張 健,祁成龍
(潞安化工集團五陽煤礦,山西 長治 046200)
科技迅猛發(fā)展,煤礦裝備的機械化程度也越來越高。目前大部分礦井在綜采、掘進、運輸?shù)确矫娑蓟緦崿F(xiàn)了機械自動化,然而在一些輔助環(huán)節(jié),仍然依賴人工,特別是高效、安全的輔助裝置應(yīng)用甚少。
五陽煤礦原煤提升主要采用斜井帶式輸送機輸送工藝,在主斜井布置一部DTL120/110/3×710S型鋼絲繩芯帶式輸送機(見圖1),擔(dān)負主要提升任務(wù)。該段采用大坡度長距離皮帶,井筒傾角16°,全長1 283 m。
圖1 鋼絲繩芯帶式輸送機
主斜井皮帶在運行過程中容易出現(xiàn)滾筒膠皮開裂、驅(qū)動滾筒軸承斷裂等機械故障[1],需要進行包膠或更換滾筒作業(yè)。該皮帶接頭為硫化接頭,和普通的織物整芯膠帶不同,無法采用打開接頭卡的方法使得皮帶分離,留出檢修空間。傳統(tǒng)檢修采用人工上倒鏈,將松弛后的皮帶向檢修位置拖動直到留有足夠余量,然后將皮帶用倒鏈吊起,創(chuàng)造出足夠的檢修空間,工人才能進入空間內(nèi)進行作業(yè)。這種拖帶工藝,需要20人用時4 h方可將皮帶拉至指定位置,費時費力。為提高輔助作業(yè)效率,該礦設(shè)計了一種液壓拉帶裝置應(yīng)用于井下,本文對設(shè)計過程進行了詳細敘述。
液壓快速拉帶裝置是利用油泵提供高壓油液,實現(xiàn)油缸往復(fù)運動,從而帶動夾帶器進退,完成皮帶的上拉作業(yè)。
機械單元由快速夾帶器(固定、移動)、導(dǎo)軌、鎖緊碟簧、連接附件四部分組成,主要用于快速夾緊皮帶,以及實現(xiàn)拉力油缸在導(dǎo)軌上的來回移動(見圖2)。
圖2 液壓拉帶裝置機械單元
液壓單元由閥控系統(tǒng)(液壓泵站)、拉力油缸(油缸行程500 mm)、開啟油缸、液壓連接附件組成。主要用于控制拉力油缸的伸縮來實現(xiàn)皮帶的移動,以及控制快速夾帶器的開啟油缸,使夾帶器鎖緊碟簧實現(xiàn)夾緊和松弛皮帶。
電氣單元由電氣控制柜、信號傳感器、電氣連接附件組成。主要用于給液壓站電機提供動力電源,同時也是整個裝置的信息收集與處理中心,負責(zé)快速夾帶裝置開閘和鎖緊信號的反饋。
首先,在距離機頭約100 m的位置,將液壓拉帶裝置固定架用螺栓固定在皮帶架上,固定端用螺栓固定在軌道上,油缸缸底用銷軸與皮帶架鉸接連接。其次,將待拖行皮帶置于夾帶裝置夾縫中。松開主斜井皮帶機尾張緊油缸,開啟皮帶機尾液壓站,縮機尾約3 m,保障皮帶處于松弛狀態(tài),開啟夾帶裝置油泵。通過控制電磁閥,將固定端快速夾帶器和移動端快速夾帶器同時鎖緊皮帶。啟動固定端夾緊器開閘按鈕,使其開閘。啟動牽引按鈕,使拉力油缸向前牽引皮帶。待拉力油缸到達最大行程時,啟動固定端快速夾緊器合閘按鈕,使固定端快速夾緊器合閘。待固定端快速夾緊器完全鎖緊后,啟動移動端快速夾緊器開閘按鈕,使移動端快速夾緊器開閘。一次夾帶向前拖帶500 mm,為一個循環(huán)。如此反復(fù)操作,直到將皮帶向前拖行約6 m,完成拉帶作業(yè)。
