帶式輸送機智能分煤系統(tǒng)的設計應用

王 佳，郭奮超，王榮泉，黨 靜

(1.陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719315；2.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司生產(chǎn)服務中心，陜西 渭南 715400)

0 引言

隨著煤礦井下機械化、智能化的不斷發(fā)展，井下采煤技術(shù)越發(fā)成熟，采煤產(chǎn)能節(jié)節(jié)攀升，然而原有運輸系統(tǒng)的運輸能力卻與采煤產(chǎn)能的增加無法匹配，地面運輸系統(tǒng)和煤倉棧橋等運輸部分的運輸能力也難以提升，對其進行拆除改造也存在時間和空間等方面的難度，紅柳林煤礦主帶運輸系統(tǒng)存在同樣的問題，這成為困擾礦井產(chǎn)能提升的一個瓶頸。

1 現(xiàn)場情況分析

原有設計中，主斜井帶式輸送機只能與101上倉棧橋帶式輸送機搭接，設計運量為4 500 t/h。后期為了保障101帶式輸送機正常運行，將實際運量調(diào)至4 000 t/h。同時為了保證在101帶式輸送機出現(xiàn)故障時的正常生產(chǎn)，在101帶式輸送機的旁邊又增加了旁路帶式輸送機，能夠臨時向地面煤場輸送物料。

為使主運輸系統(tǒng)與井下綜采系統(tǒng)相匹配，主運輸系統(tǒng)的運輸量要增加至5 000 t/h。經(jīng)過改造，主斜井帶式輸送機的運輸量能夠提升至5 000 t/h，但在主斜井帶式輸送機保持5 000 t/h的運輸量運行時，與其搭接的101帶式輸送機振動嚴重，存在嚴重的安全隱患。而在主斜井帶式輸送機向101帶式輸送機卸煤時，無法向旁路帶式輸送機卸煤。單獨向旁路帶式輸送機卸煤時，其卸載端——地面煤場卻又無法滿足如此大的存儲量。

2 帶式輸送機智能分煤系統(tǒng)的原理

為解決這一問題，在現(xiàn)有卸載部溜槽的結(jié)構(gòu)上設計帶式輸送機智能分煤系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由智能電氣系統(tǒng)、防爆液壓系統(tǒng)和斜閘門機械結(jié)構(gòu)組成。該系統(tǒng)能夠根據(jù)綜采系統(tǒng)運量大小，通過遠程或智能控制，實現(xiàn)向101帶式輸送機單獨卸料、旁路帶式輸送機單獨卸料和101與旁路同時卸料3種不同的卸料方式，從而提升運輸系統(tǒng)產(chǎn)能，解決輸送能力不足的問題。

圖1 主斜井帶式輸送機智能分煤系統(tǒng)三維模型Fig.1 3D model of intelligent coal separation system of belt conveyor in main inclined shaft

2.1 智能電氣系統(tǒng)設計

智能電氣系統(tǒng)由礦用隔爆型可編程控制箱(圖2)，3臺高精度電子皮帶秤、閘板位置傳感器、漏斗堆煤傳感器、聲光報警器組成。控制箱內(nèi)裝有電源濾波器、PLC、開關(guān)電源、本安電源、繼電器和觸摸顯示屏等。具有多路數(shù)字開關(guān)量信號和模擬量信號的輸入輸出接口，可配置各種不同的通信接口，可以提供2～8路本安電源供本安儀表或本安傳感器使用，能最大限度地滿足系統(tǒng)需要。

