鋼絲繩牽引帶式輸送機系統的升級改造

岳彥博

摘 要 鋼絲繩牽引帶式輸送機具有運行阻力小、運行平穩、可以實現人機兩運等優點，在煤礦運輸中應用廣泛。但運行過程中也暴露出很多問題，如果強制淘汰將其更新為強力帶式輸送機，施工時間長，資金投入大。但如果能對現有的鋼絲繩牽引帶式輸送機進行針對性的升級改造是最可行的方案。本文以某礦井的鋼絲繩牽引帶式輸送機運輸系統為例，對驅動繩輪運用三維仿真技術進行了優化設計，對制動系統及其配套電控系統進行了升級改造，提高部件的壽命和系統的安全可靠性。

關鍵詞 鋼絲繩牽引帶式輸送機；驅動繩輪；自冷盤式制動裝置；電控系統

中圖分類號 TD52 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）12-0092-02

某礦井設計生產能力0.9Mt/a，主暗斜井安裝一部B=1 000mm鋼絲繩牽引膠帶輸送機，傾角17.5°，主要擔負原煤、矸石、人員運輸等任務，輸送機主要由驅動裝置、導繩輪、卸載裝置、分繩裝置、輸送帶、牽引鋼絲繩、裝載裝置、支承裝置、拉緊裝置等部件組成。其工作原理為：兩根無極鋼絲繩分別繞過驅動滾筒和輸送機尾部的拉緊輪，輸送帶以其兩側上下沿輸送帶全長都有的特制雙面耳槽，搭在兩根鋼絲繩上，之后隨之一系列動作，給料機將物料通過輸送帶進行運送，最后通過卸載裝置卸下。該系統使用過程中暴露出以下問題。1）驅動繩輪的使用壽命較短，維修費用高，要保證它的安全運轉，需要投人較多的資金。2）只在高速軸處安裝了推桿制動器，只能實現停機后的定車功能，不能實現工作制動，制動時對設備的機械部分造成較大沖擊。

針對以上問題，本文運用等應力理論，對驅動繩輪運用有限元分析方法進行優化設計，以達到使各個截面的最大應力均在接近許用應力的范圍內使用，使得工程機械材料合理利用，同時實現了結構的輕量化設計；同時對制動系統進行了改進，采用了自冷盤式制動裝置，通過配套液壓系統和電控系統形成一套機電液一體化的自動制動系統，大大提高了制動可靠性和安全性。

1 驅動繩輪的結構分析和優化

本系統使用摩擦式驅動繩輪，輪徑D=3 500mm，襯墊沿輪圈圓周拼裝。為了在井下方便運輸，將驅動繩輪分成兩瓣制作，由絞制孔螺栓將兩瓣輪體連接。使用ANSYS Workbench14.5軟件對其進行有限元分析。

1.1 模型的前處理

驅動繩輪為Q235鋼板焊接而成的焊接件，在ANSYS Workbench14.5中設置材料特性如下，其屈服強度，彈性模量，抗拉強度，泊松比。

本文先在Solidworks2015軟件中建模，然后將模型導入ANSYS Workbench14.5軟件中，從Solidworks2015軟件導入ANSYS Workbench14.5軟件之后，采用自動劃分網格的方法劃分的有限元模型。

設置合適的接觸對是對裝配體進行有限元分析的關鍵。ANSYS Workbench中的接觸對有Bonded（綁定），No Separation（不分離），Frictionless（無摩擦），Rough（粗糙）和Frictional（有摩擦）五種形式。Bonded，即綁定約束，可將接觸區域看作被連接在一起，不允許面或線間有相對滑動或分離。除此以外，No Separation為不分離約束，Frictionless為無摩擦約束，Rough為粗糙約束，表現為完全的摩擦接觸，Frictional為有摩擦約束。驅動繩輪為Q235鋼板焊接而成的焊接件，所以，使用Bonded（綁定）接觸形式，用來模擬在焊接未失效之前，兩焊接表面之間沒有相對滑動或分離的接觸關系。

