礦用帶式輸送機跑偏機理及糾偏系統設計

云 艷

(國家能源集團 神東煤炭集團洗選中心工藝煤質部，陜西 榆林 719315)

煤炭資源是目前我國能源結構中占75%的主要一次性能源，其開采方式依然是通過割截井下斷層的方式，然后將煤炭通過礦用帶式輸送機的方式輸送至地面，這種方式是目前經濟效益和井下作業效率相對較高的，普遍應用在各大采煤現場。礦用帶式輸送機作為井下散煤的首要運輸工具，具有傳輸距離遠、運輸效率高的特點，并且機械結構簡單、維護成本相對較低[1]。但與此同時，礦用帶式輸送機的安全保障是選煤廠日常運維的重要工作之一。常見的礦用帶式輸送機工作故障是膠帶跑偏問題，其發生頻率幾乎是所有采煤設備中最高的。由于礦用帶式輸送機跑偏故障往往是隨機的，具有時間和位置的不確定性，尚不能通過規律來提前預判。因此，如何對礦用帶式輸送機進行糾偏成為目前研究礦用帶式輸送機設備和穩定系統的重要課題之一[2]。膠帶式礦用帶式輸送機在發生膠帶跑偏或物料分布不均勻時，會造成膠帶撕裂、電機燒毀等險情的發生，存在較大的安全隱患。當前，礦用帶式輸送機跑偏糾正的方法主要是加裝跑偏糾托輥，采用實時監測跑偏信號的方式及時發現礦用帶式輸送機異常情況，并提醒維護人員進行停機檢修[3]。

1 跑偏機理及影響因素分析

1.1 帶式輸送機跑偏規律

礦用帶式輸送機的膠帶有向著滾筒緊的一側偏移的特點，這種滾筒兩側松緊度存在較大差異的原因是膠帶兩側因物料質量不同、滾輪轉速不一致等因素造成的。另外，膠帶向前運動的垂線與托輥的中心線不在一條直線上時，膠帶也會發生向運動垂線開角的方向偏移，即“跑緊不跑松”[4]。由于滾筒在長期工作時會因煤泥或磨損而造成其外徑差異，而直徑大的一端速度相對直徑小的一端偏小，因此會造成膠帶向直徑大的一端偏移，即“跑大不跑小”[5]。安裝膠帶時，有時會因為安裝了規格不匹配或者質量不合格的膠帶架而造成支撐托輥兩側存在高度差，膠帶會在運動過程中向較高的一端偏移，即“跑高不跑低”。

1.2 跑偏機理

帶式輸送機膠帶跑偏的主要原因是膠帶寬度方向上的張緊力存在差異，這種差異直接導致膠帶向前運動的受力在垂直中心線方向上存在分力。其原理如圖1所示[6]。圖1可以理解為托輥與膠帶間的相對運動產生摩擦力，其驅動膠帶的回轉運動，摩擦力方向與托輥垂直，當跑偏時摩擦力的方向與膠帶呈角，因此基于膠帶中心線可以分解為平行膠帶中心線的與垂直方向的，其中為膠帶跑偏的主要驅動力及原因。根據前文分析的“跑緊不跑松”規律，膠帶的中心線與托輥或滾筒出現偏斜，膠帶在與中心線垂直的方向上與托輥或滾筒的摩擦時間出現差異，中心線垂直方向上的張緊力也就存在不同，且差異的程度就決定了跑偏的程度[7]。

圖1 膠帶跑偏示意Fig.1 Tape deviation indication

1.3 跑偏影響因素

總的來講，輸送機膠帶跑偏的影響因素可分為以下3類。

(1)安裝誤差。如果發生安裝誤差較大，就有可能出現以下情況：①膠帶的跑偏方向與膠帶中心線的方向呈現大于或小于90°的夾角，這種夾角的存在會加劇膠帶偏離的程度；②膠帶的材質出現不均勻的情況，即膠帶的兩側彈性模量不同，造成膠帶兩側與托輥或滾筒的接觸時間出現偏差，從而引起膠帶跑偏[8]。

