礦用皮帶機自動張緊裝置的設計及應用分析

＊郭 磊

（山西潞安化工集團能源事業部 山西 046204）

前言

對煤礦而言，其井上與井下的輔助運輸設備中最主要的就是皮帶機，由于煤礦領域發展較為快速，皮帶機水平與技術的發展速度也跟著提高了。在皮帶機內最關鍵的結構件為張緊裝置，該裝置的作用是保證皮帶的張緊力，讓驅動滾輪和皮帶間的摩擦力充足，防止打滑現象出現。為保證其張緊裝置可以更好地控制張力，張力裝置也從機械結構慢慢轉化成自動化結構，且該自動化結構為機電液一體化，能夠按真實需要來控制和調整皮帶張力，所有工況環境均能適應，進而使皮帶機可以可靠與穩定地運行。在本文中，將煤礦回采工作面順槽中應用的皮帶機當作研究對象，且該皮帶機是伸縮式的，將自動張緊裝置進行了研制，并在工程實踐內進行了使用，得知應用效果不錯，降低了設備發生故障的幾率，提高了煤礦的經濟與安全效益。

1.簡述皮帶機

將煤礦回采工作面順槽內應用的可伸縮皮帶機當作研究對象，且該皮帶機的型號為DSJ160/350/3×500，圖1為其結構圖。

圖1 可伸縮皮帶機的結構

從圖1發現，整個皮帶機是由托輥、張緊小車、儲帶倉、機頭驅動滾筒、機尾和機頭改向滾筒等構成的。儲帶倉是該型號皮帶機和一般皮帶機的主要區別，在皮帶機實施伸縮作業期間，能夠將剩余皮帶存儲至儲帶倉中。

驅動電機把動力直接傳輸至機頭的驅動結構內，利用摩擦力來帶動皮帶，使皮帶做出往返運動。其張緊小車主要保證皮帶中的張力充足，防止張力太大而導致斷帶現象出現或者張力太小而導致打滑現象出現。整個皮帶機的長度、寬度分別為3000m、1.6m，其皮帶的最大輸送量是3500t/h，運行速度是4m/s。

張緊小車作為關鍵結構件存在于可伸縮式皮帶機內，張緊小車結構的好與壞會對設備運行是否穩定有很大影響。應用到該煤礦的皮帶機之前，張緊小車的結構經常會造成使用期間發生故障，導致這種狀況出現的原因為不能有效控制其張力，張力不是太大，就是太小。為了將該問題解決，擬技術改造其張緊裝置，并對自動張緊裝置進行了設計，保證可以按照實際要求來自動調整其張力，使皮帶機可以穩定地運行，將設備發生故障的幾率降低。

2.設計自動張緊裝置的方案

和實際狀況相結合，圖2為自動張緊裝置的整體方案原理圖。從圖2發現，該裝置內張緊滾筒利用鋼絲繩、滑輪組來連接張緊小車，而且，分別將驅動電機、制動器安裝至張緊滾輪的左右兩側。將張力傳感器設置到鋼絲繩中，該傳感器能夠對張力所發生的變化進行監測。在得知張力變化明顯時，就會有指令從系統中發出，該指令可以對制動器進行控制，使制動器無法打開，繼而張緊滾筒隨著驅動電機的工作而轉動，利用鋼絲繩與滑輪組來將張緊小車帶動，啟動張緊小車，進而調整皮帶的張力。鋼絲繩中安裝的張力傳感器所檢測到的張力在合理范圍中時，就會關閉驅動電機，與此同時，張緊滾筒會被制動器所制動，防止出現旋轉，將張緊小車固定，這時新平衡就出現在了自動張緊裝置中。

圖2 自動張緊裝置的整體方案原理

將皮帶機工況劃分成停機、滿載運行、啟動這三個階段，上述階段中張緊小車對應的張力數值分別是290kN、321kN、450kN。為使系統可以穩定運行，張力傳感器所檢測出的數值最大占上述3個數值的110%，最小占90%時，那么就認為此時的張力是最佳的，不用再調整張力了。

3.自動張緊裝置關鍵構件的設計

(1)鋼絲繩型號的選擇

由于煤礦井下具有復雜的工作環境，應用到該裝置內的鋼絲繩所承受的工作載荷較大，所以要按照實際狀況來計算與分析鋼絲繩所承受的力，在這個基礎上來對鋼絲繩的型號進行確定。從圖2發現，應用到張緊小車的滑輪組為6倍的，經過測試得知，啟動階段張緊小車的受力大概是450kN，那么1根鋼絲繩所承受的力就是75kN。按照鋼絲繩所承受的力能夠將其最小直徑計算出來：

