鄔建雄

（國家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)皮帶機(jī)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

0 引言

目前國內(nèi)外礦用膠帶機(jī)均采用有基礎(chǔ)設(shè)計，機(jī)頭部位需要進(jìn)行水泥澆灌固定，工程量大且安裝回撤周期較長，礦井順槽膠帶機(jī)不同于固定膠帶機(jī)，其安裝回撤周期較短，在其使用周期內(nèi)需要進(jìn)行多次安裝和回撤，因此礦建和安裝回撤工程的費(fèi)用是不容忽略的費(fèi)用，而且工程周期長，也會在一定程度上影響生產(chǎn)接續(xù)，因此在該環(huán)境下研發(fā)無基礎(chǔ)順槽膠帶機(jī)，其設(shè)計的目的就是降低基礎(chǔ)礦建工程的成本，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的快速安裝回撤，縮短膠帶機(jī)安裝接續(xù)工期[1]。采用的辦法是在機(jī)頭、卸載、張緊部等受力點(diǎn)安裝液壓支撐單元，通過頂?shù)装逯g的壓力，產(chǎn)生水平方向上的摩擦阻力和逆止力，最終實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的無基礎(chǔ)安裝。注：該文中對快速拆裝自固定帶式輸送機(jī)簡稱為“無基礎(chǔ)膠帶機(jī)”。

1 可行性分析

國內(nèi)外長距離、大功率順槽帶式輸送機(jī)基礎(chǔ)均采用混凝土施工，基礎(chǔ)開挖量近千立方，巖石須運(yùn)往地面排放，澆筑混凝土約800m3，施工工期長達(dá)一個月，每部帶式輸送機(jī)基礎(chǔ)施工費(fèi)用約200萬元。為解決傳統(tǒng)工藝存在的問題，神東對順槽膠帶機(jī)安裝技術(shù)進(jìn)行深入研究和論證[2]。先研制了一臺帶式輸送機(jī)的無基礎(chǔ)卸載部，通過液壓支柱對巷道頂?shù)装宓膲毫χ畏绞教娲鷤鹘y(tǒng)的混凝土預(yù)埋地腳螺栓的安裝與固定，并配套了自動補(bǔ)液系統(tǒng)。2016年6月在大柳塔煤礦12315工作面工業(yè)試驗(yàn)取得了成功。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)順槽帶式輸送機(jī)整機(jī)安裝無基礎(chǔ)化，研究人員確定了以系統(tǒng)安全、快速拆裝、智能控制為主要技術(shù)突破口開展了研究工作，成功研制出快速拆裝自固定模塊化順槽帶式輸送機(jī)成套裝備。

2 實(shí)施方案和思路

在初期研究階段，確定了以液壓支柱作為主要受力點(diǎn)的支撐單元，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的無基礎(chǔ)設(shè)計，由于卸載部是膠帶機(jī)最大的受力點(diǎn)，因此卸載架的無基礎(chǔ)作為設(shè)計的重點(diǎn)。

2.1 方案一：油缸垂直支撐

在膠帶機(jī)的各個受力位置通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，將現(xiàn)有基礎(chǔ)底座與液壓油缸結(jié)合設(shè)計，立柱垂直支撐巷道的頂板和底板，使其與頂?shù)装瀹a(chǎn)生的摩擦力，實(shí)現(xiàn)固定，但是當(dāng)時主要考慮了液壓支撐單元的與膠帶機(jī)的結(jié)合設(shè)計方式，對各個點(diǎn)的受力分析沒有充足的分析和驗(yàn)證。

經(jīng)過對膠帶機(jī)各個受力點(diǎn)的受力方向和大小的研究，發(fā)現(xiàn)采用油缸垂直支撐安裝方式，不適用于所有位置，例如卸載部，所受的合張力方向始終沿著膠帶機(jī)的機(jī)頭至機(jī)尾方向，垂直支撐所需油缸工作阻力很大，支撐油缸要長期保證足夠的工作壓力；另外垂直支撐工作油缸不能承受的橫向力。

因此，綜合分析方案一在實(shí)際使用中存在安全隱患。

2.2 方案二：油缸垂直支撐和斜向支撐

根據(jù)受力分析，在卸載部、張緊部受力方向不發(fā)生變化的位置設(shè)計斜向支撐；在驅(qū)動部和卷帶機(jī)位置采用垂直支撐。利用液壓傾斜支撐頂板和底板，使其產(chǎn)生垂直于與頂?shù)装瀹a(chǎn)生的壓力以及水平方向分力，由于產(chǎn)生了2個不同的分力，提高了支撐效率，該方法有效地降低了無基礎(chǔ)膠帶機(jī)系統(tǒng)對液壓單元支撐力的需求，該方案整機(jī)如圖1所示。

