礦用帶式輸送機(jī)換帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王美俊

（大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司梨園河煤礦， 山西 忻州 036701）

引言

井下帶式輸送機(jī)是煤礦井下運(yùn)輸?shù)闹饕餍担鴰捷斔蜋C(jī)式的膠帶在長(zhǎng)期使用過(guò)程中頻頻出現(xiàn)磨損、劃傷和斷裂現(xiàn)象[1]。因此，為保證煤礦正常的生產(chǎn)安全，需定期更換膠帶。目前，煤礦井下采用機(jī)械更換膠帶較少，人工更換膠帶占多數(shù)。由于井下巷道空間操作空間有限，人工更換膠帶作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)以及操作安全系數(shù)低，間接造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了煤礦的高效生產(chǎn)[2]。因此，本文對(duì)換帶系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

1 帶式輸送機(jī)換帶系統(tǒng)存在的問(wèn)題

帶式輸送機(jī)主要是依靠膠帶與物料之間的摩擦力進(jìn)行運(yùn)輸，而膠帶則是帶式輸送機(jī)承載和運(yùn)輸物料的重要載體。此外，帶式輸送機(jī)還存在著膠帶與托輥、膠帶與驅(qū)動(dòng)滾筒之間的摩擦，在煤礦的長(zhǎng)期生產(chǎn)使用中將會(huì)導(dǎo)致膠帶的磨損，尤其在頂板狀況不好時(shí)，頻頻出現(xiàn)部分矸石拉出直接導(dǎo)致皮帶帶面劃傷、鋼絲繩出現(xiàn)銹蝕和斷裂現(xiàn)象[3]。上述情況為帶式輸送機(jī)皮帶運(yùn)行埋下了安全隱患，縮短了膠帶的更換周期。為了保證皮帶安全運(yùn)行，必須對(duì)膠帶進(jìn)行定期更換。由于帶式輸送機(jī)設(shè)備周?chē)鸂顩r的復(fù)雜性以及井下巷道空間的局限性，使得更換膠帶的工作復(fù)雜繁瑣。因此需要對(duì)舊皮帶進(jìn)行定期更換，以提高生產(chǎn)的安全性。目前，煤礦井下更換膠帶的方法為人工更換，而后將新膠帶鋪設(shè)到輸送機(jī)上將新舊接口使用熱硫化方法對(duì)接[4]。由于帶式輸送機(jī)安裝長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)、巷道坡度較大、膠帶本身很重，人工將膠帶安全傳送至輸送機(jī)頭部，并硫化接頭及開(kāi)機(jī)試運(yùn)行，該過(guò)程人工作業(yè)最短需要七個(gè)工作日才能順利完成，在此期間工作面必須處于停產(chǎn)狀態(tài)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)換帶裝置并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2 帶式輸送機(jī)換帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1 帶式輸送機(jī)換帶裝置的設(shè)計(jì)

本文基于機(jī)電液一體化技術(shù)所設(shè)計(jì)的換帶系統(tǒng)如圖1 所示，該系統(tǒng)主要由換帶裝置、液壓泵站以及電控柜組成。該系統(tǒng)從履帶行走系統(tǒng)獲得靈感，設(shè)計(jì)了由液壓泵站提供動(dòng)力源的換帶裝置，該裝置由傳帶結(jié)構(gòu)、機(jī)架支撐結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)以及壓緊油缸構(gòu)成，并通過(guò)電控柜進(jìn)行智能控制，可實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)換帶。帶式輸送機(jī)吸收了履帶運(yùn)行平穩(wěn)、速度快、接觸面積大的特點(diǎn)，在液壓缸所提供張力下，履帶被壓緊，進(jìn)而通過(guò)液壓馬達(dá)減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而舊帶則通過(guò)履帶與舊帶之間的摩擦力進(jìn)行回收。為了及時(shí)回收利用舊帶，在帶式輸送機(jī)的尾端設(shè)置有卷簾器，使得帶式輸送機(jī)在整個(gè)換帶過(guò)程中無(wú)需停機(jī)，大大縮短了帶式輸送機(jī)換帶的時(shí)間。

