大坡度帶式輸送機(jī)液壓拉帶裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張 健，祁成龍

（潞安化工集團(tuán)五陽煤礦，山西 長治 046200）

引言

科技迅猛發(fā)展，煤礦裝備的機(jī)械化程度也越來越高。目前大部分礦井在綜采、掘進(jìn)、運(yùn)輸?shù)确矫娑蓟緦?shí)現(xiàn)了機(jī)械自動化，然而在一些輔助環(huán)節(jié)，仍然依賴人工，特別是高效、安全的輔助裝置應(yīng)用甚少。

五陽煤礦原煤提升主要采用斜井帶式輸送機(jī)輸送工藝，在主斜井布置一部DTL120/110/3×710S型鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)（見圖1），擔(dān)負(fù)主要提升任務(wù)。該段采用大坡度長距離皮帶，井筒傾角16°，全長1 283 m。

圖1 鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)

主斜井皮帶在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)滾筒膠皮開裂、驅(qū)動滾筒軸承斷裂等機(jī)械故障[1]，需要進(jìn)行包膠或更換滾筒作業(yè)。該皮帶接頭為硫化接頭，和普通的織物整芯膠帶不同，無法采用打開接頭卡的方法使得皮帶分離，留出檢修空間。傳統(tǒng)檢修采用人工上倒鏈，將松弛后的皮帶向檢修位置拖動直到留有足夠余量，然后將皮帶用倒鏈吊起，創(chuàng)造出足夠的檢修空間，工人才能進(jìn)入空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。這種拖帶工藝，需要20人用時(shí)4 h方可將皮帶拉至指定位置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為提高輔助作業(yè)效率，該礦設(shè)計(jì)了一種液壓拉帶裝置應(yīng)用于井下，本文對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)敘述。

1 液壓拉帶裝置的結(jié)構(gòu)原理

液壓快速拉帶裝置是利用油泵提供高壓油液，實(shí)現(xiàn)油缸往復(fù)運(yùn)動，從而帶動夾帶器進(jìn)退，完成皮帶的上拉作業(yè)。

1.1 機(jī)械單元結(jié)構(gòu)

機(jī)械單元由快速夾帶器（固定、移動）、導(dǎo)軌、鎖緊碟簧、連接附件四部分組成，主要用于快速夾緊皮帶，以及實(shí)現(xiàn)拉力油缸在導(dǎo)軌上的來回移動（見圖2）。

圖2 液壓拉帶裝置機(jī)械單元

1.2 液壓單元結(jié)構(gòu)

液壓單元由閥控系統(tǒng)（液壓泵站）、拉力油缸（油缸行程500 mm）、開啟油缸、液壓連接附件組成。主要用于控制拉力油缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)皮帶的移動，以及控制快速夾帶器的開啟油缸，使夾帶器鎖緊碟簧實(shí)現(xiàn)夾緊和松弛皮帶。

1.3 電氣單元

電氣單元由電氣控制柜、信號傳感器、電氣連接附件組成。主要用于給液壓站電機(jī)提供動力電源，同時(shí)也是整個(gè)裝置的信息收集與處理中心，負(fù)責(zé)快速夾帶裝置開閘和鎖緊信號的反饋。

1.4 運(yùn)行機(jī)制

首先，在距離機(jī)頭約100 m的位置，將液壓拉帶裝置固定架用螺栓固定在皮帶架上，固定端用螺栓固定在軌道上，油缸缸底用銷軸與皮帶架鉸接連接。其次，將待拖行皮帶置于夾帶裝置夾縫中。松開主斜井皮帶機(jī)尾張緊油缸，開啟皮帶機(jī)尾液壓站，縮機(jī)尾約3 m，保障皮帶處于松弛狀態(tài)，開啟夾帶裝置油泵。通過控制電磁閥，將固定端快速夾帶器和移動端快速夾帶器同時(shí)鎖緊皮帶。啟動固定端夾緊器開閘按鈕，使其開閘。啟動牽引按鈕，使拉力油缸向前牽引皮帶。待拉力油缸到達(dá)最大行程時(shí)，啟動固定端快速夾緊器合閘按鈕，使固定端快速夾緊器合閘。待固定端快速夾緊器完全鎖緊后，啟動移動端快速夾緊器開閘按鈕，使移動端快速夾緊器開閘。一次夾帶向前拖帶500 mm，為一個(gè)循環(huán)。如此反復(fù)操作，直到將皮帶向前拖行約6 m，完成拉帶作業(yè)。

