一種快速拆裝自固定帶式輸送機的研制

鄔建雄

（國家能源集團 神東煤炭集團皮帶機公司，內蒙古 鄂爾多斯 017200）

0 引言

目前國內外礦用膠帶機均采用有基礎設計，機頭部位需要進行水泥澆灌固定，工程量大且安裝回撤周期較長，礦井順槽膠帶機不同于固定膠帶機，其安裝回撤周期較短，在其使用周期內需要進行多次安裝和回撤，因此礦建和安裝回撤工程的費用是不容忽略的費用，而且工程周期長，也會在一定程度上影響生產接續，因此在該環境下研發無基礎順槽膠帶機，其設計的目的就是降低基礎礦建工程的成本，實現膠帶機的快速安裝回撤，縮短膠帶機安裝接續工期[1]。采用的辦法是在機頭、卸載、張緊部等受力點安裝液壓支撐單元，通過頂底板之間的壓力，產生水平方向上的摩擦阻力和逆止力，最終實現膠帶機的無基礎安裝。注：該文中對快速拆裝自固定帶式輸送機簡稱為“無基礎膠帶機”。

1 可行性分析

國內外長距離、大功率順槽帶式輸送機基礎均采用混凝土施工，基礎開挖量近千立方，巖石須運往地面排放，澆筑混凝土約800m3，施工工期長達一個月，每部帶式輸送機基礎施工費用約200萬元。為解決傳統工藝存在的問題，神東對順槽膠帶機安裝技術進行深入研究和論證[2]。先研制了一臺帶式輸送機的無基礎卸載部，通過液壓支柱對巷道頂底板的壓力支撐方式替代傳統的混凝土預埋地腳螺栓的安裝與固定，并配套了自動補液系統。2016年6月在大柳塔煤礦12315工作面工業試驗取得了成功。為了進一步實現順槽帶式輸送機整機安裝無基礎化，研究人員確定了以系統安全、快速拆裝、智能控制為主要技術突破口開展了研究工作，成功研制出快速拆裝自固定模塊化順槽帶式輸送機成套裝備。

2 實施方案和思路

在初期研究階段，確定了以液壓支柱作為主要受力點的支撐單元，實現膠帶機的無基礎設計，由于卸載部是膠帶機最大的受力點，因此卸載架的無基礎作為設計的重點。

2.1 方案一：油缸垂直支撐

在膠帶機的各個受力位置通過結構設計和優化，將現有基礎底座與液壓油缸結合設計，立柱垂直支撐巷道的頂板和底板，使其與頂底板產生的摩擦力，實現固定，但是當時主要考慮了液壓支撐單元的與膠帶機的結合設計方式，對各個點的受力分析沒有充足的分析和驗證。

經過對膠帶機各個受力點的受力方向和大小的研究，發現采用油缸垂直支撐安裝方式，不適用于所有位置，例如卸載部，所受的合張力方向始終沿著膠帶機的機頭至機尾方向，垂直支撐所需油缸工作阻力很大，支撐油缸要長期保證足夠的工作壓力；另外垂直支撐工作油缸不能承受的橫向力。

因此，綜合分析方案一在實際使用中存在安全隱患。

2.2 方案二：油缸垂直支撐和斜向支撐

根據受力分析，在卸載部、張緊部受力方向不發生變化的位置設計斜向支撐；在驅動部和卷帶機位置采用垂直支撐。利用液壓傾斜支撐頂板和底板，使其產生垂直于與頂底板產生的壓力以及水平方向分力，由于產生了2個不同的分力，提高了支撐效率，該方法有效地降低了無基礎膠帶機系統對液壓單元支撐力的需求，該方案整機如圖1所示。

圖1 無基礎膠帶機整機圖

為了保證系統的可靠性能和操作性能，研究集成了機械結構設計、液壓系統設計以及電控設計技術，以保證液壓系統壓力、自動化控制、模塊化設計、拆裝方便等技術為目的，最終使膠帶機平穩、安全地運行。

3 無基礎膠帶機的力學分析

無基礎膠帶機在主要的受力點采用了液壓支撐單元的設計思路可以有效安全地實施，其主要應完成的工作是對相關點位進行有效的受力分析，進而保障系統相關部件的選型安全可靠。

卸載部是帶式輸送機合張力最大的受力點，因此該文僅以卸載部為例進行分析，根據帶傳動理論可計算出膠帶機的圓周驅動力FU，進而可求解卸載部的合張力[3]。

設卸載滾筒合張力F，分力求解。

由圖2可知，F可等效分解為F1和F22個方向的力，分別是沿著液壓支柱和三腳架斜撐兩個方向，通過合張力F以及受力角度，可進一步計算F1和F2的值，根據三角函數公式，計算如下。

