云 艷

(國家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)洗選中心工藝煤質(zhì)部，陜西 榆林 719315)

煤炭資源是目前我國能源結(jié)構(gòu)中占75%的主要一次性能源，其開采方式依然是通過割截井下斷層的方式，然后將煤炭通過礦用帶式輸送機(jī)的方式輸送至地面，這種方式是目前經(jīng)濟(jì)效益和井下作業(yè)效率相對較高的，普遍應(yīng)用在各大采煤現(xiàn)場。礦用帶式輸送機(jī)作為井下散煤的首要運輸工具，具有傳輸距離遠(yuǎn)、運輸效率高的特點，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)成本相對較低[1]。但與此同時，礦用帶式輸送機(jī)的安全保障是選煤廠日常運維的重要工作之一。常見的礦用帶式輸送機(jī)工作故障是膠帶跑偏問題，其發(fā)生頻率幾乎是所有采煤設(shè)備中最高的。由于礦用帶式輸送機(jī)跑偏故障往往是隨機(jī)的，具有時間和位置的不確定性，尚不能通過規(guī)律來提前預(yù)判。因此，如何對礦用帶式輸送機(jī)進(jìn)行糾偏成為目前研究礦用帶式輸送機(jī)設(shè)備和穩(wěn)定系統(tǒng)的重要課題之一[2]。膠帶式礦用帶式輸送機(jī)在發(fā)生膠帶跑偏或物料分布不均勻時，會造成膠帶撕裂、電機(jī)燒毀等險情的發(fā)生，存在較大的安全隱患。當(dāng)前，礦用帶式輸送機(jī)跑偏糾正的方法主要是加裝跑偏糾托輥，采用實時監(jiān)測跑偏信號的方式及時發(fā)現(xiàn)礦用帶式輸送機(jī)異常情況，并提醒維護(hù)人員進(jìn)行停機(jī)檢修[3]。

1 跑偏機(jī)理及影響因素分析

1.1 帶式輸送機(jī)跑偏規(guī)律

礦用帶式輸送機(jī)的膠帶有向著滾筒緊的一側(cè)偏移的特點，這種滾筒兩側(cè)松緊度存在較大差異的原因是膠帶兩側(cè)因物料質(zhì)量不同、滾輪轉(zhuǎn)速不一致等因素造成的。另外，膠帶向前運動的垂線與托輥的中心線不在一條直線上時，膠帶也會發(fā)生向運動垂線開角的方向偏移，即“跑緊不跑松”[4]。由于滾筒在長期工作時會因煤泥或磨損而造成其外徑差異，而直徑大的一端速度相對直徑小的一端偏小，因此會造成膠帶向直徑大的一端偏移，即“跑大不跑小”[5]。安裝膠帶時，有時會因為安裝了規(guī)格不匹配或者質(zhì)量不合格的膠帶架而造成支撐托輥兩側(cè)存在高度差，膠帶會在運動過程中向較高的一端偏移，即“跑高不跑低”。

1.2 跑偏機(jī)理

帶式輸送機(jī)膠帶跑偏的主要原因是膠帶寬度方向上的張緊力存在差異，這種差異直接導(dǎo)致膠帶向前運動的受力在垂直中心線方向上存在分力。其原理如圖1所示[6]。圖1可以理解為托輥與膠帶間的相對運動產(chǎn)生摩擦力，其驅(qū)動膠帶的回轉(zhuǎn)運動，摩擦力方向與托輥垂直，當(dāng)跑偏時摩擦力的方向與膠帶呈角，因此基于膠帶中心線可以分解為平行膠帶中心線的與垂直方向的，其中為膠帶跑偏的主要驅(qū)動力及原因。根據(jù)前文分析的“跑緊不跑松”規(guī)律，膠帶的中心線與托輥或滾筒出現(xiàn)偏斜，膠帶在與中心線垂直的方向上與托輥或滾筒的摩擦?xí)r間出現(xiàn)差異，中心線垂直方向上的張緊力也就存在不同，且差異的程度就決定了跑偏的程度[7]。

