董聰健

山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司賀西礦 山西 呂梁 032300

帶式輸送機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中長距離、大運(yùn)量的主要機(jī)械設(shè)備，其在運(yùn)行過程中的高效節(jié)能性能直接影響到煤礦企業(yè)的安全經(jīng)濟(jì)性[1]。目前帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)偏保守，主要是在計(jì)算得到額定工作量的基礎(chǔ)上，乘以一個安全系數(shù)作為最終的設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)。該方式設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時具有較大的額定工作量，應(yīng)對設(shè)備空載和少載運(yùn)行工況時不可避免出現(xiàn)能耗增加，從而導(dǎo)致輸送機(jī)整體運(yùn)輸效率較低，不利于煤礦企業(yè)節(jié)能減排方針的實(shí)施。此外，從輸送機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方面而言，長距離輸送需要較大的電機(jī)驅(qū)動功率和高強(qiáng)度的輸送帶，而輸送機(jī)膠帶目前常規(guī)使用的是國產(chǎn)整芯阻燃膠帶。這類膠帶整體機(jī)械強(qiáng)度性能較低，接頭效率偏低，從安全性和經(jīng)濟(jì)性方面嚴(yán)重阻礙了長距離、大運(yùn)量輸送機(jī)的大規(guī)模投產(chǎn)使用[2-3]。

為解決這一技術(shù)難題，通過在普通帶式輸送機(jī)上增加幾組同結(jié)構(gòu)、縮小版的驅(qū)動裝置組合使用，構(gòu)成了線摩擦帶式輸送機(jī)。線摩擦帶式輸送機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于它的驅(qū)動力來源于兩方面：一是位于機(jī)頭或機(jī)尾的驅(qū)動裝置；另一方面是位于中間部位的多組驅(qū)動器。通過中間多組驅(qū)動器的協(xié)調(diào)作用，極大的降低了機(jī)頭或機(jī)尾主驅(qū)動裝置的電機(jī)功率，避免長時間處于高功率運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到降低能耗的目的[4]。此外，通過中間驅(qū)動器的增加，減小了物料在運(yùn)輸過程中的轉(zhuǎn)載次數(shù)，空載和少載時緩解了膠帶的強(qiáng)張力運(yùn)行狀態(tài)，延長了輸送機(jī)膠帶的使用壽命[5]。本文通過對線摩擦帶式輸送機(jī)中間驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)，提高其增壓裝置的牽引力，進(jìn)一步提高輸送機(jī)的運(yùn)輸效率，降低能耗與設(shè)備維修成本，為類似煤礦井下運(yùn)輸提供借鑒。

1 線摩擦帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

1.1 線摩擦帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

線摩擦帶式輸送機(jī)是一種基于常規(guī)帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)的一種新型輸送機(jī)，在常規(guī)帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一組或幾組同結(jié)構(gòu)、縮小版的中間驅(qū)動器（輔機(jī)），機(jī)頭或機(jī)尾為主驅(qū)動機(jī)，主驅(qū)動機(jī)上連接著承載帶；中間驅(qū)動器為輔助驅(qū)動機(jī)，連接的是傳動帶。雙機(jī)運(yùn)行時實(shí)現(xiàn)“主-輔”雙機(jī)協(xié)同驅(qū)動。線摩擦帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 線摩擦帶式輸送機(jī)的特點(diǎn)

線摩擦帶式輸送機(jī)在常規(guī)帶式輸送機(jī)的承載帶下，沿承載帶的延伸方向進(jìn)行多點(diǎn)鋪設(shè)輔助驅(qū)動器，通過承載帶與傳動帶間的線摩擦形式進(jìn)行動力傳輸。隨著輔助驅(qū)動器的運(yùn)行，線摩擦帶式輸送機(jī)的承載帶張力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，承載帶機(jī)械強(qiáng)度合理控制在其最大機(jī)械強(qiáng)度之下，承載帶與傳動帶均處于彈性變形階段，利于輸送機(jī)進(jìn)行長距離、大運(yùn)量運(yùn)輸。

1.3 線摩擦驅(qū)動裝置的布置

線摩擦帶式輸送機(jī)根據(jù)井下運(yùn)輸線路的變化，其布置方式一般分別直線段布置和曲線段布置。其中直線段布置時承載帶與傳動帶間摩擦動力傳輸較為穩(wěn)定；而曲線段布置根據(jù)其彎曲形式可分為兩種，如圖2所示。圖（a）中為凹弧段，當(dāng)承載帶與傳動帶間的摩擦位置沒有負(fù)載或是物料時，可由摩擦產(chǎn)生的傳輸動力就會非常小，對整個傳送機(jī)運(yùn)輸是不利的；而圖（b）中為凸弧段，當(dāng)承載帶與傳動帶間的摩擦位置承載物料時，由摩擦產(chǎn)生的驅(qū)動力與皮帶初始張力會逐漸增加，在傳送帶凸弧位置會造成應(yīng)力過高，皮帶局部會出現(xiàn)過度磨損現(xiàn)象。因此，針對上述二者在使用過程中的特殊工況，需要對摩擦驅(qū)動器增設(shè)增壓裝置。