圖2 卸載部支撐單元主受力分析

由公式（1）和公式（2）可知F1，F2的值。

對F1和F2，進一步受力分解，如圖3所示。

由圖3可知：在卸載部受到的合張力時，根據受力分析，將產生水平向右方向的拉力以及垂直向下的壓力進而產生摩擦阻力，摩擦阻力決定卸載部是否安全的。

圖3 分力受力分解

設水平向右合力為F′，壓力為FN。

垂直頂板方向和垂直底板方向的壓力，可計算支柱產生的摩擦力。

雙支柱產生的摩擦阻力大于卸載部合張力，即可保證卸載部不位移，即Fμ≥F′系統滿足安全需求，在實際工程中，安全系數應達2以上。

4 無基礎膠帶機的系統研究

無基礎可伸縮帶式輸送機系統由可伸縮帶式輸送機機械結構件部分、液壓系統、電氣控制3個部分組成。

4.1 機械及液壓系統

系統配置了液壓征程單元，布置在膠帶機的5個主要受力點，實現自動補液控制功能。

4.1.1 液壓伸縮臂設計

在可伸縮帶式輸送機分別設置卸載部1組、機頭部2組、張緊部1組、卷帶裝置1組伸縮臂，共5組液壓支撐單元，用于與巷道底板相連、在液壓油缸的作用下將輸送機的結構件與巷道底板固定，確保輸送機安全運行。

伸縮臂中設計有鎖緊機構，頂進油缸預頂進后，裝入卡板、鎖緊螺母，主要受力件轉變為結構件，減少油缸的受力，延長其使用壽命。卡板進行嚴格的受力計算，起到保護系統的作用，同時，支撐油缸能在壓力檢測和控制下，保證支撐油缸對頂底版有效壓力，在液壓系統出現泄露、故障等問題時，機械鎖可保證支撐單元的支撐力，確保整機運行的安全。

對液壓支撐單元結構進行了模塊化設計，便于安裝和搬運，為可折疊式結構，設計了輔助油缸，折疊和展開由輔助油缸實現，運達使用現場后連接泵站可迅速安裝到位。

4.1.2 液壓系統設計

該研究的液壓系統充分考慮了操作性、安全性，并對其進行的全新設計，無基礎膠帶機液壓控制系統，包括支撐油缸、升降油缸、安裝專用手動液壓工作站、維修專用手動操作閥組、順槽膠帶機液壓泵站、邏輯控制集成閥以及全部接頭、油路分配器和管線。支撐油缸與膠帶機的安裝架、機械鎖及頂塊共同組成液壓支撐單元，是膠帶機的關鍵受力位置。在主要工作頂進油缸上安裝有壓力傳感器、用于適時的壓力檢測，通過Wi-Fi與電控系統進行信息傳輸。為了確保系統的足夠安裝，在伸縮臂上部安裝有銷軸式壓力傳感器，為主要受力監控。

4.1.2.1 液壓系統安裝

液壓支撐單元的推舉和下降由升降油缸實現。首次安裝時使用安裝專用手動液壓工作站給支撐油缸和升降油缸提供動力及液壓油，將支撐油缸安裝至工作位置。檢修模式下也可使用該手動操作閥組，在維修模式下連接到順槽膠帶機泵站上的預留接口上，利用順槽膠帶機泵站的液壓油及動力對液壓支撐裝置進行全面檢修。

4.1.2.2 液壓系統工作模式

邏輯控制集成閥塊和泵站聯合作用實現液壓支撐裝置的“工作模式” 、“自動補液模式” 和“檢修模式”3種模式的自動切換。自動補液模式可維持液壓系統恒定的壓力值，系統設置了控制區間，通過壓力傳感器、控制系統、補液泵站、電磁閥等部件實現自動補液和恒壓保持；檢修下可單獨對支撐單元進行升降、檢修操作。

液壓缸體上安裝有集成了單向閥、液控單向閥、溢流閥、節流閥、壓力表、壓力傳感器的液壓閥塊，用來實現支撐油缸的雙向鎖緊、手動調速、超載保護及壓力監測功能，支撐油缸頂起后通過頂塊與頂板接觸后將壓力施加于液壓支撐單元的底座上，使膠帶機主體受力部位產生摩擦阻力，最終達到無基礎安裝的目的，用于推舉和下降支撐油缸的升降油缸。設計了便捷式泵站，整個泵站安裝在移動小車上，方便移動，通過操作兩聯手動換向閥組將支撐油缸和升降油缸頂起至安裝位置，用于檢修的維修專用手動操作閥組。