圖1 膠帶跑偏示意Fig.1 Tape deviation indication

1.3 跑偏影響因素

總的來講，輸送機(jī)膠帶跑偏的影響因素可分為以下3類。

(1)安裝誤差。如果發(fā)生安裝誤差較大，就有可能出現(xiàn)以下情況：①膠帶的跑偏方向與膠帶中心線的方向呈現(xiàn)大于或小于90°的夾角，這種夾角的存在會加劇膠帶偏離的程度；②膠帶的材質(zhì)出現(xiàn)不均勻的情況，即膠帶的兩側(cè)彈性模量不同，造成膠帶兩側(cè)與托輥或滾筒的接觸時間出現(xiàn)偏差，從而引起膠帶跑偏[8]。

(2)生產(chǎn)或使用故障。由于生產(chǎn)磨損或物料傷害，造成滾筒軸線與膠帶的中心線垂線存在偏差，使得膠帶運動向偏緊的一側(cè)跑偏。

(3)煤炭等介質(zhì)在膠帶上分布不均，造成膠帶各位置受力及變形不均，當(dāng)變形影響到膠帶中心線時，則會產(chǎn)生偏離[9]。

2 膠帶糾偏方法

在實際生產(chǎn)中，糾偏方法主要包含以下幾種。

(1)立輥自糾偏。這種糾偏裝置需要在托輥支架上安裝5個托輥裝置。其中，3個安裝在膠帶運動方向的中部，2個分別安裝在兩側(cè)，支架與底座之間的鏈接采用旋轉(zhuǎn)插入的方式，同時保持底座具有一定的轉(zhuǎn)動自由度，保證整個糾偏機(jī)構(gòu)的可調(diào)節(jié)性，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)膠帶發(fā)生跑偏情況時，由于跑偏一側(cè)的受力大于另一側(cè)，進(jìn)而糾偏裝置隨著受力較大的一側(cè)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。此時，傳送膠帶就會向反向一側(cè)產(chǎn)生運動分量，促使膠帶與裝置保持平行的關(guān)系，通過這種操作，膠帶就完成了糾偏[10]。這種糾偏裝置的結(jié)構(gòu)比較簡單，其糾偏的動力來自于跑偏時產(chǎn)生的受力差，不需要額外增加糾偏能源。但與此同時，這種糾偏的過程是對膠帶進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的過程，整個裝置的鏈接部位容易造成較大的磨損。

圖2 立輥自糾偏裝置Fig.2 Vertical roller self-correcting device

(2)外力糾偏。在通常情況下，小幅度的跑偏對于實際應(yīng)用影響較小，托輥的自糾偏裝置可以在這種情況下發(fā)揮作用，但是當(dāng)跑偏的幅度超過一定閾值時，才會對生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。基于此，可以在自糾偏的裝置上加裝測距傳感器，跟蹤跑偏幅度的數(shù)值，再利用液壓裝置調(diào)整超出閾值的跑偏幅度，從而達(dá)到糾偏的目的。這種糾偏的方法是最為可靠的，糾偏的次數(shù)大大減少，也降低了糾偏裝置的磨損[11]。

(3)滾筒糾偏。由于發(fā)生跑偏的膠帶是通過繞行的方式安裝在前后滾筒上的，當(dāng)膠帶發(fā)生跑偏時，可以通過調(diào)整滾筒的角度來進(jìn)行糾偏。這種方法的主要原理是調(diào)整滾筒兩側(cè)軸承座絲杠或者液壓桿，使得滾動兩側(cè)的張緊力能夠平衡，進(jìn)而調(diào)整李滾筒軸線的平衡度，在控制糾偏幅度方面有明顯的優(yōu)勢。

3 糾偏系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)上文分析的滾筒糾偏方法，本文設(shè)計的糾偏系統(tǒng)如圖3所示。通過測距傳感器測量出跑偏量以后，糾偏控制系統(tǒng)通過計算將糾偏量傳遞到液壓裝置，通過控制液壓裝置的油量調(diào)整油缸的位移大小，進(jìn)而實現(xiàn)對滾筒軸承座絲杠的調(diào)整，使得滾動兩側(cè)的張緊力能夠平衡。

