鄭 偉

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司, 山西 太原 030053)

0 引 言

帶式輸送機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的主要機(jī)械設(shè)備,其在運(yùn)行過(guò)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(gè)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(shí)具有較大的額定工作量,在應(yīng)對(duì)設(shè)備空載和少載運(yùn)行工況時(shí)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(zhǎng)距離輸送需要較大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guó)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,因此在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面嚴(yán)重阻礙了長(zhǎng)距離、大運(yùn)量輸送機(jī)的大規(guī)模投產(chǎn)使用[2-3]。

為解決上述技術(shù)難題,可在普通帶式輸送機(jī)上增加幾組同結(jié)構(gòu)、縮小版的驅(qū)動(dòng)裝置組合使用,即構(gòu)成線摩擦帶式輸送機(jī)。線摩擦帶式輸送機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于它的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于兩方面:一方面來(lái)源于位于機(jī)頭或機(jī)尾的驅(qū)動(dòng)裝置;另一方面來(lái)源于位于中間部位的多組驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)中間多組驅(qū)動(dòng)器的協(xié)調(diào)作用,極大地降低了機(jī)頭或機(jī)尾主驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)功率,避免其長(zhǎng)時(shí)間處于高功率運(yùn)行狀態(tài),從而達(dá)到降低能耗的目的。此外,通過(guò)中間驅(qū)動(dòng)器的增加,減小了物料在運(yùn)輸過(guò)程中的轉(zhuǎn)載次數(shù),緩解了空載和少載時(shí)膠帶的強(qiáng)張力運(yùn)行狀態(tài),延長(zhǎng)了輸送機(jī)膠帶的使用壽命。筆者通過(guò)對(duì)線摩擦帶式輸送機(jī)中間驅(qū)動(dòng)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(dòng)器(輔機(jī)),機(jī)頭或機(jī)尾為主驅(qū)動(dòng)機(jī),主驅(qū)動(dòng)機(jī)上連接著承載帶;中間驅(qū)動(dòng)器為輔助驅(qū)動(dòng)機(jī),連接的是傳動(dòng)帶。雙機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)“主-輔”雙機(jī)協(xié)同驅(qū)動(dòng)。線摩擦帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線摩擦帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1.摩擦傳動(dòng)裝置 2.承載帶 3.傳動(dòng)帶 4.托輥

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)輔助驅(qū)動(dòng)器鋪設(shè),通過(guò)承載帶與傳動(dòng)帶間的線摩擦形式進(jìn)行動(dòng)力傳輸。隨著輔助驅(qū)動(dòng)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(shì),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(dòng)帶均處于彈性變形階段,利于輸送機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)距離、大運(yùn)量運(yùn)輸。

1.3 線摩擦驅(qū)動(dòng)裝置的布置

根據(jù)井下運(yùn)輸線路的變化,線摩擦帶式輸送機(jī)布置方式一般分為直線段布置和曲線段布置兩種。直線段布置時(shí)承載帶與傳動(dòng)帶間摩擦動(dòng)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2 帶凸凹弧段線摩擦帶式輸送機(jī)

圖2(a)中為凹弧段,當(dāng)承載帶與傳動(dòng)帶間的摩擦位置沒(méi)有負(fù)載或是物料時(shí),由摩擦產(chǎn)生的傳輸動(dòng)力會(huì)非常小,這對(duì)整個(gè)傳送機(jī)運(yùn)輸是不利的;而圖2(b)中為凸弧段,當(dāng)承載帶與傳動(dòng)帶間的摩擦位置承載物料時(shí),由摩擦產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力與皮帶初始張力會(huì)逐漸增加,在傳送帶凸弧位置會(huì)造成應(yīng)力過(guò)高,皮帶局部會(huì)出現(xiàn)過(guò)度磨損現(xiàn)象。因此,針對(duì)上述兩者在使用過(guò)程中的特殊工況,需要對(duì)摩擦驅(qū)動(dòng)器增設(shè)增壓裝置[4]。

2 增壓裝置的設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在普通線摩擦帶式輸送機(jī)上增加一個(gè)重量信號(hào)獲取器,根據(jù)重量信號(hào)獲取器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行及時(shí)增減壓力從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(guò)程中,重量信號(hào)獲取器測(cè)得皮帶上方物料的瞬時(shí)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(duì)比。若數(shù)值出現(xiàn)偏差,控制器將信號(hào)繼續(xù)傳輸至伺服機(jī)中,電機(jī)帶動(dòng)增壓器進(jìn)行增壓或減壓。同時(shí),壓力傳感器接收壓力信號(hào)后進(jìn)行二次傳輸,再次將信號(hào)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(shí)數(shù)據(jù)二次校驗(yàn)。

