礦用帶式輸送機(jī)跑偏機(jī)理及糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙玉桃

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 寺河煤礦，山西 晉城 048200)

0 引言

煤炭作為關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)民生的主要一次性能源，在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中占比達(dá)75%以上，消耗量巨大。煤炭資源現(xiàn)有的主要開采方式由煤礦綜采設(shè)備割截井下煤層，然后由帶式輸送機(jī)運(yùn)送至地面，因此帶式運(yùn)輸機(jī)在煤炭的開采利用中是至關(guān)重要的一環(huán)[1]。帶式運(yùn)輸機(jī)作為煤炭等散裝介質(zhì)的井下主要物料運(yùn)輸設(shè)備，其具有運(yùn)輸距離長(zhǎng)、運(yùn)輸效率高、耐磨耐腐蝕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此才保證了煤炭的連續(xù)運(yùn)輸開采，降低了生產(chǎn)成本。帶式輸送機(jī)設(shè)備的工作穩(wěn)定性對(duì)于煤炭企業(yè)的高效生產(chǎn)及保護(hù)井下作業(yè)人員的安全具有重大意義。跑偏作為帶式輸送機(jī)最為常見最為頻發(fā)的工作故障，且發(fā)生時(shí)間及位置目前尚未有規(guī)律可循，因此開展帶式輸送機(jī)的糾偏研究就顯得十分有必要。

1 跑偏機(jī)理及影響因素分析

1.1 跑偏機(jī)理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多年的跑偏故障經(jīng)驗(yàn)，帶式輸送機(jī)膠帶跑偏呈現(xiàn)出“跑緊不跑松”的規(guī)律，且跑偏過(guò)程中膠帶跑偏方向與輸送帶運(yùn)行方向呈垂直狀態(tài)[3]。當(dāng)一些未知的原因?qū)е轮行木€斜置，或者膠帶寬度方向上的張緊力不一致時(shí)，膠帶則會(huì)發(fā)生明顯的跑偏，如圖1所示。

圖1可以理解為托輥與膠帶間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力F，其驅(qū)動(dòng)膠帶的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，摩擦力方向與托輥垂直，當(dāng)跑偏時(shí)摩擦力的方向與膠帶呈α角，因此F基于膠帶中心線可以分解為平行膠帶中心線的Fx與垂直方向的Fy，其中Fy為膠帶跑偏的主要驅(qū)動(dòng)力及原因。而從“跑緊不跑松”的實(shí)際規(guī)律來(lái)看，當(dāng)膠帶的中心線與托輥或滾筒偏斜后，會(huì)導(dǎo)致膠帶在寬度方向上與托輥或滾筒的接觸時(shí)間上發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，因此導(dǎo)致膠帶寬度方向上的張緊力差異，這將進(jìn)一步導(dǎo)致跑偏的程度。

圖1 膠帶跑偏示意圖

1.2 跑偏影響因素

總的來(lái)講，輸送機(jī)膠帶跑偏的影響因素可分為以下三類[4]：

(1)安裝誤差所致。安裝誤差可能導(dǎo)致的后果包括：膠帶或托輥中心線的跑偏方向與輸送帶運(yùn)行方向出現(xiàn)大于或小于90°的運(yùn)行偏離，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加劇偏離傾向；膠帶兩側(cè)彈性模量差異，膠帶所用橡膠材料為各向異性材料，對(duì)接誤差時(shí)導(dǎo)致兩個(gè)方向上的變形量不一致，最終導(dǎo)致偏離。

(2)生產(chǎn)或使用故障。使用時(shí)滾筒軸線與膠帶中心線的垂直度超出要求，膠帶向緊側(cè)偏離。

(3)煤炭等介質(zhì)在膠帶上分布不均，造成膠帶各位置受力及變形不均，當(dāng)變形影響到膠帶中心線的要求時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生偏離。

2 膠帶糾偏方法

在實(shí)際生產(chǎn)中，總結(jié)出的糾偏方法包含以下幾種[5]：

(1)立輥?zhàn)约m偏：立輥?zhàn)约m偏裝置包括中部3個(gè)V型排列的托輥，兩側(cè)各有1個(gè)立輥，所有托輥均安裝于托輥支架，該支架可旋轉(zhuǎn)插入底座中，而底座可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因此整個(gè)機(jī)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。立輥?zhàn)约m偏裝置如圖2所示，該裝置的工作原理為：當(dāng)膠帶一側(cè)跑偏時(shí)，由于機(jī)構(gòu)的原因跑偏一側(cè)受力相應(yīng)增大，而受力變大后會(huì)帶動(dòng)糾偏裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)。膠帶為了保持與裝置的平行，輸送帶必須向相反一側(cè)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至平行后停止，此時(shí)即已完成輸送帶的糾偏。該糾偏裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需能源驅(qū)動(dòng)；但輸送帶的糾偏是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此對(duì)于裝置的磨損較大。