圖1 無基礎(chǔ)膠帶機(jī)整機(jī)圖

為了保證系統(tǒng)的可靠性能和操作性能，研究集成了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計以及電控設(shè)計技術(shù)，以保證液壓系統(tǒng)壓力、自動化控制、模塊化設(shè)計、拆裝方便等技術(shù)為目的，最終使膠帶機(jī)平穩(wěn)、安全地運(yùn)行。

3 無基礎(chǔ)膠帶機(jī)的力學(xué)分析

無基礎(chǔ)膠帶機(jī)在主要的受力點(diǎn)采用了液壓支撐單元的設(shè)計思路可以有效安全地實(shí)施，其主要應(yīng)完成的工作是對相關(guān)點(diǎn)位進(jìn)行有效的受力分析，進(jìn)而保障系統(tǒng)相關(guān)部件的選型安全可靠。

卸載部是帶式輸送機(jī)合張力最大的受力點(diǎn)，因此該文僅以卸載部為例進(jìn)行分析，根據(jù)帶傳動理論可計算出膠帶機(jī)的圓周驅(qū)動力FU，進(jìn)而可求解卸載部的合張力[3]。

設(shè)卸載滾筒合張力F，分力求解。

由圖2可知，F(xiàn)可等效分解為F1和F22個方向的力，分別是沿著液壓支柱和三腳架斜撐兩個方向，通過合張力F以及受力角度，可進(jìn)一步計算F1和F2的值，根據(jù)三角函數(shù)公式，計算如下。

圖2 卸載部支撐單元主受力分析

由公式（1）和公式（2）可知F1，F(xiàn)2的值。

對F1和F2，進(jìn)一步受力分解，如圖3所示。

由圖3可知：在卸載部受到的合張力時，根據(jù)受力分析，將產(chǎn)生水平向右方向的拉力以及垂直向下的壓力進(jìn)而產(chǎn)生摩擦阻力，摩擦阻力決定卸載部是否安全的。

圖3 分力受力分解

設(shè)水平向右合力為F′，壓力為FN。

垂直頂板方向和垂直底板方向的壓力，可計算支柱產(chǎn)生的摩擦力。

雙支柱產(chǎn)生的摩擦阻力大于卸載部合張力，即可保證卸載部不位移，即Fμ≥F′系統(tǒng)滿足安全需求，在實(shí)際工程中，安全系數(shù)應(yīng)達(dá)2以上。

4 無基礎(chǔ)膠帶機(jī)的系統(tǒng)研究

無基礎(chǔ)可伸縮帶式輸送機(jī)系統(tǒng)由可伸縮帶式輸送機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)件部分、液壓系統(tǒng)、電氣控制3個部分組成。

4.1 機(jī)械及液壓系統(tǒng)

系統(tǒng)配置了液壓征程單元，布置在膠帶機(jī)的5個主要受力點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)液控制功能。

4.1.1 液壓伸縮臂設(shè)計

在可伸縮帶式輸送機(jī)分別設(shè)置卸載部1組、機(jī)頭部2組、張緊部1組、卷帶裝置1組伸縮臂，共5組液壓支撐單元，用于與巷道底板相連、在液壓油缸的作用下將輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)件與巷道底板固定，確保輸送機(jī)安全運(yùn)行。

伸縮臂中設(shè)計有鎖緊機(jī)構(gòu)，頂進(jìn)油缸預(yù)頂進(jìn)后，裝入卡板、鎖緊螺母，主要受力件轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)件，減少油缸的受力，延長其使用壽命?？ò暹M(jìn)行嚴(yán)格的受力計算，起到保護(hù)系統(tǒng)的作用，同時，支撐油缸能在壓力檢測和控制下，保證支撐油缸對頂?shù)装嬗行毫?，在液壓系統(tǒng)出現(xiàn)泄露、故障等問題時，機(jī)械鎖可保證支撐單元的支撐力，確保整機(jī)運(yùn)行的安全。

對液壓支撐單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化設(shè)計，便于安裝和搬運(yùn)，為可折疊式結(jié)構(gòu)，設(shè)計了輔助油缸，折疊和展開由輔助油缸實(shí)現(xiàn)，運(yùn)達(dá)使用現(xiàn)場后連接泵站可迅速安裝到位。

