李璇

（江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校實(shí)訓(xùn)中心，江蘇徐州221000）

0 引 言

近年來我國煤炭礦井自動化與集成化程度不斷提高，煤炭的產(chǎn)量迅速提高，帶式輸送機(jī)被大范圍應(yīng)用在煤礦（露天礦及井下）生產(chǎn)中。但隨著煤炭產(chǎn)量的加大，帶式運(yùn)輸機(jī)有時會面臨運(yùn)轉(zhuǎn)速度高、承載拉力大的工況，存在發(fā)生斷帶事故的隱患，一旦事故發(fā)生即會在井下造成嚴(yán)重的安全問題[1-3]。

針對這種情況，目前國內(nèi)廠家紛紛開展帶式輸送機(jī)斷帶抓捕裝置的研究，以期達(dá)到帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)的目的。根據(jù)對現(xiàn)有斷帶保護(hù)器在礦山井下實(shí)際應(yīng)用的調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)一個普遍存在且亟待解決的問題，即斷帶抓捕裝置無法準(zhǔn)確判斷斷帶事故是否發(fā)生。這種情況可分為兩種：一是斷帶事故已經(jīng)發(fā)生，但斷帶抓捕裝置卻無法正常檢出；二是將輸送帶打滑逆轉(zhuǎn)誤判為斷帶，強(qiáng)行抓捕。前者起不到任何保護(hù)作用，后者則會將正常輸送帶扯斷，兩種情況均使斷帶抓捕裝置的作用大打折扣[4-5]。因此，本文提出了一種基于液壓傳動、可實(shí)現(xiàn)延時觸發(fā)的斷帶抓捕裝置，在確保不會誤抓捕的前提下，對帶式輸送機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與斷帶保護(hù)。

1 設(shè)計方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的延時觸發(fā)型帶式輸送機(jī)斷帶抓捕裝置的機(jī)械部分如圖1 所示，主要由抓捕油缸、動夾板、楔形定夾板、摩擦輪等部件組成。該裝置的抓捕動作是通過2個并聯(lián)的抓捕油缸驅(qū)動上、下動夾板，將上輸送帶挑起、下輸送帶下壓，進(jìn)而與固定在機(jī)架上的楔形定夾板相互作用，形成自鎖，最終對斷裂的輸送帶進(jìn)行面接觸摩擦制動。該摩擦力由動、定夾板作用于整個輸送帶上，既避免輸送帶的二次斷裂，又保證了足夠的制動力。其中，摩擦輪是延遲觸發(fā)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動元件，其隨著輸送帶的運(yùn)動而發(fā)生轉(zhuǎn)動并聯(lián)接雙向觸發(fā)液壓泵。

圖1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2 斷帶抓捕工作原理

本文所設(shè)計的斷帶抓捕裝置工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 抓捕工作原理示意圖

1）當(dāng)帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行時，上下動夾板5 位于兩輸送帶6 之間，且與輸送帶6 保持一定距離。摩擦輪7 緊貼于輸送帶6 的下方，隨著輸送帶6 運(yùn)動方向而轉(zhuǎn)動，這使得輸送機(jī)在正常狀態(tài)或是打滑狀態(tài)時，摩擦輪7 均為低速轉(zhuǎn)動，觸發(fā)機(jī)構(gòu)不動作，從而解決了因輸送帶打滑而出現(xiàn)誤抓捕的問題。

2）當(dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生斷帶時，摩擦輪7 隨輸送帶6 下滑方向的逆方向迅速轉(zhuǎn)動。此時觸發(fā)機(jī)構(gòu)開啟液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動抓捕油缸1 動作，抓捕系統(tǒng)中的動夾板5沿滑軌上下運(yùn)動，將上輸送帶挑起，下輸送帶下壓。

3）在被挑起的過程中，上輸送帶承載的物料在重力作用下自動下滑，達(dá)到清掃輸送帶的作用，避免抓捕時夾緊面混有煤粉造成的摩擦力減小現(xiàn)象，確保最終的抓捕效果。

4）液壓抓捕系統(tǒng)繼續(xù)動作，上下動夾板5 達(dá)到最終位置時，與機(jī)架上固定的楔形定夾板3 一起作用，夾緊斷裂的輸送帶。楔形裝置的自鎖特性使輸送帶6 的下滑越來越困難，以保證足夠的抓捕力。

1.3 楔形自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計計算

本文所設(shè)計的斷帶抓捕裝置機(jī)架的上下兩端安裝有楔形定夾板，其受力分析如圖3 所示。

若輸送帶與楔形定夾板未發(fā)生相對運(yùn)動，則表明楔形機(jī)構(gòu)形成自鎖，此時輸送帶和楔形定夾板沒有相對的滑動，則其自鎖條件則為：

式中：F23為輸送帶對楔形定夾板的摩擦力，N；N23為輸送帶對楔形定夾板的正壓力，N；F43為滑軌對楔形定夾板的摩擦力，N；N43為滑軌對楔形定夾板的正壓力，N；μ1為滑軌與楔形定夾板之間的摩擦因數(shù)；μ2為動夾板、楔形定夾板與輸送帶之間的摩擦因數(shù)；α為楔形定夾板的楔角。

圖3 楔形定夾板受力分析圖

可見，制動可靠性系數(shù)k是關(guān)于μ1、μ2的減函數(shù)、是關(guān)于μ2的增函數(shù)。因?yàn)棣?=tan φ1，μ2=tan φ2，μ3=tan α，且α、φ1、φ2全部在（0～π/2）的范圍內(nèi)取值，因此k是關(guān)于φ2的遞增函數(shù)，同時是關(guān)于α、φ1的遞減函數(shù)。