圖3 糾偏系統(tǒng)的工作示意Fig.3 Working diagram of the correction system

3.1 偏移檢測裝置設(shè)計

跑偏幅度的準(zhǔn)確測量是進(jìn)行糾偏的前提，其精確度決定了糾偏的效果，如何設(shè)計出誤差較小的偏移測量裝置是糾偏系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵步驟。偏移測量裝置如圖4所示，該裝置同時還可以測量跑偏的速度。如圖4所示，立輥軸通過固定在連桿上的支點與位移傳感器進(jìn)行連接，這就形成了簡單的杠桿結(jié)構(gòu)。當(dāng)發(fā)生跑偏的情況時，立輥與膠帶的側(cè)面保持連續(xù)接觸的同時，發(fā)生的位移會通過杠桿結(jié)構(gòu)傳遞到位移傳感器，通過實現(xiàn)設(shè)定的幾何參數(shù)即能計算出膠帶發(fā)生的偏移量。這種裝置的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，使用方便，維護(hù)也較容易，可以在不影響傳送帶正常工作的情況下實施糾偏操作。

圖4 偏移檢測裝置設(shè)計Fig.4 Offset detection device design

3.2 跑偏量及跑偏速度的計算

立輥中心與固定支點間的水平距離為l1，垂直距離為s1，同理位移傳感器至固定支點間的水平距離為l2，垂直距離為s2。連桿與水平線的夾角為θ，那么輸送帶的跑偏量可以表示為：

Δs1=s1×sinΔθ

(1)

同理輸送帶的跑偏速度，可以通過以下的計算公式獲得：

(2)

跑偏速度為跑偏距離、偏角增量余弦值與偏角隨時間變化率三者的乘積。

3.3 糾偏實施對策

在實際使用礦用帶式輸送機(jī)的生產(chǎn)中，還可以通過以下6種方式進(jìn)行輔助糾偏：①處理滾筒背面水分。定時檢查是否有淋灑到滾筒上的水管或噴水孔，及時清理滾筒周邊的積水，避免滾動因生銹造成摩擦力不均，通常情況下使用滾筒空轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行大規(guī)模清理。②調(diào)整落煤點。落煤點不正常常會發(fā)生在實際生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)負(fù)載跑偏而空載不跑偏的情況，這時可以通過調(diào)整物料的落點在膠帶運動中心線附近的方法。造成落煤點偏差的原因常常是由于落煤管上有附著物或者緩沖擋板被異物卡住，針對這種問題，需要檢修人員定期對落煤管上的煤泥、緩沖板上的旋轉(zhuǎn)裝置、導(dǎo)料槽上的擋板進(jìn)行清理，保證落煤點不發(fā)生偏移。③清除滾筒及托輥上的煤泥。滾筒和托輥的表面往往受井下煤塵較多、環(huán)境潮濕的影響而附著大量煤泥，使得滾筒或托輥的直徑發(fā)生變化，造成膠帶在直徑不同的滾筒上運動時受到不同的摩擦力進(jìn)而發(fā)生跑偏的現(xiàn)象。針對這種情況，需要檢修人員定期對滾筒及托輥表面的煤泥進(jìn)行清理，保證其直徑不發(fā)生較大偏差。④按工藝要求矯正偏托輥。自糾偏裝置廣泛應(yīng)用在礦用帶式輸送機(jī)上，自糾偏裝置中的軸承是容易磨損的零件，當(dāng)發(fā)生軸承磨損嚴(yán)重的情況，自糾偏托輥就難以起到糾偏的作用。對于這種情況，檢修人員需要及時對自糾偏裝置補(bǔ)充潤滑油，更換磨損嚴(yán)重的軸承，進(jìn)而提高自糾偏裝置的靈敏度。當(dāng)作業(yè)過程中出現(xiàn)不能停機(jī)檢修的情況時，可以使用固定環(huán)、固定鐵絲等裝置對跑偏的膠帶進(jìn)行限位，避免跑偏幅度的增加。⑤重新硫化接頭。礦用帶式輸送機(jī)的膠帶一般是通過硫化的方式對接頭進(jìn)行連接的，在使用一段時間后，由于膠帶的材質(zhì)發(fā)生老化，造成兩側(cè)的松緊度出現(xiàn)不一致，進(jìn)而使得膠帶發(fā)生跑偏。這種情況需要檢修人員通過調(diào)整膠帶調(diào)節(jié)滾筒的張緊力來糾偏，而對于那些已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重老化的膠帶接頭，必須進(jìn)行停機(jī)后重新硫化接頭的方式進(jìn)行處理。⑥重新調(diào)整膠帶張緊裝置。由于膠帶張緊力不同而發(fā)生的跑偏，常常使用調(diào)整膠帶張緊裝置的方式進(jìn)行糾偏，使得滾筒與輸送帶縱向保持垂直，并且膠帶的中心與軸中心在同一水平線。膠帶兩端的支撐裝置是由2個膠帶張緊裝置中的液壓油缸調(diào)整的。因此，可以調(diào)整液壓桿的位移來對膠帶的拉伸形變進(jìn)行矯正。當(dāng)膠帶出現(xiàn)拉力不足時，可以對膠帶適當(dāng)增加配重，以增加膠帶的拉力。根據(jù)“跑緊不跑松”的特點，也可以通過減輕跑偏一側(cè)配重的方式進(jìn)行糾偏。

