卸料3種不同卸料方式，主運輸系統運量提升到了5 000 t/h，同時還達到了遠程/就地控制、高精度計量、智能分煤運行等多項智能控制的各項設計功能，有效地解決了產能提升的瓶頸，實現了運輸系統的智能分煤運行。

圖9 帶式輸送機智能分煤系統現場安裝Fig.9 On-site installation of belt conveyor intelligent coal separation system

經過核算，該系統安裝完成后，每天同比增加產量2 480 t，全月同比增加產量5.961 9萬t，每月累計增益2 980萬元，取得了較好的經濟效益。

5 結論

經過調研分析，紅柳林煤礦主斜井運輸系統提升瓶頸問題，設計了帶式輸送機智能分煤系統。該系統的智能電氣系統、防爆液壓系統和斜閘門機械結構相結合，有效實現向101、旁路帶式輸送機單獨卸料和101與旁路同時卸料3種不同卸料方式的智能化控制，同時對其機械結構中的關鍵部件進行三維建模和有限元分析，確保其結構強度，對帶式輸送機運輸系統的分煤智能化問題具有借鑒作用。