(2)生產或使用故障。由于生產磨損或物料傷害，造成滾筒軸線與膠帶的中心線垂線存在偏差，使得膠帶運動向偏緊的一側跑偏。

(3)煤炭等介質在膠帶上分布不均，造成膠帶各位置受力及變形不均，當變形影響到膠帶中心線時，則會產生偏離[9]。

2 膠帶糾偏方法

在實際生產中，糾偏方法主要包含以下幾種。

(1)立輥自糾偏。這種糾偏裝置需要在托輥支架上安裝5個托輥裝置。其中，3個安裝在膠帶運動方向的中部，2個分別安裝在兩側，支架與底座之間的鏈接采用旋轉插入的方式，同時保持底座具有一定的轉動自由度，保證整個糾偏機構的可調節性，其結構如圖2所示。當膠帶發生跑偏情況時，由于跑偏一側的受力大于另一側，進而糾偏裝置隨著受力較大的一側產生轉動。此時，傳送膠帶就會向反向一側產生運動分量，促使膠帶與裝置保持平行的關系，通過這種操作，膠帶就完成了糾偏[10]。這種糾偏裝置的結構比較簡單，其糾偏的動力來自于跑偏時產生的受力差，不需要額外增加糾偏能源。但與此同時，這種糾偏的過程是對膠帶進行動態調整的過程，整個裝置的鏈接部位容易造成較大的磨損。

圖2 立輥自糾偏裝置Fig.2 Vertical roller self-correcting device

(2)外力糾偏。在通常情況下，小幅度的跑偏對于實際應用影響較小，托輥的自糾偏裝置可以在這種情況下發揮作用，但是當跑偏的幅度超過一定閾值時，才會對生產造成嚴重影響。基于此，可以在自糾偏的裝置上加裝測距傳感器，跟蹤跑偏幅度的數值，再利用液壓裝置調整超出閾值的跑偏幅度，從而達到糾偏的目的。這種糾偏的方法是最為可靠的，糾偏的次數大大減少，也降低了糾偏裝置的磨損[11]。

(3)滾筒糾偏。由于發生跑偏的膠帶是通過繞行的方式安裝在前后滾筒上的，當膠帶發生跑偏時，可以通過調整滾筒的角度來進行糾偏。這種方法的主要原理是調整滾筒兩側軸承座絲杠或者液壓桿，使得滾動兩側的張緊力能夠平衡，進而調整李滾筒軸線的平衡度，在控制糾偏幅度方面有明顯的優勢。

3 糾偏系統的設計

根據上文分析的滾筒糾偏方法，本文設計的糾偏系統如圖3所示。通過測距傳感器測量出跑偏量以后，糾偏控制系統通過計算將糾偏量傳遞到液壓裝置，通過控制液壓裝置的油量調整油缸的位移大小，進而實現對滾筒軸承座絲杠的調整，使得滾動兩側的張緊力能夠平衡。

圖3 糾偏系統的工作示意Fig.3 Working diagram of the correction system

3.1 偏移檢測裝置設計

跑偏幅度的準確測量是進行糾偏的前提，其精確度決定了糾偏的效果，如何設計出誤差較小的偏移測量裝置是糾偏系統設計的關鍵步驟。偏移測量裝置如圖4所示，該裝置同時還可以測量跑偏的速度。如圖4所示，立輥軸通過固定在連桿上的支點與位移傳感器進行連接，這就形成了簡單的杠桿結構。當發生跑偏的情況時，立輥與膠帶的側面保持連續接觸的同時，發生的位移會通過杠桿結構傳遞到位移傳感器，通過實現設定的幾何參數即能計算出膠帶發生的偏移量。這種裝置的結構相對比較簡單，使用方便，維護也較容易，可以在不影響傳送帶正常工作的情況下實施糾偏操作。

圖4 偏移檢測裝置設計Fig.4 Offset detection device design

3.2 跑偏量及跑偏速度的計算

立輥中心與固定支點間的水平距離為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，可以通過以下的計算公式獲得：

(2)