圖1 帶式輸送機(jī)的換帶工藝圖

2.2 換帶系統(tǒng)的液壓部分的設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)大多數(shù)煤礦井下的液壓泵站均采用手動(dòng)控制或自動(dòng)控制，兩者均可實(shí)現(xiàn)收帶、換帶的全部功能[5]。本文所設(shè)計(jì)的換帶裝置采用由液壓泵站、輸送管道等部件構(gòu)成的液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，該系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為壓力能，然后再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，滿(mǎn)足換帶裝置的能量需求。換帶裝置的液壓系統(tǒng)分為壓緊系統(tǒng)與傳帶系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)動(dòng)力源，可通過(guò)相應(yīng)的元件可實(shí)現(xiàn)直線與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

液壓回路主要通過(guò)傳帶回路與膠帶壓緊回路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。傳帶回路在履帶壓緊膠帶后，通過(guò)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)將膠帶與履帶之間的摩擦力轉(zhuǎn)化為動(dòng)力。此回路通過(guò)電磁閥裝置連接液壓馬達(dá)的進(jìn)油口，并在進(jìn)油路上安裝調(diào)節(jié)閥控制液壓油的流量。膠帶壓緊回路通過(guò)升降控制履帶裝置實(shí)現(xiàn)夾帶與松帶的完成，此回路通過(guò)電磁閥裝置連接液壓雙向鎖緊閥進(jìn)入油缸，并使得壓緊膠帶保持原位不動(dòng)。

2.3 換帶系統(tǒng)的電氣部分的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)換帶系統(tǒng)屬于液壓和電氣綜合控制的機(jī)械套系統(tǒng)，因此絕大多數(shù)元件依靠電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制，其中包括液壓油缸、電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)的啟停。由于煤礦井下的特殊環(huán)境，需要將電氣系統(tǒng)布置于運(yùn)輸巷道內(nèi)，且所有電氣元件均需防爆。因此，在電氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.1《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第一部分：通用要求》和GB 3836.2《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第二部分：隔爆型“d”》的規(guī)定[6]。由于上述液壓控制系統(tǒng)中有兩個(gè)液壓泵，因而配備了兩臺(tái)隔爆型電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)防爆開(kāi)關(guān)以及隔爆型電控柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟停控制。

3 帶式輸送機(jī)換帶系統(tǒng)的建模分析

本文基于全球最好用且使用最廣的三維建模軟件——SolidWorks 建立帶式輸送機(jī)的換帶裝置模型，對(duì)換帶系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析。首先通過(guò)SolidWorks 的草圖功能完成零部件的建模，給出了如圖2 所示的具體流程圖、如圖3 所示的架體底座三維模型以及如圖4 所示的鏈輪三維模型。

圖2 零部件建模流程圖

圖3 架體底座三維模型

圖4 鏈輪三維模型

在三維零件圖建好之后，利用Solid Works 軟件中自底向上的方法建立裝配體。自底向上與自頂向下的方法是建立裝配體常用的方法，但前者是將已完成的零件通過(guò)添加位置與裝配約束構(gòu)成裝配體，而后者是從一個(gè)空裝配體開(kāi)始，將已完成的零件插入裝配體中。本文由于零配件較多，因此采用自底向上的方法建立裝配體，裝配好的換帶裝置模型圖如圖5 所示。

圖5 換帶裝置裝配圖

通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)換帶系統(tǒng)進(jìn)行建模，使用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元仿真分析。有限元分析方法是一種進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)用的一種矩陣分析方法，最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，其基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法。將已經(jīng)構(gòu)建好的換帶裝置三維裝配圖導(dǎo)入ANSYS 軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，如表1 所示，在材料允許值的范圍內(nèi)，可以看出換帶裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在優(yōu)化前后的最大位移、最大應(yīng)力、最大應(yīng)變以及最小安全系數(shù)幾乎沒(méi)有任何變化，但是其質(zhì)量從189.35 kg 降為103.65 kg，優(yōu)化效果明顯。由此可見(jiàn)，在最大應(yīng)力與最大應(yīng)變幾乎毫無(wú)變化的情況下，作用力與效果并未衰減，承受強(qiáng)度也未改變，但卻大大節(jié)約了使用材料，減輕了換帶裝置初始設(shè)計(jì)時(shí)的重量，在保證安全運(yùn)行的情況下，降低了經(jīng)濟(jì)成本。與此同時(shí)，對(duì)換帶裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。由于帶式輸送機(jī)在整個(gè)換帶運(yùn)行過(guò)程中需要進(jìn)行壓帶以及拉舊帶送新帶等過(guò)程，通過(guò)ADAMS 進(jìn)行模擬實(shí)際的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，分析換帶系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中各部件的受力，位移、速度、加速度、接觸力等曲線，通過(guò)分析這些曲線進(jìn)而驗(yàn)證了帶式輸送機(jī)換帶系統(tǒng)的可行性以及正確性，為換帶系統(tǒng)以后的優(yōu)化做準(zhǔn)備。