4 糾偏系統(tǒng)的驗證

本文的研究基于對某作業(yè)選煤廠的實際生產(chǎn)，2條長79 m的選煤線(圖5)，其中，1條安裝糾偏系統(tǒng)(實驗組)和1條未安裝糾偏系統(tǒng)(對照組)進(jìn)行對比測試，并按照本文設(shè)計的糾偏方法定期對相關(guān)部件進(jìn)行檢修，測試時間為30 d，對生產(chǎn)過程中糾偏次數(shù)、物料拋灑、膠帶磨損等情況進(jìn)行記錄，其中物料拋灑情況通過對位于1條長57 m的選煤線上的物料落地進(jìn)行稱重，每天收集1次；膠帶磨損程度通過每天對膠帶張力進(jìn)行判斷，如達(dá)不到預(yù)定張力時，就調(diào)整液壓桿的位移或?qū)δz帶適當(dāng)增加配重來矯正，并記錄一次矯正。

圖5 實驗選煤線Fig.5 Experimental coal preparation line

4.1 糾偏系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)定傳送帶實際運動方向角度與理想角度的偏差閾值為1.2°，糾偏誤差為95%，當(dāng)出現(xiàn)大于該閾值的情況時，觸發(fā)糾偏算法對傳送帶進(jìn)行糾偏，該系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 自動糾偏裝置控制系統(tǒng)流程Fig.6 Automatic deviation correction device control system process

通過對跑偏量及跑偏速度的計算，本文設(shè)計了基于輸送帶橫向跑偏置測量及糾偏的控制軟件，系統(tǒng)首先將采集到的橫向跑偏數(shù)據(jù)(包含測量數(shù)據(jù)和誤差數(shù)據(jù))輸入控制器，通過控制算法計算后得出糾偏控制量；然后通過執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整，并聯(lián)動蝸桿傳動裝置糾正托輥繞旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生對應(yīng)角位移，最終實現(xiàn)糾偏。其糾偏系統(tǒng)的控制計算算法如圖7所示。

圖7 自動糾偏裝置控制系統(tǒng)流程Fig.7 Control calculation algorithm of the correction system

4.2 糾偏系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過以上對礦用帶式輸送機(jī)跑偏機(jī)理的分析，采取相應(yīng)的糾偏措施后，將其應(yīng)用在實際選煤廠生產(chǎn)中才能夠進(jìn)一步驗證其方案的有效性。相關(guān)改進(jìn)部件采用配置參數(shù)見表1。

4.3 系統(tǒng)測試

通過長達(dá)30 d的系統(tǒng)測試，將相關(guān)記錄匯總(表2)。

表2 實驗對照Tab.2 Experimental control

通過分析采集的數(shù)據(jù)，在使用該糾偏系統(tǒng)的礦用帶式輸送機(jī)中，膠帶跑偏次數(shù)較未安裝的減少了51%，物料拋灑減少了68%，膠帶矯正次數(shù)減少了64%?？梢钥闯觯疚脑O(shè)計的糾偏系統(tǒng)和糾偏方法在礦用帶式輸送機(jī)跑偏糾正方面具有顯著的效果，有利于提升礦區(qū)作業(yè)的安全性和物料傳輸?shù)姆€(wěn)定性，可以為其他糾偏方式提供升級改造借鑒，具有一定的現(xiàn)實意義。