對驅動繩輪與主軸接觸的面施加固定約束，對驅動繩輪與鋼絲繩接觸的面施加壓力，對驅動繩輪施加驅動轉矩。

1.2 結果后處理

驅動繩輪的最大變形為0.259 6mm，位置在驅動繩輪與鋼絲繩接觸的中間位置附近，驅動繩輪在鋼絲繩圍包的驅動力作用下，產生向直徑方向上的擠壓變形，圓周上的焊接槽鋼也在向心的拉力作用下產生變形，變形從鋼絲繩包圍的邊緣向中心累加，在中間位置處達到最大，在0.25mm左右。

圖1所示上下圖為從不同方向上看去得到的驅動繩輪的等效應力云圖，可以看到，驅動繩輪的最大等效應力值為58.74MPa，位置在驅動繩輪與鋼絲繩接觸的中間位置附近。圓周上焊接的槽鋼的等效應力大部分在13MPa～58MPa之間，材料得到了充分的利用，符合等應力理論設計的原則。

2 自冷盤式制動裝置的應用

低速軸制動器采用制動力矩可調的低速軸自冷盤式可控制動裝置，以滿足輸送機正常停車、緊急停車和定車作用。制動器須具備以下技術特點：1）使輸送機停車減速度保持在0.05m/s2～0.3m/s2范圍內；2）最大制動力矩整定方便；3）控制或拖動系統突然斷電或保護停車指令發出時能可靠制動直至平穩停車；4）每小時制動達10次，制動盤表面溫度小于150℃；5）打滑檢測、超速和保護功能較為完善和先進；6）液壓系統的工作可靠性比較高，且便于調試和、安裝方便；7）與電控裝置配合，可以可控重載起動。

2.1 自冷盤式制動裝置的機械結構

自冷盤式可控制動裝置主要由制動盤，液壓制動器（含活塞、閘瓦、彈簧等），底座，液壓站等組成，其制動力由閘瓦與制動盤之間的摩擦產生的。由此可知，當調節閘瓦對制動盤的正壓力時，其制動力也會隨之改變。而制動器正壓力的大小與油壓P與彈簧的作用結果相關，當機電設備正常工作時油壓P達最大值，正壓力N為0，且閘瓦與制動盤間留有1mm～1.5mm的間隙，此時制動器處于松閘狀態。當機電設備需要制動時，根據工況和指令情況，電液控制系統將按預定的程序自動減小油壓以達到制動要求。

2.2 制動器的液壓站

液壓控制系統采用雙回路工作方式，雙路控制系統完全對稱，一套工作一套備用。主要包括電動機、液壓泵、溢流閥、安全閥、電液比例閥、濾油器等組成。當鋼纜機系統起動時，直流驅動電機首先起動，當直流主電機電流達到憋閘電流時，電機已經帶載，此時開制動器，鋼纜及不會下滑，制動器電控收到起動指令后，首先起動泵電機，如果系統選擇的是1號系統工作，2號系統待機狀態，則1號電磁閥送電，開始升壓，當電液比例閥的給定信號越來越大系統壓力逐漸升至額定壓力，系統制動器打開，直流主電機開支逐漸提高帶速，直至最終起動完成；系統正常停車時：當主電機速度降到0.2m/s時，停泵電機，1號電磁閥斷電，比例閥控制信號清零，制動裝置快速抱閘。

2.3 制動器自動控制系統

制動器電控系統主要由電源、可編程序控制器（PLC）、輸入輸出接口電路和比例驅動板組成。PLC是整個制動系統動作的控制核心，主要功能是接收鋼纜機集控系統發來的開機和停機指令，控制系統按照合理的減速度進行制動，并具備自身的故障診斷功能。比例驅動板是信號放大機構，它將PLC輸出的0～5V電信號變換成0～500mA的驅動電流信號，來控制電液比例閥動作。

4 結論和展望

經過設計優化和改造后，系統運行一年有余，據現場反應，驅動繩輪的故障率和維修率大大降低，設備無故障運行時間大大延長，由于采用了可控制動系統，制動減速度可控，不但減少了停機時的制動沖擊，還提高了乘人的舒適性。在后來該礦的另外幾條鋼絲繩牽引帶式輸送機的改造中，均采用了此方案，取得了較大的經濟效益，建議以后繼續對托繩輪等大量使用的關鍵部件進行研究，提高其使用壽命。

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