圖2 立輥?zhàn)约m偏裝置

(2)外力糾偏：通過(guò)托輥?zhàn)约m偏裝置的分析，可知輕微的跑偏對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)沒(méi)有太大影響。只有當(dāng)跑偏量超過(guò)一定的數(shù)值后才會(huì)造成嚴(yán)重后果，因此在現(xiàn)有托輥?zhàn)约m偏裝置的基礎(chǔ)上增加測(cè)距傳感器，判定跑偏量后利用液壓裝置產(chǎn)生推力達(dá)到糾偏的目的。該方法糾偏機(jī)理最為可靠，糾偏次數(shù)少，裝置磨損量小，且糾偏效果最佳。

(3)滾筒糾偏：膠帶繞行在前后滾筒上，因此可通過(guò)滾筒來(lái)驅(qū)動(dòng)膠帶糾偏。糾偏原理為：調(diào)整滾筒兩側(cè)的張緊力與滾筒軸線的平行度達(dá)到糾偏的目的。驅(qū)動(dòng)方式為調(diào)整滾筒兩側(cè)軸承座絲杠或液壓驅(qū)動(dòng)，調(diào)整量視膠帶跑偏量而定。該方法綜合糾偏性能優(yōu)良，因此將對(duì)該技術(shù)方法展開進(jìn)一步的改進(jìn)研究。

3 糾偏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)滾筒糾偏的原理，設(shè)計(jì)如圖3所示的糾偏系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)偏移檢測(cè)裝置檢測(cè)到偏移量超出要求后，系統(tǒng)控制器根據(jù)跑偏量計(jì)算并下達(dá)指令至液壓控制裝置，由液壓控制裝置控制油量驅(qū)動(dòng)推移油缸運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)滾筒的軸承座絲杠最后達(dá)到糾偏的目的。需要說(shuō)明的是當(dāng)膠帶兩側(cè)的張緊力需要重新調(diào)節(jié)時(shí)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)絲杠控制滾筒的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到增加或減小張緊力的目的。

3.1 偏移檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)糾偏系統(tǒng)的工作原理可知，偏移檢測(cè)裝置的精確測(cè)量是保證糾偏量正確的先決條件，這樣才能避免由檢測(cè)帶來(lái)的誤差導(dǎo)致過(guò)調(diào)或缺調(diào)，因此偏移檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)也成為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。實(shí)際糾偏過(guò)程中，偏移檢測(cè)裝置需同時(shí)檢測(cè)跑偏量以及跑偏的速度，根據(jù)這個(gè)要求設(shè)計(jì)了如圖4所示的偏移檢測(cè)裝置。

圖4 偏移檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)圖

由圖4可知偏移檢測(cè)裝置的原理：立輥與膠帶的側(cè)面直接接觸，立輥軸固定于連桿并通過(guò)連桿與位移傳感器相連，形成類似于杠桿的結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸送帶發(fā)生跑偏時(shí)，立輥由于時(shí)刻保持與膠帶的接觸，因而會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)連桿，使得位移傳感器與上方信號(hào)板之間的距離發(fā)生變化，因此即可測(cè)得位移傳感器的位移，再由簡(jiǎn)單的幾何學(xué)公式即可計(jì)算出輸送帶的偏移量。該裝置原理清晰且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便，易于維護(hù)，對(duì)于輸送帶的正常工作影響也較小。

3.2 跑偏量及跑偏速度的計(jì)算

如圖4所示，立輥中心與固定支點(diǎn)間的水平距離為l1，垂直距離為s1，同理位移傳感器至固定支點(diǎn)間的水平距離為l2，垂直距離為s2。連桿與水平線的夾角為θ，那么輸送帶的跑偏量可以表示為：

Δs1=s1·sinΔθ.

(1)

同理輸送帶的跑偏速度，可以通過(guò)以下的計(jì)算公式獲得：

(2)

即跑偏速度為跑偏距離、偏角增量余弦值與偏角隨時(shí)間變化率三者的乘積。

4 糾偏系統(tǒng)的驗(yàn)證

將該糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)測(cè)試后應(yīng)用于某煤礦的實(shí)際生產(chǎn)中。在該煤礦現(xiàn)場(chǎng)按照要求安裝糾偏系統(tǒng)，根據(jù)為期一個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)使用效果及測(cè)量表明，由傳送帶偏移造成的物料拋灑、膠帶跑偏磨損等常發(fā)的機(jī)械故障與資源浪費(fèi)情況相較于一個(gè)月前下降了60%，同時(shí)傳送帶的使用壽命提升了26%。因此可以證明本文所設(shè)計(jì)的糾偏系統(tǒng)在糾偏上的有效性，有利于煤礦傳輸階段的穩(wěn)定、有序、安全工作，也同時(shí)提升了整體傳輸設(shè)備的工作性能，為其他類型的糾偏形式及煤礦傳輸設(shè)備的升級(jí)改造提供了借鑒，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。