4.1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

該研究的液壓系統(tǒng)充分考慮了操作性、安全性，并對其進(jìn)行的全新設(shè)計，無基礎(chǔ)膠帶機(jī)液壓控制系統(tǒng)，包括支撐油缸、升降油缸、安裝專用手動液壓工作站、維修專用手動操作閥組、順槽膠帶機(jī)液壓泵站、邏輯控制集成閥以及全部接頭、油路分配器和管線。支撐油缸與膠帶機(jī)的安裝架、機(jī)械鎖及頂塊共同組成液壓支撐單元，是膠帶機(jī)的關(guān)鍵受力位置。在主要工作頂進(jìn)油缸上安裝有壓力傳感器、用于適時的壓力檢測，通過Wi-Fi與電控系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸。為了確保系統(tǒng)的足夠安裝，在伸縮臂上部安裝有銷軸式壓力傳感器，為主要受力監(jiān)控。

4.1.2.1 液壓系統(tǒng)安裝

液壓支撐單元的推舉和下降由升降油缸實(shí)現(xiàn)。首次安裝時使用安裝專用手動液壓工作站給支撐油缸和升降油缸提供動力及液壓油，將支撐油缸安裝至工作位置。檢修模式下也可使用該手動操作閥組，在維修模式下連接到順槽膠帶機(jī)泵站上的預(yù)留接口上，利用順槽膠帶機(jī)泵站的液壓油及動力對液壓支撐裝置進(jìn)行全面檢修。

4.1.2.2 液壓系統(tǒng)工作模式

邏輯控制集成閥塊和泵站聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)液壓支撐裝置的“工作模式” 、“自動補(bǔ)液模式” 和“檢修模式”3種模式的自動切換。自動補(bǔ)液模式可維持液壓系統(tǒng)恒定的壓力值，系統(tǒng)設(shè)置了控制區(qū)間，通過壓力傳感器、控制系統(tǒng)、補(bǔ)液泵站、電磁閥等部件實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)液和恒壓保持；檢修下可單獨(dú)對支撐單元進(jìn)行升降、檢修操作。

液壓缸體上安裝有集成了單向閥、液控單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、壓力表、壓力傳感器的液壓閥塊，用來實(shí)現(xiàn)支撐油缸的雙向鎖緊、手動調(diào)速、超載保護(hù)及壓力監(jiān)測功能，支撐油缸頂起后通過頂塊與頂板接觸后將壓力施加于液壓支撐單元的底座上，使膠帶機(jī)主體受力部位產(chǎn)生摩擦阻力，最終達(dá)到無基礎(chǔ)安裝的目的，用于推舉和下降支撐油缸的升降油缸。設(shè)計了便捷式泵站，整個泵站安裝在移動小車上，方便移動，通過操作兩聯(lián)手動換向閥組將支撐油缸和升降油缸頂起至安裝位置，用于檢修的維修專用手動操作閥組。

4.2 電控系統(tǒng)

無基礎(chǔ)膠帶機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計是在現(xiàn)有的皮帶機(jī)保護(hù)系統(tǒng)上進(jìn)行升級改造的，其采用液壓油缸支撐頂板和底板的方式實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)各受力點(diǎn)的有效支撐，該設(shè)計是國內(nèi)外首例研究的新課題，因此系統(tǒng)對油缸液壓壓力以及支撐力的監(jiān)控要求很高，需要系統(tǒng)對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，稍有異常需要做出最高級別優(yōu)先級的系統(tǒng)響應(yīng)去調(diào)整壓力，或者輸出報警、停機(jī)信號，以達(dá)到保障系統(tǒng)安全和簡化控制設(shè)備的目的。電控系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)無基礎(chǔ)液壓裝置的安全保護(hù)功能和控制功能。

無基礎(chǔ)膠帶機(jī)的電氣控制系統(tǒng)是為了保證液壓支柱持續(xù)、穩(wěn)定、安全地保持壓力，并且在出現(xiàn)漏液、底板下沉、頂板來壓以及其他故障時，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)整控制、恒壓保持、故障報警、緊急停機(jī)等功能。

4.2.1 控制裝置的組成及原理

系統(tǒng)共由檢測終端、無線壓力傳感器、皮帶保護(hù)控制器、無線發(fā)射裝置、監(jiān)測終端、無線中繼模塊、控制器等部分組成，采用RS485與沿線通信，傳感器通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)無限數(shù)據(jù)傳輸，線路簡單便于拆裝和搬家倒面。系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 電氣拓?fù)鋱D