以上述結果為基礎，并按照GB/T 20118-2006中規定的能夠使用7×18型鋼絲繩，該型號鋼絲繩的公稱抗拉強度、最小破斷力與直徑分別是1770MPa、334kN、24mm，與實際應用的需求相符。

(2)設計滑輪的結構

滑輪結構所具有的作用就是定位鋼絲繩位置，利用滑輪結構來將鋼絲繩的力的方向改變，并對作用力進行承受。圖3即為滑輪結構的設計圖。從圖3發現，由夾角設置到線槽的左右兩側，按照所總結的經驗得知，夾角的取值范圍為15°～45°，在本研究內，所選取的β夾角的度數是25°。計算線槽曲率半徑的公式為：R=6d=14.4mm，名義上滑輪的直徑能夠按照以下公式進行計算：D≥20d=480mm。

圖3 滑輪結構設計圖

(3)設計張緊滾筒的結構

張緊滾筒所具有的作用就是纏繞鋼絲繩，所以在工作期間，需對載荷進行承受，圖4即為其結構圖。名義上張緊滾筒直徑能夠依據以下公式來進行計算，得出：D≥21d=504mm。按照計算結果把其取整名義直徑之后再設置成520mm。一般其滾筒壁厚和鋼絲繩的直徑一致就可以了，若鋼絲繩的直徑是24mm，那么所設置的滾筒壁厚和鋼絲繩直徑相同。按照實際狀況，來對張緊小車的實際行程進行確定，確定其行程是30m，按照滑輪組原理，就能將張緊滾筒中的容量進行計算，且計算結果是180m。依據式（2）來計算滾筒長度：

圖4 張緊滾筒的結構

式中，

Z表示每層的圈數；

n表示鋼絲繩所纏繞的層數；

P表示鋼絲繩間的距離。

將鋼絲繩所纏繞的層數n取值為5，相鄰鋼絲繩間的距離依據其直徑的1.1倍來進行取值。由于還需將別的配件安裝至張緊滾筒的左右兩側，所以，按照計算結果進行取整之后，把滾筒長度的取值設置成0.7m。

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4.分析自動張緊裝置的實際應用狀況

將DSJ160/350/3×500型伸縮式皮帶機使用到潞安化工集團某礦的工作面中，該型號皮帶機的張緊裝置所使用的機械結構是普通的，這就造成設備正常運行期間常常有故障出現，比如斷帶與打滑等，每停機與維修1次就會產生較大的經濟損失。所以，依據上述自動張緊裝置的設計方案，把該方案直接使用至此類皮帶機工程內，該裝置進行調試之后，可以確保運行正常之后直接投入至工程中使用，現在自動張緊裝置應用至工程內的時間大概需6個月。

經過觀察與記錄其使用狀況，得知自動張緊裝置的使用效果非常好。自動張緊裝置可以按照皮帶機真實狀況來控制與調整皮帶張緊力，進而可以將皮帶打滑及斷帶等常常產生的問題進行更好的解決。

在這應用的6個月時間內，斷帶與皮帶打滑等故障1次也沒有在設備中發生，大大降低了故障發生的幾率。故障發生的幾率大幅度下降，不僅使企業成本下降，還可以讓企業縮減維護人員的數量，大概縮減2名，那么1年就能夠將人力成本節省40萬元左右，加上維護保養過程中發生的材料費，那么，1年能夠將保養成本與維護成本節省70多萬元左右。

除此之外，由于皮帶機不間斷工作時間的持續延長，可以提高煤礦開采的效率，提高企業經濟效益。

5.結束語

將應用到煤礦回采工作面運輸順槽內的可伸縮式皮帶機當作研究對象，結構設計了皮帶機的自動張緊裝置，并將自動張緊裝置使用至工程實踐內，所取得的效果能夠符合預期。

最終得出的結論包括：整個自動張緊裝置的設計方案是由張緊滾筒、滑輪組、鋼絲繩等構成，通過對張力傳感器的利用，來檢測鋼絲繩的張力，當張力在合適范圍之外且較大時，電機能夠對張緊滾筒進行驅動，進而使張緊滾筒發生轉動，且調整張力；主要設計是對張緊滾筒、滑輪、鋼絲繩型號、結構尺寸的選擇；在皮帶機的真實時間內布置張緊裝置，通過現場實際使用，得知所取得的效果可以滿足需求，在這應用的半年內，打滑或斷帶等故障未在帶式輸送機中發生，這樣既可以將企業設備的保養與維護成本降低，還可以大幅度提高安全效益與別的經濟效益。