帶式輸送機柔性斷帶抓捕裝置的設計

楊廣東

（山西焦煤西山煤電集團公司西曲礦掘進三隊， 山西 太原 030200）

引言

輸送帶在長久工作時受其輸送帶本身質量差、連接處強度不足、啟動、停止時瞬間的張力過大，長期受變載荷影響等因素影響極易發生斷裂[1]。在大傾角的輸送機系統中，一旦發生斷帶，輸送帶上的散料及輸送帶本身將在自身重力的作用下沿輸送機機架下滑，如果不能及時對下滑的輸送帶進行制動，輸送帶及物料將會堆積在巷道底部，造成長時間的停產。因此，本文研究一種柔性斷帶抓捕裝置，以在最佳的時間點對下滑的輸送帶進行制動。

1 輸送帶數學模型的建立

帶式輸送機的數學模型建立應本著簡單、準確、適用的原則，由輸送帶的組成可知，輸送帶為一個巨大的黏彈性體，其主要表現在輸送帶在外來力量的作用下，其內部的應力和應變具有非線性的關系，且應力和應變的關系呈現一種滯后性。

在對輸送帶的基本特性進行分析后，本著簡單、實用的原則我們選擇將輸送帶的數學模型通過一個黏性元件和一個彈性元件組成的數學模型來模擬輸送帶所具有的黏彈性特性[2-3]，目前常用的表述黏彈性的數學模型主要包括Maxwell模型和Vogit模型，因為Vogit模型比Maxwell模型能夠表現出更高的黏彈性特性，因此我們以Vogit模型作為選定的數學模型來建立輸送帶的數學模型[4]。

Vogit模型是由一個彈性的元件（彈簧）和一個黏性元件（阻尼器）構成，其結構如圖1所示。

圖1 Vogit黏彈性的數學模型結構示意圖

Vogit模型的黏彈性數學轉換公式可表示為：

式中：σ為輸送帶的所受的應力；E為彈性模量；ε為輸送帶在應力作用下的應變量；η為阻尼系數為輸送帶在應力作用下發生應變的速度。

對輸送帶施加恒應力σ=σ0H（t）可得出其在應力[5]作用下的響應值：

故其變形的柔量可表示為：

在數學模型上對其施加一個應變ε=ε0H（t）時，其在應變作用下的響應值σ（t）可表示為[6]：

其松弛模數可表示為：

2 斷帶抓捕裝置整體結構設計

新型柔性斷帶抓捕裝置應具有結構簡單、動作迅速可靠、斷帶監測信息準確、抓捕安全、可靠等特點，基于以上要求，新型抓捕裝置執行機構如下頁圖2所示，其主要由機械骨架、執行油缸及楔形塊組成，在工作時，斷帶抓捕裝置的信號監測系統對輸送帶的運行情況進行實時監測，當發生斷帶事故后，信號監測系統發出抓捕信號給斷帶抓捕裝置的液壓控制系統，由液壓控制系統控制執行機構上的執行油缸執行抓捕動作，為了確保抓捕后的安全制動，該斷帶抓捕裝置的執行機構采用了12°自鎖結構，能夠確保對輸送帶的可靠鎖緊。

3 斷帶抓捕機構信號監測系統設計

斷帶抓捕機構能否執行抓捕動作完全依賴于信號監測裝置對輸送帶運行狀態的監測，因此信號監測裝置的可靠性直接關系到輸送機的抓捕機構能否正常工作，如果信號監測裝置在輸送機正常工作時發出了誤動作的信號，則將直接造成安全運行事故，輕者造成機架被拉跨，重者則造成較大的人員傷亡事故，帶來極具惡劣的影響，因此為確保信號監測裝置對輸送機運行狀態判斷的可靠性，我們選擇了以PLC控制結構和編碼器裝置為核心的信號監測裝置。

圖2 斷帶抓捕結構示意圖

如圖3所示，在輸送帶系統上分布著5個編碼器裝置，1號編碼器位于輸送機的主滾筒上，用于監測輸送帶的正常運行速度，當斷帶事故發生在2號和3號位置之間時，2號編碼器監測的輸送帶的運行速度增大，方向不變，3號編碼器監測到的輸送帶的運行速度逐漸減小，方向先不變后相反，4、5位置的編碼器監測到的輸送帶的運行速度逐漸增大，速度方向保持不變，這樣利用各編碼器監測到的速度情況與1號編碼器內的速度情況進行對比，即可判斷輸送機系統是否發生了斷帶事故。

當斷帶發生在其他位置時可利用相同的原理，通過速度差值對比的方法來判斷輸送帶的運行狀態，這種新的差值判斷法比之前常用的電流突變檢測法、張緊力突變檢測法、小車位置檢測法等方案具有更高的可靠性，因為在輸送機正常工作的過程中會經常受到一些外界因素，如載荷突變、緊急制動等的影響，傳統的監測方案極易出現誤報警的情況，而利用編碼器組速度差值檢測的方案則能完美的解決以上問題，實現對輸送機運行情況的準確判斷，避免斷帶抓捕裝置的誤動作。

圖3 輸送機運行狀態信號監測裝置

4 結語

這種柔性斷帶抓捕機構采用楔形塊自動鎖緊裝置，很好地解決了傳統斷帶抓捕裝置在執行抓捕指令時對輸送帶造成二次傷害等難題，為確保輸送機斷帶抓捕裝置的可靠性和有效性制動提供了強有力的保障。