帶式輸送機快速換帶系統的設計及應用

李志剛

（大運華盛老窯溝煤業有限公司， 山西 寧武 036700）

0 引言

現如今，帶式輸送機已經成為煤礦井下不可缺少的關鍵運輸設備，然而在帶式輸送機運行過程中，其膠帶難免會出現刮痕、磨損甚至斷裂的情況[1]。所以，為了確保井下的安全正常生產，要對帶式輸送機的膠帶進行階段性更換。但是如今井下采用裝置系統進行帶式輸送機膠帶更換方式的仍然占少數，大多通過人工進行換帶。考慮到井下作業空間的特殊性，經由人工進行換帶的作業方式耗費時間較長，耽誤井下的運輸生產進度，并且工人的作業安全也得不到保障，導致煤礦企業面臨巨大的利益損失。因此，對帶式輸送機快速換帶系統的設計就顯得十分有必要，這也為井下的安全高效生產提供了有力的設備支持。

1 帶式輸送機換帶方式存在的問題

在運輸過程中，帶式輸送機主要依靠皮帶與煤和物料之間的摩擦來完成相應的運輸工作，因此輸送帶是輸送物料、實現運輸的關鍵結構[2]。同時，設備工作時，托輥與皮帶、輸送滾筒與皮帶之間存在一定的摩擦，在長期的生產和運輸過程中會使皮帶輸送機磨損、劃傷，甚至因鋼絲繩腐蝕而導致皮帶斷裂。

以上的種種現象為帶式輸送機的運行留下了一定的安全隱患，大大降低了膠帶原有的使用壽命，所以本著井下安全生產的原則，務必要對帶式輸送機的膠帶按時進行更換。但是，井下可供工人作業的空間是十分有限的，再加上環境的惡劣復雜性，使得輸送機的換帶過程變得十分困難。現階段，國內大部分礦井仍然采用人工方式進行換帶，將舊的膠帶換下后，又需要將新的膠帶在輸送機上完整鋪好，使其與舊接口通過熱硫化方式實現對接。考慮到帶式輸送機的布置長度一般較長，且存在一定的傾斜角度，再加上膠帶自身的重量也不輕，因此在對輸送機采用人工方式進行換帶時，需要7～10 個工作日才能完成。在此期間，地下開采工作面必須完全關閉，這大大推遲了企業的生產進度。基于上述問題，本文設計了帶式輸送機快速換帶系統，并將其應用于現場工業。

2 帶式輸送機換帶系統的設計方案

2.1 帶式輸送機換帶裝置的設計

為了解決傳統的輸送機換帶方式存在的弊端，本著機電液一體化的研究理念，設計了帶式輸送機換帶系統，如圖1 所示為整體換帶過程的主要示意圖。

圖1 帶式輸送機換帶系統

根據履帶行駛控制系統的設計靈感，研制出了該系統的換帶裝置，其主要動力來源為液壓泵站，換帶裝置的具體結構由液壓油缸、皮帶傳動結構、導向結構和機架支撐結構組成。同時與電控柜配套，實現換帶裝置的智能控制，以達到換帶的快速化以及自動化效果。帶式輸送機的換帶裝置充分結合了履帶式設計系統的優點，即運行速度快、穩定，皮帶接觸面積大，在液壓缸的驅動下，換帶裝置的履帶被迫壓緊，這樣履帶在減速器的作用下向前推進，利用皮帶與履帶之間產生的摩擦，回收輸送機的舊皮帶。此外，為了使換帶流程可以順利進行，在帶式輸送機的尾部還安裝了卷簾，使整個帶式輸送機在更換皮帶的過程中不需要停機，這也進一步減少了換帶耗費的時間，增加了煤礦企業的生產效率。

