主運帶式輸送機底部積煤清理裝置及控制系統(tǒng)設(shè)計

申閃光，苗強

(潞安集團 王莊煤礦, 山西 長治 046031)

0 引言

在帶式輸送機運輸原煤的過程中，受輸送帶跑偏、載荷不均勻或輸送帶上附著煤塵不能及時得到清理等因素影響，輸送帶沿線經(jīng)常有大量煤塵散落或堆積在輸送帶底部，極難清理干凈，容易造成底部輸送帶磨損、拌卡和托輥的損壞等不利后果，縮短了托輥和輸送帶的使用壽命，因此，積煤必須及時清理?，F(xiàn)在的清煤工作主要以人力清理為主，清理過程不但耗時、耗工、耗力，還因各限制條件及因素制約，清理效果往往不佳。為此，王學(xué)澤[1]針對帶式輸送機輸送帶表面的煤泥設(shè)計回煤清掃裝置，將設(shè)計的清掃裝置與膠帶表面接觸，利用耐磨、阻燃且抗靜電的尼龍絲進行自動清掃；試驗結(jié)果顯示，該裝置的回煤清掃率可達88%以上。石曉磊[2]設(shè)計硬質(zhì)合金刮板清掃器，安裝于帶式輸送機滾筒前部，通過對清掃器重塊的調(diào)整，改變清掃器對輸送帶的壓力，進而達到清掃回煤的目的。由于壓力調(diào)整不當(dāng)，該方案可能會造成對輸送帶的損傷并需要進行二次清掃。武雪威[3]針對輸送帶運輸系統(tǒng)的輸送帶粘煤問題，設(shè)計基于永磁直驅(qū)員配置的目的，同時也提高了輸送帶運輸系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。自清煤滾筒實現(xiàn)了帶式輸送機內(nèi)側(cè)清煤的自動化，達到了降低人員勞動強度、減少人員配置。劉耿[4]等設(shè)計了自動清理箕斗積煤的機械裝置，主要由破拱器、小車裝置以及控制元件組成；試驗結(jié)果表明，該清煤裝置清煤效果良好，但經(jīng)長時間運行后，該清煤裝置需要進行人工清洗。徐志廣[5]設(shè)計了一種微型膠帶運輸送機機尾清煤器，以風(fēng)為動力，驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動，并依靠摩擦力將機尾的積煤清出。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，消除了積煤隱患。以小型推車、小型提升機為積煤清理裝置的核心部件，分析其機械結(jié)構(gòu)以及控制原理。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

主運帶式輸送機底部積煤清理裝置，包括放置在主運帶式輸送機底部可行走的小型推車、設(shè)置在主運帶式輸送機底部外側(cè)的提升機以及設(shè)置在主運帶式輸送機一側(cè)并可以沿軌道行走的驅(qū)動裝置，如圖1所示。

1-小型推車；2-提升機；3-液壓動力站；4-主運帶式輸送機；5-軌道。圖1 主運帶式輸送機底部積煤清理裝置整體結(jié)構(gòu)

軌道沿主運帶式輸送機設(shè)置，驅(qū)動裝置為小型推車和提升機提供動力。該積煤清理裝置采用開放式的集鏟、運、推、提一體化底煤清理裝備，適合于含有鐵絲、棉紗、油質(zhì)、硬矸的積煤清理，比傳統(tǒng)的封閉式清煤系統(tǒng)環(huán)境適用性更強[6]。由于輸送帶底部空間狹小，一般設(shè)備無法伸入并徹底清理積煤，小推車充分借鑒蟹爪式鑿巖機的蟹爪結(jié)構(gòu)，中部加微型輸送帶，采用推斗往外推，這樣可以在不轉(zhuǎn)彎的情況下將犄角的積煤通過鏟斗輸送帶轉(zhuǎn)運到推斗，可以最大限度地完成積煤清理。同時采用履帶行走，充分適應(yīng)煤礦復(fù)雜地形。

1.1 小型推車

小型推車主要是將主運帶式輸送機底部積煤推到寬敞的行人側(cè)路面，便于清理，機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。主運帶式輸送機架間底部空間非常狹小，小型推車兩端的鏟斗、推斗設(shè)計為可以向上抬升的結(jié)構(gòu)，蟹爪鏟斗端可以通過蟹爪將不便清理的積煤輸送至中間輸送帶上，然后輸送到推斗一端，再由推斗推出外面，這樣小型推車就可以在不掉頭的情況下在狹小的空間內(nèi)清理積煤。另外推斗做成可調(diào)節(jié)高度的結(jié)構(gòu)，可在蟹爪鏟斗工作時抬起，避免中部輸送帶輸送的積煤埋壓推斗，同時有利于通過大塊矸石。鏟斗、推斗做成可調(diào)節(jié)高度的結(jié)構(gòu)還便于小車在狹小空間轉(zhuǎn)彎，躲避底部障礙物。小型推車的行走，轉(zhuǎn)彎等由管路外接手動閥組連接，便于遠距離操控。