4.2.2 工作模式

補(bǔ)壓模式時（正常工作模式）：當(dāng)檢測到液壓支撐單元壓力低于設(shè)定工作壓力時，膠帶機(jī)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出語音提示，并自動啟動泵站，控制補(bǔ)液電磁閥處于，液壓系統(tǒng)自動補(bǔ)壓至正常值；當(dāng)自動補(bǔ)液后液壓支撐單元系統(tǒng)壓力保持不正常時，膠帶機(jī)保護(hù)系統(tǒng)報故障并控制主驅(qū)動停機(jī)，同時主機(jī)控制箱顯示界面和語音系統(tǒng)自動提示液壓油缸位置、故障原因及檢修內(nèi)容。

4.2.3 自動化程度

4.2.3.1 設(shè)計兩級無線傳感器提高監(jiān)控水平，簡化線路

每個液壓支柱安裝2個傳感器，一個安裝在支柱的頂端，采用銷軸式的連接方式，用于測量支柱與頂板之間的壓力；另一個安裝在液壓支柱的液壓管路上測量液壓壓力。這樣壓力和液壓雙重檢測，除了實(shí)現(xiàn)壓力、液壓檢測之外，還能用來故障判斷。

圖4 可收放式結(jié)構(gòu)

在液壓支柱上安裝無線信號發(fā)射器，2只傳感器接入發(fā)射器中，無線信號發(fā)射機(jī)將傳感器的信號轉(zhuǎn)化成無線信號傳給檢測終端。

4.2.3.2 設(shè)計無線中繼提高無線信號接收的距離

若現(xiàn)場傳感器距離檢測終端比較遠(yuǎn)時，可在靠近傳感器的位置安裝無線中繼模塊將信號放大傳輸給監(jiān)測終端。

4.2.3.3 控制箱實(shí)現(xiàn)控制功能

控制箱將檢測的信號進(jìn)行處理，通過內(nèi)部的程序控制實(shí)現(xiàn)信號處理、恒壓控制、故障判斷等功能。

4.2.3.4 建立遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺

通過環(huán)網(wǎng)將控制器信息數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器，通過建立大數(shù)據(jù)庫，開發(fā)專家診斷裝置對現(xiàn)場的壓力變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并存儲，最終達(dá)到對液壓裝置、頂?shù)装遄兓姆治龊皖A(yù)判的目的[4]。

4.2.4 與保護(hù)系統(tǒng)集成保證時效性和安全性

目前井下膠帶機(jī)控制系統(tǒng)主要有驅(qū)動變頻開關(guān)、張緊變頻開關(guān)、保護(hù)裝置3個部分，膠帶機(jī)工作時驅(qū)動及張緊開關(guān)主要是通過保護(hù)裝置發(fā)布命令實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的啟動、停止以及保護(hù)的，其控制優(yōu)先級是最高的，而無基礎(chǔ)控制裝置在執(zhí)行無基礎(chǔ)膠帶機(jī)監(jiān)控時是需要得到最直接和最及時命令，中間不能增加其他傳遞環(huán)節(jié)，皮帶機(jī)保護(hù)裝置具有較強(qiáng)的控制系統(tǒng)和豐富的接口，無基礎(chǔ)膠帶機(jī)液壓監(jiān)控與系統(tǒng)保護(hù)裝置可以充分利用現(xiàn)有的控制單元去實(shí)現(xiàn)控制功能，將其控制邏輯寫入保護(hù)裝置的控制器中，既可以達(dá)到控制效果又可以節(jié)省開發(fā)一套新的控制器，因此與膠帶機(jī)皮帶保護(hù)裝置集成開發(fā)，保證其時效性和安全性。

5 結(jié)論

無基礎(chǔ)膠帶機(jī)的安裝產(chǎn)生的效果主要體現(xiàn)在礦建工程、安裝回撤成本及時間3個方面。

項(xiàng)目產(chǎn)品使用效果良好，無基礎(chǔ)膠帶機(jī)的設(shè)計實(shí)施方式簡化，取消了現(xiàn)有膠帶機(jī)的起底、做模具、澆灌、磨平、凝固期、拆模具等工序。有效縮短了膠帶機(jī)安裝和回撤的時間。礦物工程上無基礎(chǔ)膠帶機(jī)可節(jié)約成本53.8萬元，工期由31天縮短到10.5天，節(jié)約了20.5天的時間，每搬家到面一次就可以節(jié)省50多萬元，同時每次節(jié)約近20天的安裝時間，因此無基礎(chǔ)膠帶機(jī)在人員成本及生產(chǎn)接續(xù)上提高了效率，整機(jī)的研制在煤礦順槽膠帶機(jī)上應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

項(xiàng)目成果在國內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)了順槽膠帶機(jī)的無基礎(chǔ)安裝，項(xiàng)目研制理念和設(shè)計方法在行業(yè)中首次實(shí)施，對未來膠帶機(jī)的發(fā)展研究具有一定的參考意義。