新型帶式輸送機巡檢機構系統設計

張 行，李 偉，武倩平，邱明權，任 勇

（中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221116）

0 引言

帶式輸送機在我國煤炭資源開采中舉足輕重，礦井工作環境較為惡劣，瓦斯濃度、CO氣體濃度等超標易造成井下安全事故，同時帶式輸送機自身驅動裝置、改向裝置和承載托輥等也會發生故障，都有可能影響到帶式輸送機的安全運行。因此，對礦井下帶式輸送機運輸工況下的各項參數進行實時監測與預警，并做出應急動作對礦井安全生產意義深遠。

受煤礦生產技術限制，我國為數較多的礦井在帶式輸送機的控制方式上，仍然沿用傳統的人工手動、現場控制方式，在一定程度上耗費了人力和物力資源，極大地影響了煤炭開采效率，也給整個煤礦開采工作帶來巨大的安全隱患。目前已有的自動巡檢技術主要有無人機巡檢[1]和機器人巡檢兩種方式，礦井開采環境復雜多變，現有巡檢方式抗干擾能力差，且由于設備技術含量要求很高，維護相對困難，不易推廣。本文設計的帶式輸送機巡檢機構系統穩定可靠、裝卸維護方便，規避了現有技術的不足。此外，通過上位機控制，巡檢機構的巡檢設備可沿工字鋼軌道平穩運行；該設備還可用于供電裝置、數據采集裝置及無線傳輸裝置的安裝，實現對帶式輸送機各項參數的數據采集和無線傳輸，大大減少了監測環節，并有效解決了井下布線不便問題。隨著計算機控制技術和遠程監控技術的發展，基于狀態監測及故障診斷技術[2]，采用自動巡檢系統來代替手動現場控制，對煤礦資源開采意義重大。

1 總體結構及工作原理

帶式輸送機巡檢機構系統主要由機頭部分、巡檢設備和機尾部分等組成。圖1為該系統的現場布置示意圖。

圖1 系統安裝示意圖

新型帶式輸送機巡檢機構系統設計，運用了無極繩牽引單軌吊[3]的原理。整個系統由防爆三相異步電機驅動，以工字鋼作為運行軌道，其中巡檢設備與工字鋼軌道采用輪軌接觸方式，電機的運轉通過PLC控制技術[4]實現，在鋼絲繩摩擦力作用下，拖動巡檢設備運行。

2 巡檢機構系統設計

2.1 機頭和機尾部分

機頭部分由驅動電機、減速機、改向輪和安裝支架等主要部件構成，作為巡檢機構系統的動力傳輸部分，通過改向輪可實現鋼絲繩變向。如圖2所示，安裝支架由頂部支撐板、支撐立柱和固定板組成，用于設備的安裝。機尾部分由改向輪、支撐鋼架和張緊裝置構成，改向輪用于鋼絲繩改向，受到鋼絲繩長度的影響，張緊裝置可使鋼絲繩保持足夠的張力，防止鋼絲繩下墜并確保鋼絲繩與驅動輪之間有足夠的摩擦力。

圖2 機頭部和機尾部安裝示意圖

2.2 巡檢設備與運行軌道

圖3 巡檢設備裝配圖

2.2.1 巡檢設備

巡檢設備作為整個巡檢機構系統的核心部分，主要由行走機構、清掃裝置、減速電機和巡檢箱等部件構成，如圖3所示。

行走機構主要包括行走輪、軸承和導向輪等部件，采用焊接和螺栓連接方式將各部件集成安裝于組合板上；減速電機通過緊固螺栓固定，其輸出軸與行走輪軸孔緊連接，行走輪運轉同時可以帶動減速電機旋轉，有效地實現了機械能向電能轉化，減速電機轉化的電能可用于對巡檢箱內供電裝置充電，供電裝置可對數據采集裝置和無線傳輸裝置供電；清掃裝置由連接板、橡膠板、固定塊三部分構成，礦井煤灰、粉塵的堆積會影響巡檢裝置的正常運行，清掃裝置可實現對異物的清掃；配備有熱像殼的巡檢箱，可用于傳感器、供電設備以及無線數據發射設備等的集成安裝。

2.2.2 運行軌道和其它組件

運行軌道由工字鋼焊接而成，以連接槽鋼為中間部件，用螺栓將運行軌道和帶式輸送機支架連接為一體；巡檢箱上表面置有焊接板，行走機構通過焊接方式與巡檢箱連接；鋼絲繩用鋼絲繩夾固定，通過聯結塊與巡檢設備聯結；托輪組件由托輪和活節螺栓組成，是一種位置可調裝置，可用于行走機構的固定，在導向輪協同作用下，可實現行走輪沿運行軌道對稱布置，確保巡檢設備運行的可靠性；在運行軌道的起始和終點位置安裝限位開關，可用于巡檢設備運行狀態控制和位置控制等。

3 應用實施方案

3.1 主要技術參數

根據巡檢系統現場安裝情況，得到主要技術參數如表1所示。

表1 巡檢裝置主要技術參數

3.2 主要技術參數的確定與校核

3.2.1 參數設計計算

1）巡檢設備運行速度v（m/s）

式中，K為蠕動系數，k=0.98.