(a) 主視圖

1.2 小型提升機

提升機放在主運帶式輸送機寬敞的行人側(cè)，靠履帶行走提供的推力將小型推車推出的積煤推在鏟斗上，再由蟹爪將積煤耙到中部輸送帶上，輸送帶將積煤提升到一定高度后，積煤通過簸箕自溜到主運帶式輸送機上，完成積煤清理，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

(a) 主視圖

在進行小型提升機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需考慮其橫向剛度[7-8]，即該小型提升機鋼絲繩在提升積煤的重力以及鋼絲繩本身重力作用下，當(dāng)提升鋼絲繩受到橫向作用力F時，鋼絲繩產(chǎn)生橫向偏移y，F(xiàn)與y的比值定義為該小型提升機鋼絲繩的剛性系數(shù)K，即為橫向剛度，公式為：

(1)

根據(jù)鋼絲繩兩端受力分析以及受力平衡原理可得式(2)：

(2)

式中：Q為提升機下端積煤重力，ρ為鋼絲繩單位長度質(zhì)量，L為鋼絲繩懸垂長度，L1為鋼絲繩橫向受力長度。

由式(1)和式(2)可知，該小型提升機鋼絲繩的橫向剛度為：

(3)

且最小橫向剛度為：

(4)

在設(shè)計小型提升機時，選取的參數(shù)為：L為10 m；d為25 mm；ρ為14.21 kg/m；破力總合P為509 kN；下端懸垂重力最大為80 kN。

1.3 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置用于為小型推車、小型提升機提供動力源，并完成動作控制，如小型推車鏟斗的升降、蟹爪的正反轉(zhuǎn)、中部運輸輸送帶的啟停等。與傳統(tǒng)驅(qū)動裝置相比，該積煤清理驅(qū)動裝置采用鉛酸蓄電池直接為驅(qū)動裝置的直流電動機供電，可省去繁瑣的接線，更加有利于設(shè)備的維修和維護。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

主運帶式輸送機底部積煤清理裝置的控制系統(tǒng)在驅(qū)動裝置完成，控制系統(tǒng)如圖4所示，由遙控模式或本地控制模式完成對小型推車以及提升機的控制。在遙控發(fā)射器面板設(shè)計有控制小型推車以及小型提升機的控制按鈕，利用使能鍵作為區(qū)分，另還設(shè)計有急停按鈕。遙控發(fā)射器以WiFi、CAN通信方式將控制指令發(fā)送給遙控接收器。PLC控制器以CAN通信模式讀取遙控接收器的數(shù)據(jù)，完成邏輯處理功能并驅(qū)動相應(yīng)的外部元器件動作。小型推車/小型提升機由泵站電動機/運輸電動機進行驅(qū)動。泵站電動機主要為控制鏟斗、推斗等提供液壓動力，由PLC控制器控制電液開關(guān)閥通斷進而完成對液壓執(zhí)行元件的動作。運輸電動機用于驅(qū)動輸送帶，PLC控制器對輸送帶采用恒速控制模式。

圖4 主運帶式輸送機底部積煤清理裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

使用該積煤清理裝置后，減少了主運帶式輸送機底部積煤對托輥、輸送帶的磨損，延長了主運帶式輸送機機械部件的使用壽命。有效預(yù)防了輸送帶的跑偏、打滑故障，提高了主運帶式輸送機機的生產(chǎn)效率。省去清煤工，提高了工人勞動環(huán)境的安全性。目前煤礦主運帶式輸送機底部積煤清理大都是人工拿大鐵鍬清理，依據(jù)3 000 m長的主運帶式輸送機計算，每班安排2名專職清煤工，外加檢修班5個檢修工清煤，3班共計11人。

若應(yīng)用該設(shè)備只需要1人即可完成操作，大大減少人工使用成本，為礦井實現(xiàn)自動化添磚加瓦。從經(jīng)濟角度計算，以每人每月7 000元計算，每部輸送帶每月可節(jié)省77 000元，一年節(jié)省924 000元。

目前，王莊煤礦共計10部輸送帶，總節(jié)省人工成本9 240 000元，經(jīng)濟效果非常明顯。同時，由于該套裝備高效的清理效率，可以在輸送機突發(fā)擁煤時造成大量積煤外溢的情況下，快速高效地清理擁煤，進一步提高生產(chǎn)效率以及煤礦安全指數(shù)。

4 結(jié)論

設(shè)計并實現(xiàn)了主運帶式輸送機底部積煤清理裝置的機械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)，解決了積煤產(chǎn)生的主運帶式輸送機故障頻發(fā)，機械磨損嚴重的問題，改善了主運帶式輸送機的運行環(huán)境，延長了各機械部件的使用壽命，具有較好的經(jīng)濟價值和社會效益。