岳彥博

摘 要 鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)具有運行阻力小、運行平穩(wěn)、可以實現(xiàn)人機(jī)兩運等優(yōu)點，在煤礦運輸中應(yīng)用廣泛。但運行過程中也暴露出很多問題，如果強(qiáng)制淘汰將其更新為強(qiáng)力帶式輸送機(jī)，施工時間長，資金投入大。但如果能對現(xiàn)有的鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)進(jìn)行針對性的升級改造是最可行的方案。本文以某礦井的鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)運輸系統(tǒng)為例，對驅(qū)動繩輪運用三維仿真技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，對制動系統(tǒng)及其配套電控系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，提高部件的壽命和系統(tǒng)的安全可靠性。

關(guān)鍵詞 鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)；驅(qū)動繩輪；自冷盤式制動裝置；電控系統(tǒng)

中圖分類號 TD52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）12-0092-02

某礦井設(shè)計生產(chǎn)能力0.9Mt/a，主暗斜井安裝一部B=1 000mm鋼絲繩牽引膠帶輸送機(jī)，傾角17.5°，主要擔(dān)負(fù)原煤、矸石、人員運輸?shù)热蝿?wù)，輸送機(jī)主要由驅(qū)動裝置、導(dǎo)繩輪、卸載裝置、分繩裝置、輸送帶、牽引鋼絲繩、裝載裝置、支承裝置、拉緊裝置等部件組成。其工作原理為：兩根無極鋼絲繩分別繞過驅(qū)動滾筒和輸送機(jī)尾部的拉緊輪，輸送帶以其兩側(cè)上下沿輸送帶全長都有的特制雙面耳槽，搭在兩根鋼絲繩上，之后隨之一系列動作，給料機(jī)將物料通過輸送帶進(jìn)行運送，最后通過卸載裝置卸下。該系統(tǒng)使用過程中暴露出以下問題。1）驅(qū)動繩輪的使用壽命較短，維修費用高，要保證它的安全運轉(zhuǎn)，需要投人較多的資金。2）只在高速軸處安裝了推桿制動器，只能實現(xiàn)停機(jī)后的定車功能，不能實現(xiàn)工作制動，制動時對設(shè)備的機(jī)械部分造成較大沖擊。

針對以上問題，本文運用等應(yīng)力理論，對驅(qū)動繩輪運用有限元分析方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到使各個截面的最大應(yīng)力均在接近許用應(yīng)力的范圍內(nèi)使用，使得工程機(jī)械材料合理利用，同時實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計；同時對制動系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，采用了自冷盤式制動裝置，通過配套液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)形成一套機(jī)電液一體化的自動制動系統(tǒng)，大大提高了制動可靠性和安全性。

1 驅(qū)動繩輪的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化

本系統(tǒng)使用摩擦式驅(qū)動繩輪，輪徑D=3 500mm，襯墊沿輪圈圓周拼裝。為了在井下方便運輸，將驅(qū)動繩輪分成兩瓣制作，由絞制孔螺栓將兩瓣輪體連接。使用ANSYS Workbench14.5軟件對其進(jìn)行有限元分析。

1.1 模型的前處理

驅(qū)動繩輪為Q235鋼板焊接而成的焊接件，在ANSYS Workbench14.5中設(shè)置材料特性如下，其屈服強(qiáng)度，彈性模量，抗拉強(qiáng)度，泊松比。

本文先在Solidworks2015軟件中建模，然后將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench14.5軟件中，從Solidworks2015軟件導(dǎo)入ANSYS Workbench14.5軟件之后，采用自動劃分網(wǎng)格的方法劃分的有限元模型。

設(shè)置合適的接觸對是對裝配體進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵。ANSYS Workbench中的接觸對有Bonded（綁定），No Separation（不分離），F(xiàn)rictionless（無摩擦），Rough（粗糙）和Frictional（有摩擦）五種形式。Bonded，即綁定約束，可將接觸區(qū)域看作被連接在一起，不允許面或線間有相對滑動或分離。除此以外，No Separation為不分離約束，F(xiàn)rictionless為無摩擦約束，Rough為粗糙約束，表現(xiàn)為完全的摩擦接觸，F(xiàn)rictional為有摩擦約束。驅(qū)動繩輪為Q235鋼板焊接而成的焊接件，所以，使用Bonded（綁定）接觸形式，用來模擬在焊接未失效之前，兩焊接表面之間沒有相對滑動或分離的接觸關(guān)系。

對驅(qū)動繩輪與主軸接觸的面施加固定約束，對驅(qū)動繩輪與鋼絲繩接觸的面施加壓力，對驅(qū)動繩輪施加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。

1.2 結(jié)果后處理

驅(qū)動繩輪的最大變形為0.259 6mm，位置在驅(qū)動繩輪與鋼絲繩接觸的中間位置附近，驅(qū)動繩輪在鋼絲繩圍包的驅(qū)動力作用下，產(chǎn)生向直徑方向上的擠壓變形，圓周上的焊接槽鋼也在向心的拉力作用下產(chǎn)生變形，變形從鋼絲繩包圍的邊緣向中心累加，在中間位置處達(dá)到最大，在0.25mm左右。

