帶式輸送機跑偏原因及自動糾偏裝置的設計

趙 沖

(山西煤炭運銷集團神農煤業有限公司，山西 高平 048400)

0 引言

帶式輸送機以其顯著的優勢在很多領域都得到了廣泛應用，在煤礦開采領域同樣如此[1]。帶式輸送機在煤礦井下應用時，由于工作環境復雜，經常出現各類故障問題[2]。其中皮帶跑偏是非常典型的故障問題之一，根據相關實踐統計數據表明，皮帶跑偏占據所有帶式輸送機故障類型的70%～80%左右[3-4]。一旦出現皮帶跑偏，輕則對生產過程造成影響，對皮帶造成損傷，重則會引發嚴重的煤礦安全事故，給煤礦企業造成重大經濟損失和不良社會影響[5]。因此，有必要對礦用帶式輸送機皮帶跑偏問題進行深入研究，根據皮帶跑偏的特點，設計研究皮帶防跑偏裝置，保障帶式輸送機的可靠穩定運行，實現采煤過程的連續性和安全性[6]。

1 皮帶跑偏受力特征及原因分析

1.1 輸送帶跑偏受力特征

帶式輸送機在工作過程中，皮帶圍繞驅動滾筒、轉向滾筒和托輥做循環轉動。要求驅動滾筒、轉向滾筒和托輥的中心軸線相互保持平行，才能夠確保設備的正常穩定運行。皮帶工作時如果一切正常，那么沿著寬度方向皮帶各處的拉力應該全部相等，如圖1(a)所示。如果因為各方面原因導致皮帶發生跑偏現象，一方面帶的位置會發生變動，另一方面沿著寬度方向皮帶的受力也會出現變化，如圖1(b)所示。一般而言，出現皮帶跑偏一側的拉力會相對更大。

圖1 皮帶工作時帶寬方向的拉應力分布情況Fig.1 Tensile stress distribution in bandwidth direction during belt operation

1.2 輸送帶跑偏原因分析

煤礦用帶式輸送機工作環境復雜，且設備自身結構也比較繁雜，所以引起帶式輸送機皮帶跑偏的原因是多方面的。以下結合現場實踐經驗，闡述皮帶發生跑偏的主要原因：①皮帶自身制造質量缺陷導致其在寬度方向上受力不均勻，最終引發皮帶跑偏。②皮帶在裝載煤礦物料時，在皮帶寬度方向上的裝載載荷分布不均勻，在不均勻載荷作用下導致皮帶發生跑偏。如果物料重心偏右會導致皮帶向左跑偏，相反的，如果物料重心在左邊，會導致皮帶向右發生跑偏。③驅動滾筒、轉向滾筒中心軸線與皮帶對稱面不垂直，導致皮帶沿寬度方向受力不均勻引發跑偏。④托輥轉動不靈活或者發生偏轉時，使得皮帶沿寬度方向上的摩擦力存在差異，最終導致皮帶受力不均勻引發跑偏。⑤其他因素。除上述因素外，還有很多其他原因都會導致皮帶發生跑偏。比如滾筒表面加工誤差、設備運行時的振動現象、滾筒表面不清潔等。皮帶跑偏并不是單個因素作用的結果，在實踐中必然是多方面因素綜合作用的結果。

2 皮帶跑偏檢測與糾偏整體思路和過程

2.1 整體思路概述

設計研究的皮帶跑偏檢測及其糾偏裝置整體上可以劃分成為3大部分，分別包括皮帶跑偏檢測裝置、皮帶糾偏裝置、信號處理系統。其中皮帶跑偏檢測裝置的作用是對帶式輸送機工作過程中的皮帶跑偏現象進行自動檢測。設計的是立輥式皮帶跑偏檢測機構，利用該機構對皮帶的狀態進行實時檢測，采集得到的皮帶狀態信號數據經過信號放大和轉換后傳輸至PLC控制器中進行分析和處理。PLC控制器將檢測得到的信號與系統設定的正常信號進行分析和比較，將差值作為控制信號輸出給糾偏裝置。糾偏裝置在獲得控制信號后對皮帶跑偏行為進行糾偏處理。以上就是帶式輸送機皮帶跑偏與糾偏的整體思路，上述過程可以重復進行，直至皮帶完全恢復到正確的位置為止。皮帶糾偏裝置控制思路如圖2所示。

圖2 皮帶糾偏裝置控制思路Fig.2 Control idea of belt correcting device

2.2 皮帶糾偏流程分析

圖3為皮帶自動糾偏裝置工作基本流程圖。系統在啟動運行后，需要對系統內部各裝置進行初始化處理。確保系統內各裝置能夠正常運行后，啟動立輥檢測裝置對皮帶跑偏現象進行實時檢測，如果檢測發現皮帶沒有跑偏現象則系統不做任何處理，立輥繼續對皮帶進行實時監測。如果檢測發現皮帶存在跑偏現象，一方面皮帶跑偏檢測與糾偏裝置會向外發出聲光警報，另一方面會通過PLC控制器下達控制指令，啟動糾偏裝置對皮帶進行糾偏處理。從圖中可以看出，整個皮帶跑偏檢測與糾偏是一個循環的過程，只要帶式輸送機啟動工作，立輥檢測裝置就會隨之開始運行，并通過糾偏裝置對皮帶跑偏現象進行及時糾正。基于以上皮帶糾偏流程，可以有效地將皮帶控制在正確的位置上。