2.2 換帶系統液壓部分的設計

截至目前，國內絕大多數煤礦企業的液壓泵站都采用的是手動控制或者自動控制的方式，以上均具有皮帶收回和更換功能[3]。本研究設計的換帶裝置液壓系統主要由液壓泵站、輸送管道等結構組成。該系統的主要功能是為皮帶更換裝置提供動力。它可以實現電能到壓力能再到機械能的轉換。產生的能量足以滿足皮帶更換裝置的需要。液壓系統可細分為皮帶輸送系統和壓榨系統。它們來自同一個電源，可以通過相應的組件完成線性動作和旋轉動作。

液壓傳動系統的電路又分為皮帶繃緊電路和傳動電路。其中，傳動電路是在履帶對膠帶進行加壓時，通過電機的轉動將膠帶和履帶間互相接觸產生的摩擦力轉為驅動力。該回路通過電磁閥回路實現了與液壓馬達進出油口的連接，同時也可以通過調節閥來調整對進油管和液壓系統之間的電流控制。而皮帶繃緊電路則是通過升降的動作來控制履帶裝置，進而達到夾帶以及松帶的效果，并且該回路利用電磁閥來與液壓雙向鎖緊閥連接，從而能夠壓緊膠帶使其在初始位置不發生位移。

3 帶式輸送機換帶系統的建模分析

為進一步證明該換帶系統的可行性，本文中使用了SolidWorks 模型軟件，對帶式輸送機的換帶裝置模型進行了建立，如圖2 所示為主要的建模流程示意圖。此外，又按照實際的設計參數對架體底座和發動機鏈輪等進行了三維或立體模型的構建，將所有部件的三維模型都建立好之后，再利用SolidWorks 軟件通過自下而上的方法，將每個部件都完成了組裝。但考慮到本文中所包含的裝配零部件數量較多，所以通過自下而上的裝配方式可以先裝配再進行約束。

圖2 零部件建模流程

在建模工作完成后，又采用ANSYS 軟件對模型進行有限元分析。把已經裝配好的三維立體模型導入ANSYS 軟件中展開進一步的優化分析，具體參數優化數據如表1 所示。從表1 中可以發現，對于換帶裝置的重要設備，其在進行優化前后的數值大小幾乎保持一致，如最大應力、最大位移以及最大應變等。然而換帶裝置的質量從189.35 kg 減少到103.65 kg，可以看出優化的效果還是較明顯的。由此可以發現，在關鍵參數幾乎不變的情況下，相應的作用力與作用效果也會發生改變，然而卻在很大程度上降低了裝置的使用材料，節約了經濟成本。同時，經由運動學的仿真模擬分析后，可以發現換帶系統在整體運行的過程中，其部件的受力情況、速度、位移以及加速度等都符合預期，驗證了該系統在輸送機換帶工作中的可行性。

表1 換帶裝置優化前后結果分析

4 帶式輸送機換帶系統的現場應用

本文設計帶式輸送機換帶系統的目的就是提高井下輸送機膠帶的更換效率，保障井下的安全正常生產，因此將所研制的換帶系統在山西某礦進行了工業性試驗應用。在此之前，該礦從未使用過任何換帶系統，人工換帶周期為3 個月，每次更換膠帶至少要耗費7 個工作日。如圖3 所示為現場經過實地考察后的帶式輸送機換帶系統的布置。

圖3 帶式輸送機換帶系統的布置

在系統布置完成后，對其應用效果進行了分析。在試驗前，把整個換帶系統以及與之配套的控制裝置安放在運輸大巷周圍，并且采用固定裝置對換帶系統整個機械結構進行固定。之后將液壓油缸通過快速接頭連接到一塊，將液壓油注滿油箱，調節系統的壓力，以完成系統啟動前的準備。在允許啟動后，打開電控柜控制履帶機構來對帶式輸送機上的舊膠帶進行收卷動作，并在另一側和新膠帶進行硫化連接，使得新膠帶可以完整地鋪設到輸送機上，從而達到帶式輸送機快速換帶的目的。通過現場的成功應用，進一步證實了研制的輸送機換帶系統在運行過程中的平穩性以及可靠性，大大降低了技術人員的作業強度，降低了換帶時間的同時又提高了企業的生產效率。