DTL120/110/3×710S型帶式輸送機的皮帶寬度為1 200 mm,單位長度質(zhì)量M=44.9 kg/m。皮帶全長L=1 283 m,其中平段L1=100 m、上坡段L2=1 183 m。夾帶裝置拖行皮帶初始位置時,有如下計算:
待拖行皮帶處于上坡段的長度l1=L2-100=1 083 m(裝置距離機頭100 m);平段待拖行皮帶重力G1=m1g=ML1g≈44kN;上坡段待拖行皮帶重力G2=m2g=Ml1g≈476.5 kN。
平段所受摩擦力f1=μG1,膠帶的材料大多為橡膠,托輥的材料為鋼,兩者之間的靜滑動摩擦系數(shù)為0.9,動摩擦系數(shù)一般為0.6~0.8,故取μ=0.7,計算得f1=30.8 kN,水平向左;由于坡傾角為16°,故裝置拖動水平段所需的作用力F1=f1/cos16°≈32 kN;上坡段所有皮帶摩擦力f2=μG2cos16°≈321 kN;裝置拖動上坡段所需的作用力F2=G2sin16°+f2≈452 kN;故裝置拖動皮帶所需最大作用力F=F1+F2≈484 kN。
考慮到安全系數(shù)K=1.2,單根油缸的拉力F拉=1/2KF=290.4 kN。泵站液壓油壓力為31.5 MPa,根據(jù)MT/T 94—1996標(biāo)準(zhǔn),可選擇油缸參數(shù)為桿徑85 mm、內(nèi)徑140 mm,在額定壓力下其拉力為306 kN。
根據(jù)所需最大作用力F=484 kN,單個碟簧所提供的壓力N,皮帶與夾板接觸面數(shù)n=2,碟簧個數(shù)z=2。故有F=μ1Nnz,取摩擦系數(shù)μ1=0.9,于是求得N≈134 kN??紤]安全系數(shù)K1=1.2,碟簧提供的壓力至少約為161 kN。故可選擇20 t碟簧(見圖3)。
根據(jù)碟簧參數(shù)可知,其直徑為200 mm,皮帶寬1 200 mm。
圖3 夾帶機構(gòu)截面視圖(單位:mm)
對拉帶裝置主體進行受力分析,對固定架底面施加約束,同時給固定端施加向后的力484 kN,如圖4所示為其受力云圖,由于固定端使用材料Q460,屈服強度σs=460 MPa,許用應(yīng)力。受力云圖顯示其最大應(yīng)力為236.5 MPa,遠小于許用應(yīng)力,符合要求[2]。
圖4 拉帶裝置主體受力(MPa)云圖
對拉帶裝置活動端耳板進行受力分析[3],由于拉帶過程中裝置處于平衡狀態(tài),故將其背面施加約束,同時給四對耳板鉸接孔施加力484 kN,如圖5所示為其受力云圖,由于活動端使用材料Q460,屈服強度σs=460 MPa,許用應(yīng)力。受力云圖顯示其最大應(yīng)力為267.2 MPa,遠小于許用應(yīng)力,符合要求。
圖5 拉帶裝置活動端耳板受力(MPa)云圖
針對井下大坡度皮帶檢修作業(yè)的困難,筆者與團隊設(shè)計了DTL120/110/3×710S帶式輸送機的液壓拉帶裝置,從結(jié)構(gòu)原理、尺寸設(shè)計到有限元分析,驗證了該裝置的合理性。裝置在使用過程中,達到了減員增效的實際效果。用機械代替人力,不僅降低了勞動強度,而且提高了檢修作業(yè)安全性。本次設(shè)計,可以為其他型號輸送機拉帶裝置提供變型設(shè)計基礎(chǔ),是礦井輔助作業(yè)實現(xiàn)機械化探索的一個成功案例。