圖3 皮帶自動糾偏裝置工作基本流程Fig.3 Basic flow chart of belt automatic deviation correction device

3 皮帶跑偏立輥檢測及糾偏裝置

3.1 皮帶跑偏檢測裝置

設計的立輥檢測裝置主要由2大部分構成，分別為立輥和角度傳感器。

檢測裝置的基本原理：檢測的立輥在皮帶兩側各布置1個，并且立輥與皮帶邊緣緊靠。帶式輸送機在工作過程中，如果皮帶發生跑偏現象，就會對立輥產生擠壓作用，導致立輥出現旋轉。皮帶的跑偏量與立輥的旋轉量之間存在一一對應關系。通過角度傳感器可以對立輥的旋轉量進行檢測，進而可以獲得皮帶的跑偏量。皮帶跑偏立輥檢測裝置結構示意如圖4所示。

1-滾筒;2-軸承;3-拉桿軸;4-緊定螺栓;5-轉向節;6-從動齒輪;7-沖擊復位彈簧;8-轉向節銷軸;9-彈簧限位銷軸;10-拉桿復位彈簧;11-電位器;12-主動齒輪;13-長軸;14-定位銷圖4 皮帶跑偏立輥檢測裝置結構示意Fig.4 Structure of vertical roller detection device for belt deviation

角度傳感器的工作原理：立輥下方設置有電位器，立輥在旋轉過程中通過長軸可以帶動電位器中的滑動變阻器發生移動，進而改變滑動變阻器的電阻值。基于以上原理，可以將立輥的偏轉量轉換成為電位器電阻值的變化量，只需要對電位器電阻值進行測量就可以推導得到立輥的偏轉角度。需要說明的是，由于立輥與皮帶邊緣處于緊靠狀態，為了避免兩者之間發生摩擦，立輥在工作時處于旋轉狀態。皮帶直線運動過程會帶動立輥發生旋轉運動，避免兩者之間出現干摩擦問題。另外，裝置中還設置了復位彈簧，當皮帶發生跑偏又恢復正常后，通過復位彈簧可以將立輥裝置恢復到與皮帶緊靠的狀態。設計的立棍檢測裝置最大偏轉角度可達到90°。

3.2 皮帶糾偏裝置

通過立輥皮帶跑偏檢測裝置，可以實時檢測皮帶運行過程中的跑偏問題，并將跑偏信號輸入到PLC控制器中進行分析和處理，控制器將糾偏信號輸出給皮帶糾偏裝置，進而實現皮帶的糾偏行為。皮帶糾偏裝置結構示意圖如圖5所示。

從圖5可以看出，皮帶糾偏裝置整體上可以劃分成3大部分，分別為調心托輥組、蝸輪蝸桿、電機。通過電機的轉動帶動蝸桿發生旋轉，調心托輥組中心位置的軸與蝸輪直接連接，通過蝸桿的旋轉帶動蝸輪的轉動，最終實現調心托輥組的旋轉，達到糾偏的目的。PLC控制器下達的控制指令，直接作用于驅動電機上。電機根據指令內容啟動并旋轉一定角度，以上措施能夠對調心托管組的旋轉角度進行精確控制。

1-中心輥;2-錐型側輥;3-側托輥架;4-高度調整架;5-支撐架;6-蝸輪蝸桿;7-電動機圖5 皮帶糾偏裝置結構示意Fig.5 Structural diagram of belt correcting device

4 帶式輸送機自動糾偏裝置實踐效果評價

某煤礦回風巷和運輸巷等位置的帶式輸送機，在使用過程中經常出現皮帶跑偏問題，對正常的采煤過程造成了非常不利的影響。將設計的皮帶自動糾偏裝置應用到這些經常出現皮帶跑偏的區域，以檢測裝置的使用性能。整個試驗檢測過程持續3個月時間，實踐結果表明，自動糾偏裝置取得了較好的應用效果，使得皮帶跑偏現象得到了明顯改善。在實踐過程中多次發現因載荷不均勻導致的皮帶跑偏，都被自動糾偏裝置很好的化解，有效地將皮帶控制在正確的位置上。總而言之，自動糾偏裝置在帶式輸送機中的應用，對皮帶跑偏現象起到了很好的遏制作用，使帶式輸送機的開機率以及運行連續性得到了有效控制，顯著提升了煤礦物料運輸的效率，為煤礦企業創造了明顯的經濟效益。

5 結論

帶式輸送機在工作時經常會出現皮帶跑偏問題，對設備的正常穩定運行構成了嚴重威脅。導致皮帶跑偏的原因是多方面的，難以從根本上來防治，只能通過外部機構對皮帶跑偏進行糾偏處理。設計研究的皮帶跑偏立輥檢測及糾偏裝置，可以實現皮帶跑偏的自動檢測、信號處理及糾偏。將該裝置應用到工程實踐中，取得了較好的應用效果，對皮帶跑偏現象起到很好的遏制作用，保障設備的可靠運行。