圖3 線摩擦帶式輸送機(jī)增壓裝置整體結(jié)構(gòu)圖1.承載帶 2.重量信號(hào)獲取器 3.稱重增壓裝置 4.中間驅(qū)動(dòng)器

2.2 帶邊增壓方式

帶式輸送機(jī)提升牽引力的常規(guī)方式是增加傳送帶初始張力,該方式在一定程度上可達(dá)到提升牽引力的目的。但此方式帶來(lái)的弊端同樣不可忽略,對(duì)于一般運(yùn)輸工況而言,帶式輸送機(jī)的傳輸張力遠(yuǎn)大于實(shí)際有效張力,不僅造成傳輸帶的張力浪費(fèi),而且加速皮帶的損耗,縮短皮帶的使用壽命。在長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)上使用該方式提升牽引力,弊端更加顯現(xiàn)。因此,單純?cè)黾觽魉蛶У膹埩κ遣磺袑?shí)際的。根據(jù)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)。

圖4 帶邊增壓模型圖1.托輥 2.傳動(dòng)帶 3.螺紋套筒 4.彈簧 5.滾輪 6.電動(dòng)機(jī) 7.承載帶 8.傳動(dòng)桿 9.金屬管 10.齒輪a 11.齒輪b

其工作原理是通過(guò)重量信號(hào)獲取器得到皮帶運(yùn)輸?shù)乃矔r(shí)重量,再與額定數(shù)值進(jìn)行比較后,由控制器將信號(hào)傳遞至電機(jī),電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)桿由齒輪動(dòng)力進(jìn)一步傳遞。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓兩旁彈簧并推動(dòng)金屬管擠壓承載帶,使承載帶向下方凹陷與傳動(dòng)帶緊密貼合,增大兩者間的摩擦力,實(shí)現(xiàn)增壓過(guò)程[5]。

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。壓輥與承載帶之間設(shè)置剛?cè)峤佑|面,對(duì)壓輥施加沿Y軸的位移約束;承載帶與傳送帶之間設(shè)置柔性接觸面,并對(duì)二者施加位移約束,構(gòu)件兩帶間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式;托輥裝置設(shè)定固定約束。上述施加的約束均采用局部坐標(biāo)系,以達(dá)到便捷操作的目的,同時(shí)不影響模型運(yùn)算結(jié)果。根據(jù)井下工況進(jìn)行模型賦參,具體如表1所列。此外,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸送機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),傳動(dòng)帶和承載帶兩端張力分別賦值24 294、25 578N和49 978、 49 323 N。

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(shí)主要有兩種工況,一種為無(wú)載運(yùn)輸,另一種為有載運(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。

圖6 不同工況下線摩擦輸送機(jī)的總體變形云圖

由圖6可知,采用帶邊增壓方式后輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,無(wú)載和有載兩種情況均會(huì)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(wú)載時(shí)最大變形量約為0.018 m,而有載時(shí)最大變形量約為0.022 m。由此說(shuō)明,帶邊增壓方式可明顯調(diào)整由于線摩擦形式帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)力不足的現(xiàn)象,有利于輸送機(jī)的運(yùn)輸。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)井下生產(chǎn)工作面生產(chǎn)能力對(duì)線摩擦帶式輸送機(jī)運(yùn)輸煤炭的重量進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)重量信號(hào)獲取器進(jìn)行設(shè)定(定值為560 N)。線摩擦輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示,重量信號(hào)獲取器測(cè)得皮帶上方物料的瞬時(shí)重量后與設(shè)定值560 N進(jìn)行比較,由控制器將信號(hào)繼續(xù)傳輸至伺服機(jī)中,電機(jī)帶動(dòng)增壓器進(jìn)行增壓。在此過(guò)程中,無(wú)載和有載兩種情況下,都能在重量信號(hào)獲取器的作用下達(dá)到設(shè)定值,從而滿足使用需求。

圖7 不同工況下線摩擦輸送機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

文中重點(diǎn)對(duì)線摩擦帶式輸送機(jī)不同運(yùn)行工況進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),線摩擦帶式輸送機(jī)在凹弧段運(yùn)輸時(shí),承載帶與傳動(dòng)帶間的摩擦位置沒(méi)有負(fù)載,由摩擦產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力不足,影響傳動(dòng)效果;在凸弧段運(yùn)輸時(shí),承載帶與傳動(dòng)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(guò)度磨損現(xiàn)象,影響皮帶使用壽命。對(duì)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(dòng)帶間的摩擦力,改善了驅(qū)動(dòng)力不足的問(wèn)題,延長(zhǎng)了皮帶使用壽命,利于線摩擦帶式輸送機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)距離、大運(yùn)量運(yùn)輸。