根據(jù)以上公式的推導(dǎo)分析得出以下的結(jié)論：應(yīng)該盡可能將φ1（楔形定夾板與滑軌之間的摩擦角）取小、φ2（楔形定夾板與輸送帶之間的摩擦角）取大；同時，楔形定夾板的楔角α的取值是保證楔形機(jī)構(gòu)形成牢固自鎖效果的關(guān)鍵[6]。

橡膠與橡膠之間的摩擦因數(shù)約為0.5，而橡膠與光滑的鋼板之間的摩擦因數(shù)較小，為0.35～0.40。因此，為增加定、動夾板與輸送帶之間的摩擦力，可在斷帶抓捕裝置的夾板上附上一層橡膠層。本文取μ1=0.05、μ2=0.4，從而可以得到：α≤arctan μ2-arctan μ1=arctan 0.4-arctan 0.05=18.94°。

因此，在設(shè)計時可取α=10°，以避免相對滑動發(fā)生在楔形定夾板和輸送帶之間。此時，自鎖機(jī)構(gòu)的可靠系數(shù)為k＝1.5。

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

斷帶抓捕裝置的液壓系統(tǒng)分別由抓捕機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)和觸發(fā)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)組成，這2 個液壓子系統(tǒng)相互協(xié)同，分別實(shí)現(xiàn)快速抓捕、提供足夠的抓捕力和準(zhǔn)確判斷斷帶、實(shí)施有效抓捕的功能。其液壓原理如圖4 所示。

圖4 液壓原理圖

2.1 觸發(fā)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

觸發(fā)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)由摩擦輪、觸發(fā)液壓泵、觸發(fā)油缸組成。如前文所述，摩擦輪14 緊密貼合于上輸送帶的下部，觸發(fā)液壓泵13 為雙向泵，觸發(fā)油缸12 內(nèi)設(shè)有彈簧，使活塞桿在初始狀態(tài)受壓處于收縮位置。當(dāng)輸送帶正向運(yùn)行或因打滑而短時逆向運(yùn)行時，摩擦輪14 亦隨之慢速轉(zhuǎn)動，進(jìn)而驅(qū)動其所聯(lián)接的觸發(fā)液壓泵13 慢速轉(zhuǎn)動，所產(chǎn)生的壓力不足以克服觸發(fā)油缸12 內(nèi)壓制活塞桿的彈簧阻力，活塞桿難以伸出，此時觸發(fā)機(jī)構(gòu)不動作。當(dāng)帶式輸送機(jī)出現(xiàn)斷帶事故時，斷裂輸送帶快速逆向運(yùn)動且保持一定時間，其帶動摩擦輪14 高速旋轉(zhuǎn)，摩擦輪14 則驅(qū)動觸發(fā)液壓泵13 快速轉(zhuǎn)動，此時觸發(fā)液壓泵13 產(chǎn)生的壓力可逐漸克服觸發(fā)油缸12 內(nèi)的彈簧阻力，使得活塞桿伸出，進(jìn)而推動抓捕機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中的二位四通換向閥8，所設(shè)計的斷帶抓捕裝置即實(shí)現(xiàn)抓捕動作。

2.2 抓捕機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

抓捕機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)由抓捕液壓泵、抓捕油缸、蓄能器、調(diào)速閥、二位四通換向閥、壓力繼電器等元件組成。當(dāng)帶式運(yùn)輸機(jī)安全運(yùn)行時，二位四通換向閥8 保持在右位，此時系統(tǒng)不需要大量油液，斷帶抓捕裝置待命，蓄能器5將抓捕液壓泵2 中輸出的所有油液存儲；當(dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生斷帶事故時，觸發(fā)油缸12 的活塞桿將二位四通換向閥8 推至左位，抓捕機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)開啟，此時蓄能器5 也會隨之開啟，可提供給兩并聯(lián)抓捕油缸11 短時大流量的油液，以實(shí)現(xiàn)抓捕油缸11 的快速動作；與此同時，2 個相同的調(diào)速閥10 保證兩并聯(lián)油缸11 同步動作[7]。值得說明是，在帶式輸送機(jī)正常狀態(tài)下，抓捕液壓泵2 在壓力繼電器7 控制下向系統(tǒng)間歇供油，蓄能器5 一直處于滿壓狀態(tài)；當(dāng)帶式運(yùn)輸機(jī)發(fā)生斷帶、系統(tǒng)需要大量油液時，蓄能器5 才會將儲備的大量油液快速釋放給系統(tǒng)。如此設(shè)計，可在生產(chǎn)制造時選取流量較小的抓捕液壓泵，以減少電動機(jī)功率消耗，并降低系統(tǒng)油溫。

3 結(jié) 語

目前市場上帶式輸送機(jī)斷帶抓捕裝置存在誤抓捕的弊端，針對這一問題，本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)延時觸發(fā)的新型斷帶抓捕裝置的設(shè)計方案。該方案將與觸發(fā)液壓泵相聯(lián)接的摩擦輪置于輸送帶下側(cè)并與輸送帶緊密貼合，當(dāng)帶式輸送機(jī)正向運(yùn)行或因打滑短時間慢速逆行的情況下，觸發(fā)液壓泵產(chǎn)生的壓力不足以觸發(fā)抓捕機(jī)構(gòu)；當(dāng)輸送帶因斷帶事故快速逆行時，此時觸發(fā)液壓泵可產(chǎn)生足夠的壓力觸發(fā)抓捕機(jī)構(gòu)，進(jìn)而抓捕機(jī)構(gòu)通過楔形自鎖裝置實(shí)現(xiàn)斷帶的抓捕。本文所設(shè)計的斷帶抓捕裝置結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)，可為現(xiàn)有斷帶保護(hù)裝置的設(shè)計方案提供優(yōu)化改良的方向。