圖1所示上下圖為從不同方向上看去得到的驅(qū)動繩輪的等效應(yīng)力云圖，可以看到，驅(qū)動繩輪的最大等效應(yīng)力值為58.74MPa，位置在驅(qū)動繩輪與鋼絲繩接觸的中間位置附近。圓周上焊接的槽鋼的等效應(yīng)力大部分在13MPa～58MPa之間，材料得到了充分的利用，符合等應(yīng)力理論設(shè)計的原則。

2 自冷盤式制動裝置的應(yīng)用

低速軸制動器采用制動力矩可調(diào)的低速軸自冷盤式可控制動裝置，以滿足輸送機(jī)正常停車、緊急停車和定車作用。制動器須具備以下技術(shù)特點：1）使輸送機(jī)停車減速度保持在0.05m/s2～0.3m/s2范圍內(nèi)；2）最大制動力矩整定方便；3）控制或拖動系統(tǒng)突然斷電或保護(hù)停車指令發(fā)出時能可靠制動直至平穩(wěn)停車；4）每小時制動達(dá)10次，制動盤表面溫度小于150℃；5）打滑檢測、超速和保護(hù)功能較為完善和先進(jìn)；6）液壓系統(tǒng)的工作可靠性比較高，且便于調(diào)試和、安裝方便；7）與電控裝置配合，可以可控重載起動。

2.1 自冷盤式制動裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

自冷盤式可控制動裝置主要由制動盤，液壓制動器（含活塞、閘瓦、彈簧等），底座，液壓站等組成，其制動力由閘瓦與制動盤之間的摩擦產(chǎn)生的。由此可知，當(dāng)調(diào)節(jié)閘瓦對制動盤的正壓力時，其制動力也會隨之改變。而制動器正壓力的大小與油壓P與彈簧的作用結(jié)果相關(guān)，當(dāng)機(jī)電設(shè)備正常工作時油壓P達(dá)最大值，正壓力N為0，且閘瓦與制動盤間留有1mm～1.5mm的間隙，此時制動器處于松閘狀態(tài)。當(dāng)機(jī)電設(shè)備需要制動時，根據(jù)工況和指令情況，電液控制系統(tǒng)將按預(yù)定的程序自動減小油壓以達(dá)到制動要求。

2.2 制動器的液壓站

液壓控制系統(tǒng)采用雙回路工作方式，雙路控制系統(tǒng)完全對稱，一套工作一套備用。主要包括電動機(jī)、液壓泵、溢流閥、安全閥、電液比例閥、濾油器等組成。當(dāng)鋼纜機(jī)系統(tǒng)起動時，直流驅(qū)動電機(jī)首先起動，當(dāng)直流主電機(jī)電流達(dá)到憋閘電流時，電機(jī)已經(jīng)帶載，此時開制動器，鋼纜及不會下滑，制動器電控收到起動指令后，首先起動泵電機(jī)，如果系統(tǒng)選擇的是1號系統(tǒng)工作，2號系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)，則1號電磁閥送電，開始升壓，當(dāng)電液比例閥的給定信號越來越大系統(tǒng)壓力逐漸升至額定壓力，系統(tǒng)制動器打開，直流主電機(jī)開支逐漸提高帶速，直至最終起動完成；系統(tǒng)正常停車時：當(dāng)主電機(jī)速度降到0.2m/s時，停泵電機(jī)，1號電磁閥斷電，比例閥控制信號清零，制動裝置快速抱閘。

2.3 制動器自動控制系統(tǒng)

制動器電控系統(tǒng)主要由電源、可編程序控制器（PLC）、輸入輸出接口電路和比例驅(qū)動板組成。PLC是整個制動系統(tǒng)動作的控制核心，主要功能是接收鋼纜機(jī)集控系統(tǒng)發(fā)來的開機(jī)和停機(jī)指令，控制系統(tǒng)按照合理的減速度進(jìn)行制動，并具備自身的故障診斷功能。比例驅(qū)動板是信號放大機(jī)構(gòu)，它將PLC輸出的0～5V電信號變換成0～500mA的驅(qū)動電流信號，來控制電液比例閥動作。

4 結(jié)論和展望

經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化和改造后，系統(tǒng)運行一年有余，據(jù)現(xiàn)場反應(yīng)，驅(qū)動繩輪的故障率和維修率大大降低，設(shè)備無故障運行時間大大延長，由于采用了可控制動系統(tǒng)，制動減速度可控，不但減少了停機(jī)時的制動沖擊，還提高了乘人的舒適性。在后來該礦的另外幾條鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)的改造中，均采用了此方案，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益，建議以后繼續(xù)對托繩輪等大量使用的關(guān)鍵部件進(jìn)行研究，提高其使用壽命。

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