圖2 礦用隔爆型可編程控制箱Fig.2 Mine flameproof programmable control box

可編程控制箱內(nèi)置西門子PLC作為核心可編程控制器，能夠預先設定的運量分配方案，結(jié)合安裝在主斜井、101和旁路帶式輸送機上的3臺高精度電子皮帶秤傳回的運量數(shù)據(jù)，通過防爆液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮量，進而調(diào)節(jié)閘板的開合程度，從而達到智能分配101和旁路帶式輸送機上受料煤量的目的。閘板上設置的位置傳感器能夠?qū)崟r反饋閘板位置，做到閉環(huán)控制。101和旁路帶式輸送機上安裝的高精度電子皮帶秤也能夠?qū)⒏髯苑峙涞降拿毫繑?shù)據(jù)反饋到PLC控制箱，確保煤量分配的智能和精準。另外，漏斗堆煤傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)控漏斗內(nèi)是否發(fā)生堆煤的情況，進而向上級控制器反饋堆煤報警信號，保障運輸系統(tǒng)的安全可靠運行。

2.2 防爆液壓系統(tǒng)設計

防爆液壓站及液壓系統(tǒng)如圖3、4所示，主要由防爆電動機、防爆電磁閥、高壓油泵、油箱、推移液壓缸組件、高壓膠管等組成，在電氣系統(tǒng)的控制下能夠為分煤閘門液壓缸提供可靠的液壓動力源，從而控制液壓缸的開合。防爆液壓站采用雙回路系統(tǒng)(雙電機、雙液壓泵、雙套電磁閥)，一個回路在用，一個回路備用，2個回路可以任意切換，有效地提高了液壓系統(tǒng)的可靠性。防爆液壓系統(tǒng)供電電壓380/660 V，最高工作壓力20 MPa。

圖3 防爆液壓站Fig.3 Explosion-proof hydraulic station

2.3 斜閘門機械結(jié)構(gòu)設計

斜閘門機械結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由斜閘板、斜閘門軌道、推移液壓缸連接件、開槽漏斗和分叉溜槽組成。斜閘板、斜閘門軌道和推移液壓缸組件通過連接件成為一體，傾斜安裝在開槽漏斗中，并通過支腿與地面支撐。斜閘板能夠在推移液壓缸的作用下在軌道上伸縮移動，從而調(diào)節(jié)閘門口的開合。

1-油箱；2-液位計；3-空濾器；4-隔爆型電磁換向閥；5-回油濾油器；6-球閥；7-補償接管；8-柱塞泵；9-泵套聯(lián)軸器；10-防爆電機(頂出線)；11-減震墊；12-壓力表開關(guān)；13-壓力表；14-單向閥；15-溢流閥；16-隔爆型電磁換向閥；17-液控單向閥；18-分流集流閥；19-壓力變送器圖4 液壓系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of hydraulic system

圖5 斜分煤閘門三維Fig.5 3D model of inclined coal separation gate

在推移液壓缸伸出時，斜閘板沿著斜閘門軌道移動，到達電氣系統(tǒng)的指令位置(開合度百分比)。當閘板完全開合時，主斜井帶式輸送機的煤直接卸入旁路帶式輸送機溜槽，向旁路帶式輸送機單獨卸料；當閘板完全關(guān)閉時，主斜井帶式輸送機的煤卸在閘板上，然后回落到101帶式輸送機溜槽，向101帶式輸送機單獨卸料；當閘板位于中間位置時，主斜井帶式輸送機的煤一部分通過旁路溜槽進入旁路帶式輸送機，另一部分卸在閘板上，回落到101帶式輸送機溜槽中，達到同時向101與旁路帶式輸送機同時卸料的目的，同時通過閘門的開合大小調(diào)節(jié)進入101帶式輸送機和旁路帶式輸送機的煤量多少，從而達到控制各自運輸量的目的。同時閘板設計傾角為35°，使閘板上部可以存儲部分浮煤，以減緩落煤沖擊，減緩閘板的磨損。