2 夾帶裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 油缸參數(shù)的確定

DTL120/110/3×710S型帶式輸送機(jī)的皮帶寬度為1 200 mm，單位長度質(zhì)量M=44.9 kg/m。皮帶全長L=1 283 m，其中平段L1=100 m、上坡段L2=1 183 m。夾帶裝置拖行皮帶初始位置時(shí)，有如下計(jì)算：

待拖行皮帶處于上坡段的長度l1=L2-100=1 083 m（裝置距離機(jī)頭100 m）；平段待拖行皮帶重力G1=m1g=ML1g≈44kN；上坡段待拖行皮帶重力G2=m2g=Ml1g≈476.5 kN。

平段所受摩擦力f1=μG1，膠帶的材料大多為橡膠，托輥的材料為鋼，兩者之間的靜滑動摩擦系數(shù)為0.9，動摩擦系數(shù)一般為0.6～0.8，故取μ=0.7，計(jì)算得f1=30.8 kN，水平向左；由于坡傾角為16°，故裝置拖動水平段所需的作用力F1=f1/cos16°≈32 kN；上坡段所有皮帶摩擦力f2=μG2cos16°≈321 kN；裝置拖動上坡段所需的作用力F2=G2sin16°+f2≈452 kN；故裝置拖動皮帶所需最大作用力F=F1+F2≈484 kN。

考慮到安全系數(shù)K=1.2，單根油缸的拉力F拉=1/2KF=290.4 kN。泵站液壓油壓力為31.5 MPa，根據(jù)MT/T 94—1996標(biāo)準(zhǔn)，可選擇油缸參數(shù)為桿徑85 mm、內(nèi)徑140 mm，在額定壓力下其拉力為306 kN。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸確定

根據(jù)所需最大作用力F=484 kN，單個(gè)碟簧所提供的壓力N，皮帶與夾板接觸面數(shù)n=2，碟簧個(gè)數(shù)z=2。故有F=μ1Nnz，取摩擦系數(shù)μ1=0.9，于是求得N≈134 kN。考慮安全系數(shù)K1=1.2，碟簧提供的壓力至少約為161 kN。故可選擇20 t碟簧（見圖3）。

根據(jù)碟簧參數(shù)可知，其直徑為200 mm，皮帶寬1 200 mm。

圖3 夾帶機(jī)構(gòu)截面視圖（單位：mm）

3 有限元分析

3.1 主體有限元分析

對拉帶裝置主體進(jìn)行受力分析，對固定架底面施加約束，同時(shí)給固定端施加向后的力484 kN，如圖4所示為其受力云圖，由于固定端使用材料Q460，屈服強(qiáng)度σs=460 MPa，許用應(yīng)力。受力云圖顯示其最大應(yīng)力為236.5 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，符合要求[2]。

圖4 拉帶裝置主體受力（MPa）云圖

3.2 連接耳有限元分析

對拉帶裝置活動端耳板進(jìn)行受力分析[3]，由于拉帶過程中裝置處于平衡狀態(tài)，故將其背面施加約束，同時(shí)給四對耳板鉸接孔施加力484 kN，如圖5所示為其受力云圖，由于活動端使用材料Q460，屈服強(qiáng)度σs=460 MPa，許用應(yīng)力。受力云圖顯示其最大應(yīng)力為267.2 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，符合要求。

圖5 拉帶裝置活動端耳板受力（MPa）云圖

4 結(jié)語

針對井下大坡度皮帶檢修作業(yè)的困難，筆者與團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了DTL120/110/3×710S帶式輸送機(jī)的液壓拉帶裝置，從結(jié)構(gòu)原理、尺寸設(shè)計(jì)到有限元分析，驗(yàn)證了該裝置的合理性。裝置在使用過程中，達(dá)到了減員增效的實(shí)際效果。用機(jī)械代替人力，不僅降低了勞動強(qiáng)度，而且提高了檢修作業(yè)安全性。本次設(shè)計(jì)，可以為其他型號輸送機(jī)拉帶裝置提供變型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，是礦井輔助作業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化探索的一個(gè)成功案例。