圖4 簡化模型

2）鋼絲繩張力計算

（1）防止鋼絲繩打滑和脫繩，鋼絲繩必須具有一定初張力，圖4為機構系統簡化模型。

式中，Smin為最小張力，N；C為撓度系數，C=800。

（2）當F1—F4側為上升（動力運行狀態）時，

（3）各點張力計算：

式中，w為運行阻力系數，w=0.02；μ1為行走輪和運行軌道之間摩擦因數，0.5；μ2為驅動輪與鋼絲繩間摩擦因數，取0.25。

考慮到富裕系數L'=2m

3.2.2 參數校核

1）運行軌道強度校核

圖5 軌道受力和彎矩

最大彎曲正應力：

式中，Mmax為工字鋼截面最大彎矩；l為軌道的跨度；FA為巡檢設備對工字鋼總作用力；Wz為相對于中性軸的抗彎截面系數。

σmax=86.33MPa≤[σ]=215MPa，Wz=Wx=77.1cm3，彎曲正應力滿足強度條件。

2）驅動輪防滑校驗[5]：

鋼絲繩牽引可靠性取決于是否有足夠的摩擦力在極限動力運行狀態，由歐拉方程：

式中，F1為重載側張力；F2為輕載側張力；e為自然底數；μ為襯墊與鋼絲繩的摩擦系數，μ=0.2；β為驅動輪圍包角，β=π。滿足防滑安全要求。

3）鋼絲繩校核：

其中，Sk為鋼絲繩破斷力總和；Sm為最大張力點張力，5.47KN；m為最低鋼絲繩安全系數；mA為鋼絲繩安全系數。

4）電動機校核：

式中，Kμ為防爆三相電機功率備用系數，Kμ=1.2；η為傳遞效率，η=0.79。

考慮到增加運量，礦用防爆立式安裝電機YBK2-112M-6(B5)。

5）減速器校核：

（1）設備輸出扭矩

選減速機為B3HV07-63，TN=20000＞T=454.4N/m，滿足條件。

（2）設備輸出功率

η0為減速機傳遞效率，取為0.98；P1為減速機額定功率，大小為0.72kw。

3.3 巡檢軌道有限元仿真

運行軌道受到載荷沖擊會發生結構變形，造成結構不穩定。巡檢設備位于軌道中部位置時為工字鋼軌道最危險工作狀態，本文基于ANSYS14.0選擇四個行走輪共同加載的方式對工字鋼軌道進行了集中載荷靜力學有限元分析[6]，得到應力應變云如圖6所示。應力變形為1.38×10-5m，應力變化范圍為1596Pa～4.84MPa，巡檢軌道應力應變在合理范圍內，滿足要求。

圖6 應力應變云圖

3.4 應用效果分析

3.4.1 設計效果

本文所設計的新型巡檢機構系統，結構簡單、靈活性強，通過PLC控制技術使整個系統平穩運行，具體實施流程如圖7所示。

圖7 巡檢裝置運行流程圖

圖8 信號無線傳輸原理圖

此外，巡檢箱內安裝的瓦斯傳感器、噪聲傳感器等，傳感器具有自動預警功能，可用于噪聲、瓦斯氣體濃度等的監測；紅外熱像儀既可完成溫度監測[7]，又能對生產現場進行圖像采集。傳感器監測數據經研華數據采集卡進行數據采集，通過無線路由器進行數據中轉，通過無線天線板實現點到點信號傳輸，基于無線發射技術，進一步數據傳輸至上位機做進一步分析處理，對突發狀況可實現遠程監控。信號傳輸原理如圖8所示。

3.4.2 現場應用

本文設計的新型帶式輸送機巡檢機構系統，在中煤平朔井工一礦得到了很好的運用。系統巡檢設備在帶式輸送機巷道運行狀態良好，減速電機和供電裝置自動充放電方案可行，很好地實現了對多個傳感器和無線傳輸裝置供電。此外，實現了帶式輸送機運行工況下多傳感器數據的集中采集和信號的無線傳輸，圖9為系統現場安裝圖。

圖9 現場安裝圖

4 結束語

與傳統的智能巡檢系統相比，新型礦用帶式輸送機巡檢機構系統，具有裝卸方便、便于維護和節能環保等突出優點。此系統可實現多傳感器數據采集、自動充放電以及無線數據傳輸，為井下帶式輸送機遠程監控和自動巡檢提供了一種新的巡檢方式，取代了人工作業，可對突發危險狀況及時預警并采取有效的停機保護措施，應用前景廣泛。

[1]朱為維,王啟源.基于無人機的線路巡檢技術研究[J].電子制作,2013,21:13-14+6.

[2]Andrew K.S.Jardine,Daming Lin,Dragan Banjevic.A review on machinery diagnostics and prognostics implementing condition-based maintenance[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2005,207.

[3]張秋靈,王健,杜忠宇.無極繩單軌吊運人裝置的研究與應用[J].科技資訊,2012,33:72+74.

[4]郭颯.PLC上位機監控系統的研究.設計及應用[D].東華大學,2004.

[5]洪曉華.礦井運輸提升[M].徐州:中國礦業大學出版社,2005:261-267.

[6]黃志輝,趙紅偉.鋼軌應變分布場的有限元分析[J].機電工程,2007,04:13-14+22.

[7]QUAN Yanming,XU Hao,KE Zhiyong.Research on some influence factors in high temperature measurement of metal with thermal infrared imager[J].Physics Procedia,2011,19.