3 關(guān)鍵部件的三維建模設計與有限元分析

3.1 斜閘板

斜閘板作為隔檔物料的主要運動部件，不但要承受物料的沖擊，而且還要承受物料的磨損，需要進行耐磨設計。根據(jù)溜槽的開口尺寸，設計斜閘板尺寸為3 300 mm×2 000 mm，主板采用30 mm厚的Q345高強度低合金鋼板，正面焊接9行6列300 mm×300 mm的20 mm厚的高強度低合金鋼板以提高正面的耐磨性，背面焊接12行2 000 mm×100 mm×20 mm的橫向筋板和兩列縱向筋板，并為液壓缸活塞桿留出空間，液壓缸活塞桿連接處在斜閘板的中間位置，采用單板銷軸形式連接液壓缸活塞桿。在閘板的底部采用直角結(jié)構(gòu)與閘板軌道底部角形結(jié)構(gòu)配合支撐，閘板頂部扣在閘板軌道頂部的槽鋼結(jié)構(gòu)上進行吊掛支撐。斜閘板如圖6所示。

圖6 斜閘板三維Fig.6 3D model of inclined gate

3.2 斜閘門軌道

斜閘板軌道作為閘板導向的關(guān)鍵部件，既要承載斜閘板的重量與磨損，又要承載物料的沖擊，需要進行加強設計。斜閘板軌道采用20 mm厚的Q345高強度低合金鋼板和槽鋼加工而成，采用螺栓連接和焊接結(jié)構(gòu)。軌道斜面角度為35°。底部采用鋼板焊接的角形軌道結(jié)構(gòu)與閘板配合，這樣直角結(jié)構(gòu)上既不容易存煤，又能夠支撐斜閘板的重量。頂部采用槽鋼加筋板的槽鋼軌道結(jié)構(gòu)，與斜閘板頂部的矩形槽配合，一方面起到導向作用，另一方面又能夠拖住斜閘板，如圖7所示。

圖7 斜閘門軌道三維Fig.7 3D model of inclined gate track

3.3 斜閘門軌道的有限元分析

作為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，需要對斜閘門進行有限元分析，以充分模擬閘門關(guān)閉時的受力情況和結(jié)構(gòu)強度。斜閘門重量3 500 kg，充分考慮落煤沖擊和自重后，按照斜閘門雙倍重量的載荷裕度，即70 000 N合力加載到直角形軌道和槽鋼軌道上寬度為2 000 mm的區(qū)域，斜閘門軌道底部固定，斜閘門軌道部分材料選用Q345高強度低合金鋼。經(jīng)過有限元分析，最大應力為58.4 MPa，遠遠小于材料屈服強度350 MPa，有6倍的安全系數(shù)，斜閘門軌道結(jié)構(gòu)強度完全滿足使用要求，如圖8所示。

圖8 斜分煤閘門有限元分析應力云圖Fig.8 Stress cloud diagram of finite element analysis of inclined coal gate

4 現(xiàn)場應用情況

帶式輸送機智能分煤系統(tǒng)安裝完成后(圖9)，實現(xiàn)了向101、旁路帶式輸送機單獨卸料和101與旁路同時卸料3種不同卸料方式，主運輸系統(tǒng)運量提升到了5 000 t/h，同時還達到了遠程/就地控制、高精度計量、智能分煤運行等多項智能控制的各項設計功能，有效地解決了產(chǎn)能提升的瓶頸，實現(xiàn)了運輸系統(tǒng)的智能分煤運行。

圖9 帶式輸送機智能分煤系統(tǒng)現(xiàn)場安裝Fig.9 On-site installation of belt conveyor intelligent coal separation system

經(jīng)過核算，該系統(tǒng)安裝完成后，每天同比增加產(chǎn)量2 480 t，全月同比增加產(chǎn)量5.961 9萬t，每月累計增益2 980萬元，取得了較好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

經(jīng)過調(diào)研分析，紅柳林煤礦主斜井運輸系統(tǒng)提升瓶頸問題，設計了帶式輸送機智能分煤系統(tǒng)。該系統(tǒng)的智能電氣系統(tǒng)、防爆液壓系統(tǒng)和斜閘門機械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有效實現(xiàn)向101、旁路帶式輸送機單獨卸料和101與旁路同時卸料3種不同卸料方式的智能化控制，同時對其機械結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件進行三維建模和有限元分析，確保其結(jié)構(gòu)強度，對帶式輸送機運輸系統(tǒng)的分煤智能化問題具有借鑒作用。