跑偏速度為跑偏距離、偏角增量余弦值與偏角隨時間變化率三者的乘積。

3.3 糾偏實施對策

在實際使用礦用帶式輸送機的生產中，還可以通過以下6種方式進行輔助糾偏：①處理滾筒背面水分。定時檢查是否有淋灑到滾筒上的水管或噴水孔，及時清理滾筒周邊的積水，避免滾動因生銹造成摩擦力不均，通常情況下使用滾筒空轉的方式進行大規模清理。②調整落煤點。落煤點不正常常會發生在實際生產中頻繁出現負載跑偏而空載不跑偏的情況，這時可以通過調整物料的落點在膠帶運動中心線附近的方法。造成落煤點偏差的原因常常是由于落煤管上有附著物或者緩沖擋板被異物卡住，針對這種問題，需要檢修人員定期對落煤管上的煤泥、緩沖板上的旋轉裝置、導料槽上的擋板進行清理，保證落煤點不發生偏移。③清除滾筒及托輥上的煤泥。滾筒和托輥的表面往往受井下煤塵較多、環境潮濕的影響而附著大量煤泥，使得滾筒或托輥的直徑發生變化，造成膠帶在直徑不同的滾筒上運動時受到不同的摩擦力進而發生跑偏的現象。針對這種情況，需要檢修人員定期對滾筒及托輥表面的煤泥進行清理，保證其直徑不發生較大偏差。④按工藝要求矯正偏托輥。自糾偏裝置廣泛應用在礦用帶式輸送機上，自糾偏裝置中的軸承是容易磨損的零件，當發生軸承磨損嚴重的情況，自糾偏托輥就難以起到糾偏的作用。對于這種情況，檢修人員需要及時對自糾偏裝置補充潤滑油，更換磨損嚴重的軸承，進而提高自糾偏裝置的靈敏度。當作業過程中出現不能停機檢修的情況時，可以使用固定環、固定鐵絲等裝置對跑偏的膠帶進行限位，避免跑偏幅度的增加。⑤重新硫化接頭。礦用帶式輸送機的膠帶一般是通過硫化的方式對接頭進行連接的，在使用一段時間后，由于膠帶的材質發生老化，造成兩側的松緊度出現不一致，進而使得膠帶發生跑偏。這種情況需要檢修人員通過調整膠帶調節滾筒的張緊力來糾偏，而對于那些已經發生嚴重老化的膠帶接頭，必須進行停機后重新硫化接頭的方式進行處理。⑥重新調整膠帶張緊裝置。由于膠帶張緊力不同而發生的跑偏，常常使用調整膠帶張緊裝置的方式進行糾偏，使得滾筒與輸送帶縱向保持垂直，并且膠帶的中心與軸中心在同一水平線。膠帶兩端的支撐裝置是由2個膠帶張緊裝置中的液壓油缸調整的。因此，可以調整液壓桿的位移來對膠帶的拉伸形變進行矯正。當膠帶出現拉力不足時，可以對膠帶適當增加配重，以增加膠帶的拉力。根據“跑緊不跑松”的特點，也可以通過減輕跑偏一側配重的方式進行糾偏。

4 糾偏系統的驗證

本文的研究基于對某作業選煤廠的實際生產，2條長79 m的選煤線(圖5)，其中，1條安裝糾偏系統(實驗組)和1條未安裝糾偏系統(對照組)進行對比測試，并按照本文設計的糾偏方法定期對相關部件進行檢修，測試時間為30 d，對生產過程中糾偏次數、物料拋灑、膠帶磨損等情況進行記錄，其中物料拋灑情況通過對位于1條長57 m的選煤線上的物料落地進行稱重，每天收集1次；膠帶磨損程度通過每天對膠帶張力進行判斷，如達不到預定張力時，就調整液壓桿的位移或對膠帶適當增加配重來矯正，并記錄一次矯正。

圖5 實驗選煤線Fig.5 Experimental coal preparation line

4.1 糾偏系統軟件設計

本文設定傳送帶實際運動方向角度與理想角度的偏差閾值為1.2°，糾偏誤差為95%，當出現大于該閾值的情況時，觸發糾偏算法對傳送帶進行糾偏，該系統的軟件部分設計流程如圖6所示。

圖6 自動糾偏裝置控制系統流程Fig.6 Automatic deviation correction device control system process

通過對跑偏量及跑偏速度的計算，本文設計了基于輸送帶橫向跑偏置測量及糾偏的控制軟件，系統首先將采集到的橫向跑偏數據(包含測量數據和誤差數據)輸入控制器，通過控制算法計算后得出糾偏控制量；然后通過執行電機轉速調整，并聯動蝸桿傳動裝置糾正托輥繞旋轉中心發生對應角位移，最終實現糾偏。其糾偏系統的控制計算算法如圖7所示。

圖7 自動糾偏裝置控制系統流程Fig.7 Control calculation algorithm of the correction system

4.2 糾偏系統硬件設計

通過以上對礦用帶式輸送機跑偏機理的分析，采取相應的糾偏措施后，將其應用在實際選煤廠生產中才能夠進一步驗證其方案的有效性。相關改進部件采用配置參數見表1。

4.3 系統測試

通過長達30 d的系統測試，將相關記錄匯總(表2)。

表2 實驗對照Tab.2 Experimental control

通過分析采集的數據，在使用該糾偏系統的礦用帶式輸送機中，膠帶跑偏次數較未安裝的減少了51%，物料拋灑減少了68%，膠帶矯正次數減少了64%。可以看出，本文設計的糾偏系統和糾偏方法在礦用帶式輸送機跑偏糾正方面具有顯著的效果，有利于提升礦區作業的安全性和物料傳輸的穩定性，可以為其他糾偏方式提供升級改造借鑒，具有一定的現實意義。