董聰健

山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司賀西礦 山西 呂梁 032300

帶式輸送機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的主要機(jī)械設(shè)備，其在運(yùn)行過(guò)程中的高效節(jié)能性能直接影響到煤礦企業(yè)的安全經(jīng)濟(jì)性[1]。目前帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)偏保守，主要是在計(jì)算得到額定工作量的基礎(chǔ)上，乘以一個(gè)安全系數(shù)作為最終的設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)。該方式設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有較大的額定工作量，應(yīng)對(duì)設(shè)備空載和少載運(yùn)行工況時(shí)不可避免出現(xiàn)能耗增加，從而導(dǎo)致輸送機(jī)整體運(yùn)輸效率較低，不利于煤礦企業(yè)節(jié)能減排方針的實(shí)施。此外，從輸送機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方面而言，長(zhǎng)距離輸送需要較大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率和高強(qiáng)度的輸送帶，而輸送機(jī)膠帶目前常規(guī)使用的是國(guó)產(chǎn)整芯阻燃膠帶。這類膠帶整體機(jī)械強(qiáng)度性能較低，接頭效率偏低，從安全性和經(jīng)濟(jì)性方面嚴(yán)重阻礙了長(zhǎng)距離、大運(yùn)量輸送機(jī)的大規(guī)模投產(chǎn)使用[2-3]。

為解決這一技術(shù)難題，通過(guò)在普通帶式輸送機(jī)上增加幾組同結(jié)構(gòu)、縮小版的驅(qū)動(dòng)裝置組合使用，構(gòu)成了線摩擦帶式輸送機(jī)。線摩擦帶式輸送機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于它的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于兩方面：一是位于機(jī)頭或機(jī)尾的驅(qū)動(dòng)裝置；另一方面是位于中間部位的多組驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)中間多組驅(qū)動(dòng)器的協(xié)調(diào)作用，極大的降低了機(jī)頭或機(jī)尾主驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)功率，避免長(zhǎng)時(shí)間處于高功率運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到降低能耗的目的[4]。此外，通過(guò)中間驅(qū)動(dòng)器的增加，減小了物料在運(yùn)輸過(guò)程中的轉(zhuǎn)載次數(shù)，空載和少載時(shí)緩解了膠帶的強(qiáng)張力運(yùn)行狀態(tài)，延長(zhǎng)了輸送機(jī)膠帶的使用壽命[5]。本文通過(guò)對(duì)線摩擦帶式輸送機(jī)中間驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，提高其增壓裝置的牽引力，進(jìn)一步提高輸送機(jī)的運(yùn)輸效率，降低能耗與設(shè)備維修成本，為類似煤礦井下運(yùn)輸提供借鑒。

1 線摩擦帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

1.1 線摩擦帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

線摩擦帶式輸送機(jī)是一種基于常規(guī)帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)的一種新型輸送機(jī)，在常規(guī)帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一組或幾組同結(jié)構(gòu)、縮小版的中間驅(qū)動(dòng)器（輔機(jī)），機(jī)頭或機(jī)尾為主驅(qū)動(dòng)機(jī)，主驅(qū)動(dòng)機(jī)上連接著承載帶；中間驅(qū)動(dòng)器為輔助驅(qū)動(dòng)機(jī)，連接的是傳動(dòng)帶。雙機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)“主-輔”雙機(jī)協(xié)同驅(qū)動(dòng)。線摩擦帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 線摩擦帶式輸送機(jī)的特點(diǎn)

線摩擦帶式輸送機(jī)在常規(guī)帶式輸送機(jī)的承載帶下，沿承載帶的延伸方向進(jìn)行多點(diǎn)鋪設(shè)輔助驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)承載帶與傳動(dòng)帶間的線摩擦形式進(jìn)行動(dòng)力傳輸。隨著輔助驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行，線摩擦帶式輸送機(jī)的承載帶張力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，承載帶機(jī)械強(qiáng)度合理控制在其最大機(jī)械強(qiáng)度之下，承載帶與傳動(dòng)帶均處于彈性變形階段，利于輸送機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)距離、大運(yùn)量運(yùn)輸。

1.3 線摩擦驅(qū)動(dòng)裝置的布置

線摩擦帶式輸送機(jī)根據(jù)井下運(yùn)輸線路的變化，其布置方式一般分別直線段布置和曲線段布置。其中直線段布置時(shí)承載帶與傳動(dòng)帶間摩擦動(dòng)力傳輸較為穩(wěn)定；而曲線段布置根據(jù)其彎曲形式可分為兩種，如圖2所示。圖（a）中為凹弧段，當(dāng)承載帶與傳動(dòng)帶間的摩擦位置沒(méi)有負(fù)載或是物料時(shí)，可由摩擦產(chǎn)生的傳輸動(dòng)力就會(huì)非常小，對(duì)整個(gè)傳送機(jī)運(yùn)輸是不利的；而圖（b）中為凸弧段，當(dāng)承載帶與傳動(dòng)帶間的摩擦位置承載物料時(shí)，由摩擦產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力與皮帶初始張力會(huì)逐漸增加，在傳送帶凸弧位置會(huì)造成應(yīng)力過(guò)高，皮帶局部會(huì)出現(xiàn)過(guò)度磨損現(xiàn)象。因此，針對(duì)上述二者在使用過(guò)程中的特殊工況，需要對(duì)摩擦驅(qū)動(dòng)器增設(shè)增壓裝置。