表1 換帶裝置優(yōu)化前后結(jié)果分析表

4 帶式輸送機(jī)換帶系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本文所設(shè)計(jì)的帶式運(yùn)輸機(jī)換帶系統(tǒng)主要是為了改善井下帶式輸送機(jī)換帶時(shí)間長(zhǎng)、換帶工作量大、操作安全系數(shù)低等問(wèn)題。因此，為了發(fā)現(xiàn)應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題，進(jìn)一步完善裝置的設(shè)計(jì)，最終將所研究的換帶系統(tǒng)在某煤礦的膠帶運(yùn)輸巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該煤礦安裝有主斜井提升系統(tǒng)，井筒斜長(zhǎng)1 320 m，膠帶強(qiáng)度為40 MPa，長(zhǎng)度1 304.5 m，傾角16°，速度為3.15 m/s；此外，安裝有運(yùn)輸能力900 t/h 的鋼絲繩芯膠帶輸送機(jī)，該輸送機(jī)采用雙滾簡(jiǎn)分別驅(qū)動(dòng)作為其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并配備有三臺(tái)同等功率的電機(jī)，安裝長(zhǎng)度為250 m，膠帶為尼龍膠帶[7]。該煤礦未采用換帶系統(tǒng)之前，換帶周期約為三個(gè)月，每次更換均為膠帶的整機(jī)更換。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，換帶系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的布置情況如圖6 所示。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的具體過(guò)程為：首先，將換帶系統(tǒng)的整機(jī)與控制裝置放置在運(yùn)輸巷附近的硝室內(nèi)，同時(shí)使用螺栓固定好換帶系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，然后利用快速接頭將換帶裝置的牽引液壓油缸連接在一起，隨后向油箱內(nèi)注油至滿(mǎn)，調(diào)定系統(tǒng)壓力，使得啟動(dòng)換帶系統(tǒng)時(shí)保證空載啟動(dòng)。在確認(rèn)用電安全之后，啟動(dòng)電控柜，當(dāng)帶式輸送機(jī)停機(jī)時(shí)斷開(kāi)舊膠帶，一端與新膠帶硫化連接，另一端送入到裝置壓帶間隙內(nèi)，而履帶機(jī)構(gòu)在馬達(dá)作用下開(kāi)始帶動(dòng)舊膠帶，將舊膠帶進(jìn)行收卷，此時(shí)完成換地過(guò)程。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)順利完成并對(duì)換帶系統(tǒng)的適用性進(jìn)行了檢驗(yàn)，證明了所設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)的換帶系統(tǒng)各項(xiàng)機(jī)械部件運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)之間配合良好，圓滿(mǎn)完成了降低操作員工人數(shù)與勞動(dòng)強(qiáng)度的目標(biāo)，大大提高了換帶效率。

5 結(jié)論

1）利用SolidWorks 軟件和ANSYS 軟件對(duì)換帶系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模與有限元分析，驗(yàn)證了裝置機(jī)械的可靠性；

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了帶式輸送機(jī)換帶系統(tǒng)的高效性、穩(wěn)定性以及安全性，在該裝置應(yīng)變力保持一定的情況下，大大節(jié)省了使用材料，優(yōu)化了傳統(tǒng)的人工換地的復(fù)雜工藝，提高了換帶效率，減輕了作業(yè)強(qiáng)度，進(jìn)而促進(jìn)了煤礦的高效生產(chǎn)。

圖6 帶式輸送機(jī)換帶系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