圖2 帶凸凹弧段線摩擦帶式輸送機(jī)

2 增壓裝置的設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過在普通線摩擦帶式輸送機(jī)上增加一個重量信號獲取器，根據(jù)重量信號獲取器的實(shí)時數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行及時增減壓力進(jìn)行動力傳輸。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。在輸送機(jī)運(yùn)輸過程中，重量信號獲取器測得皮帶上方物料的瞬時重量后，將數(shù)據(jù)傳輸至已經(jīng)設(shè)置額定數(shù)值的控制器中，控制器將傳輸數(shù)值與額定數(shù)值進(jìn)行對比。若數(shù)值出現(xiàn)偏差，控制器將信號繼續(xù)傳輸至伺服機(jī)中，電機(jī)帶動增壓器進(jìn)行增壓或減壓。同時，壓力傳感器接收壓力信號后進(jìn)行二次傳輸，再次將信號反饋回控制器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的反饋并進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)二次校驗(yàn)。

2.2 帶邊增壓方式

根據(jù)上圖3所示的線摩擦帶式輸送機(jī)增壓裝置整體設(shè)計(jì)圖，提出一種帶邊增壓方式，其結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，該方式最主要的優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)井下實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行增壓調(diào)節(jié)。其工作原理是通過重量信號獲取器得到皮帶運(yùn)輸?shù)乃矔r重量與額定數(shù)值進(jìn)行比較后，由控制器將信號傳遞至電機(jī)，電機(jī)帶動傳動桿由齒輪動力進(jìn)一步傳遞。齒輪轉(zhuǎn)動擠壓兩旁彈簧并推動金屬管擠壓承載帶，使承載帶向下方凹陷與傳動帶緊密貼合，增大二者間的摩擦力，實(shí)現(xiàn)增壓過程。

3 增壓裝置仿真分析與應(yīng)用

3.1 仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置

利用ANSYS仿真軟件建立線摩擦帶式輸送機(jī)數(shù)值計(jì)算模型，如圖5所示。根據(jù)井下工況進(jìn)行模型賦參，對托輥以及帶邊增壓中的帶邊輪進(jìn)行位移約束，具體如表1所示。此外，通過對現(xiàn)場輸送機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測，傳動帶和承載帶兩端張力分別賦值24294N、25578N和49978N、 49323N。

表1 模型參數(shù)

圖5 帶邊增壓仿真模型

3.2 不同工況下總變形分析

線摩擦帶式輸送機(jī)在運(yùn)行時主要有兩種工況，一種為無載運(yùn)輸，另一種則為有載運(yùn)輸。根據(jù)兩種不同的工況條件，利用仿真模型進(jìn)行計(jì)算，不同工況條件下輸送帶的總體變形如圖6所示。由圖可知，采用帶邊增壓方式后輸送機(jī)在運(yùn)行過程中，無載和有載兩種情況均會導(dǎo)致帶邊輪和輸送帶接觸的局部發(fā)生大變形，其中在無載時最大變形量約為0.018m，而有載時最大變形量約為0.022m。由此說明，帶邊增壓方式可明顯調(diào)整由于線摩擦形式帶來的驅(qū)動力不足的現(xiàn)象，有利于輸送機(jī)的運(yùn)輸。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)井下生產(chǎn)工作面生產(chǎn)能力對線摩擦帶式輸送機(jī)運(yùn)輸煤炭的重量進(jìn)行計(jì)算，并在重量信號獲取器進(jìn)行設(shè)定（定值為560N）。線摩擦輸送機(jī)運(yùn)行時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，重量信號獲取器測得皮帶上方物料的瞬時重量后與設(shè)定值560N進(jìn)行比較，由控制器將信號繼續(xù)傳輸至伺服機(jī)中，電機(jī)帶動增壓器進(jìn)行增壓。在此過程中，無載和有載兩種情況下，都能在重量信號獲取器的作用下達(dá)到設(shè)定值，從而滿足使用需求。

4 結(jié)論

（1）線摩擦帶式輸送機(jī)在凹弧段運(yùn)輸時，承載帶與傳動帶間的摩擦位置沒有負(fù)載，由摩擦產(chǎn)生的驅(qū)動力不足，影響傳動效果；在凸弧段運(yùn)輸時，承載帶與傳動帶間的摩擦位置由于負(fù)載作用，造成皮帶張力增加，出現(xiàn)過度磨損現(xiàn)象，影響皮帶使用壽命。

（2）對摩擦帶式輸送機(jī)增設(shè)增壓裝置后，增壓器可根據(jù)皮帶承載載荷大小自主調(diào)整承載帶與傳動帶間的摩擦力，改善驅(qū)動力不足，延長皮帶使用壽命，利于線摩擦帶式輸送機(jī)進(jìn)行長距離、大運(yùn)量運(yùn)輸。