圖2 帶凸凹弧段線摩擦帶式輸送機(jī)

2 增壓裝置的設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)在普通線摩擦帶式輸送機(jī)上增加一個(gè)重量信號(hào)獲取器，根據(jù)重量信號(hào)獲取器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行及時(shí)增減壓力進(jìn)行動(dòng)力傳輸。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。在輸送機(jī)運(yùn)輸過(guò)程中，重量信號(hào)獲取器測(cè)得皮帶上方物料的瞬時(shí)重量后，將數(shù)據(jù)傳輸至已經(jīng)設(shè)置額定數(shù)值的控制器中，控制器將傳輸數(shù)值與額定數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。若數(shù)值出現(xiàn)偏差，控制器將信號(hào)繼續(xù)傳輸至伺服機(jī)中，電機(jī)帶動(dòng)增壓器進(jìn)行增壓或減壓。同時(shí)，壓力傳感器接收壓力信號(hào)后進(jìn)行二次傳輸，再次將信號(hào)反饋回控制器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的反饋并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)二次校驗(yàn)。

2.2 帶邊增壓方式

根據(jù)上圖3所示的線摩擦帶式輸送機(jī)增壓裝置整體設(shè)計(jì)圖，提出一種帶邊增壓方式，其結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，該方式最主要的優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)井下實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行增壓調(diào)節(jié)。其工作原理是通過(guò)重量信號(hào)獲取器得到皮帶運(yùn)輸?shù)乃矔r(shí)重量與額定數(shù)值進(jìn)行比較后，由控制器將信號(hào)傳遞至電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)桿由齒輪動(dòng)力進(jìn)一步傳遞。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓兩旁彈簧并推動(dòng)金屬管擠壓承載帶，使承載帶向下方凹陷與傳動(dòng)帶緊密貼合，增大二者間的摩擦力，實(shí)現(xiàn)增壓過(guò)程。

3 增壓裝置仿真分析與應(yīng)用

3.1 仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置

利用ANSYS仿真軟件建立線摩擦帶式輸送機(jī)數(shù)值計(jì)算模型，如圖5所示。根據(jù)井下工況進(jìn)行模型賦參，對(duì)托輥以及帶邊增壓中的帶邊輪進(jìn)行位移約束，具體如表1所示。此外，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸送機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，傳動(dòng)帶和承載帶兩端張力分別賦值24294N、25578N和49978N、 49323N。

表1 模型參數(shù)

圖5 帶邊增壓仿真模型

3.2 不同工況下總變形分析

線摩擦帶式輸送機(jī)在運(yùn)行時(shí)主要有兩種工況，一種為無(wú)載運(yùn)輸，另一種則為有載運(yùn)輸。根據(jù)兩種不同的工況條件，利用仿真模型進(jìn)行計(jì)算，不同工況條件下輸送帶的總體變形如圖6所示。由圖可知，采用帶邊增壓方式后輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)載和有載兩種情況均會(huì)導(dǎo)致帶邊輪和輸送帶接觸的局部發(fā)生大變形，其中在無(wú)載時(shí)最大變形量約為0.018m，而有載時(shí)最大變形量約為0.022m。由此說(shuō)明，帶邊增壓方式可明顯調(diào)整由于線摩擦形式帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)力不足的現(xiàn)象，有利于輸送機(jī)的運(yùn)輸。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)井下生產(chǎn)工作面生產(chǎn)能力對(duì)線摩擦帶式輸送機(jī)運(yùn)輸煤炭的重量進(jìn)行計(jì)算，并在重量信號(hào)獲取器進(jìn)行設(shè)定（定值為560N）。線摩擦輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重量信號(hào)獲取器測(cè)得皮帶上方物料的瞬時(shí)重量后與設(shè)定值560N進(jìn)行比較，由控制器將信號(hào)繼續(xù)傳輸至伺服機(jī)中，電機(jī)帶動(dòng)增壓器進(jìn)行增壓。在此過(guò)程中，無(wú)載和有載兩種情況下，都能在重量信號(hào)獲取器的作用下達(dá)到設(shè)定值，從而滿足使用需求。

4 結(jié)論

（1）線摩擦帶式輸送機(jī)在凹弧段運(yùn)輸時(shí)，承載帶與傳動(dòng)帶間的摩擦位置沒(méi)有負(fù)載，由摩擦產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力不足，影響傳動(dòng)效果；在凸弧段運(yùn)輸時(shí)，承載帶與傳動(dòng)帶間的摩擦位置由于負(fù)載作用，造成皮帶張力增加，出現(xiàn)過(guò)度磨損現(xiàn)象，影響皮帶使用壽命。

（2）對(duì)摩擦帶式輸送機(jī)增設(shè)增壓裝置后，增壓器可根據(jù)皮帶承載載荷大小自主調(diào)整承載帶與傳動(dòng)帶間的摩擦力，改善驅(qū)動(dòng)力不足，延長(zhǎng)皮帶使用壽命，利于線摩擦帶式輸送機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)距離、大運(yùn)量運(yùn)輸。