4.2 電控系統

無基礎膠帶機的控制系統設計是在現有的皮帶機保護系統上進行升級改造的，其采用液壓油缸支撐頂板和底板的方式實現膠帶機各受力點的有效支撐，該設計是國內外首例研究的新課題，因此系統對油缸液壓壓力以及支撐力的監控要求很高，需要系統對各項數據進行實時監控，稍有異常需要做出最高級別優先級的系統響應去調整壓力，或者輸出報警、停機信號，以達到保障系統安全和簡化控制設備的目的。電控系統主要是為了實現無基礎液壓裝置的安全保護功能和控制功能。

無基礎膠帶機的電氣控制系統是為了保證液壓支柱持續、穩定、安全地保持壓力，并且在出現漏液、底板下沉、頂板來壓以及其他故障時，能夠實現調整控制、恒壓保持、故障報警、緊急停機等功能。

4.2.1 控制裝置的組成及原理

系統共由檢測終端、無線壓力傳感器、皮帶保護控制器、無線發射裝置、監測終端、無線中繼模塊、控制器等部分組成，采用RS485與沿線通信，傳感器通過Wi-Fi實現無限數據傳輸，線路簡單便于拆裝和搬家倒面。系統組成如圖5所示。

圖5 電氣拓撲圖

4.2.2 工作模式

補壓模式時（正常工作模式）：當檢測到液壓支撐單元壓力低于設定工作壓力時，膠帶機保護系統發出語音提示，并自動啟動泵站，控制補液電磁閥處于，液壓系統自動補壓至正常值；當自動補液后液壓支撐單元系統壓力保持不正常時，膠帶機保護系統報故障并控制主驅動停機，同時主機控制箱顯示界面和語音系統自動提示液壓油缸位置、故障原因及檢修內容。

4.2.3 自動化程度

4.2.3.1 設計兩級無線傳感器提高監控水平，簡化線路

每個液壓支柱安裝2個傳感器，一個安裝在支柱的頂端，采用銷軸式的連接方式，用于測量支柱與頂板之間的壓力；另一個安裝在液壓支柱的液壓管路上測量液壓壓力。這樣壓力和液壓雙重檢測，除了實現壓力、液壓檢測之外，還能用來故障判斷。

圖4 可收放式結構

在液壓支柱上安裝無線信號發射器，2只傳感器接入發射器中，無線信號發射機將傳感器的信號轉化成無線信號傳給檢測終端。

4.2.3.2 設計無線中繼提高無線信號接收的距離

若現場傳感器距離檢測終端比較遠時，可在靠近傳感器的位置安裝無線中繼模塊將信號放大傳輸給監測終端。

4.2.3.3 控制箱實現控制功能

控制箱將檢測的信號進行處理，通過內部的程序控制實現信號處理、恒壓控制、故障判斷等功能。

4.2.3.4 建立遠程監控平臺

通過環網將控制器信息數據傳到服務器，通過建立大數據庫，開發專家診斷裝置對現場的壓力變化進行實時監測，并存儲，最終達到對液壓裝置、頂底板變化的分析和預判的目的[4]。

4.2.4 與保護系統集成保證時效性和安全性

目前井下膠帶機控制系統主要有驅動變頻開關、張緊變頻開關、保護裝置3個部分，膠帶機工作時驅動及張緊開關主要是通過保護裝置發布命令實現膠帶機的啟動、停止以及保護的，其控制優先級是最高的，而無基礎控制裝置在執行無基礎膠帶機監控時是需要得到最直接和最及時命令，中間不能增加其他傳遞環節，皮帶機保護裝置具有較強的控制系統和豐富的接口，無基礎膠帶機液壓監控與系統保護裝置可以充分利用現有的控制單元去實現控制功能，將其控制邏輯寫入保護裝置的控制器中，既可以達到控制效果又可以節省開發一套新的控制器，因此與膠帶機皮帶保護裝置集成開發，保證其時效性和安全性。

5 結論

無基礎膠帶機的安裝產生的效果主要體現在礦建工程、安裝回撤成本及時間3個方面。

項目產品使用效果良好，無基礎膠帶機的設計實施方式簡化，取消了現有膠帶機的起底、做模具、澆灌、磨平、凝固期、拆模具等工序。有效縮短了膠帶機安裝和回撤的時間。礦物工程上無基礎膠帶機可節約成本53.8萬元，工期由31天縮短到10.5天，節約了20.5天的時間，每搬家到面一次就可以節省50多萬元，同時每次節約近20天的安裝時間，因此無基礎膠帶機在人員成本及生產接續上提高了效率，整機的研制在煤礦順槽膠帶機上應用具有顯著的經濟效益。

項目成果在國內外首次實現了順槽膠帶機的無基礎安裝，項目研制理念和設計方法在行業中首次實施，對未來膠帶機的發展研究具有一定的參考意義。