礦用帶式輸送機膠帶收卷裝置的設計與研究

孫 冰

（晉能控股煤業集團同發東周窯煤業有限公司， 山西 大同 037000）

引言

在物料輸送領域，以帶式輸送機、斗式提升機和螺旋輸送機為代表的機械設備在物料運輸和人員及設備搬運過程中發揮著重要的作用。近年來，隨著煤礦建設機械化進程的發展，帶式輸送機已經成為目前國內煤礦普遍使用的一種物料輸送設備。帶式輸送機在長時間運行過程中膠帶非常容易造成表面磨損和內部鋼絲繩的斷裂，導致皮帶承載能力下降，引起斷帶事故[1]，根據煤礦安全操作規程和設備運行維護規程相關要求，需要對膠帶進行定期更換。

傳統的換帶過程主要是由人工進行，通過大量的人力抽出舊帶并安裝新帶，整個過程需要的人力比較多，工人勞動強度比較大，同時由于采用人工在換帶的過程中非常容易造成人員傷亡事故[2]。為此，對帶式輸送機膠帶收卷設備以及控制系統進行相關的研究具有重要的意義[3]。

針對傳統的人工換帶主要是采用電動機進行收卷或人工收卷存在卷取不完全、收卷不及時、卷帶效率低等問題，本文采用模塊化和集成化理念設計了一種帶式輸送機卷帶機；卷帶機隨著半徑的增加，卷帶過程中會出現張力不穩定的情況，影響卷帶機的正常工作，為此對卷帶機收卷控制過程進行了相關的研究。

1 卷帶機結構設計與參數化建模

根據煤礦井下帶式輸送機的實際應用工況，要求膠帶的收卷裝置滿足以下的設計要求：自身結構簡單，體積盡可能小，能夠適用于煤礦井下不同運輸系統的卷帶需求；卷帶裝置結構需要滿足井下防爆、防塵、防潮濕等要求，以及煤礦井下特殊的環境要求；結構設計需要考慮充分的維修空間，便于工人進行維修更換易損件；能夠滿足煤礦帶式輸送機的卷帶任務。

根據膠帶自身的結構特點，利用SolidWorks 2019 設計了卷帶機各個零部件結構并進行了總體裝配，設計了如圖1 所示的帶式輸送機膠帶收卷裝置，其主要包括驅動部分和執行部分。

圖1 膠帶收卷裝置結構組成示意圖

如圖1 所示為膠帶收卷裝置結構示意圖，卷帶機主要由軸承座、卷帶芯軸、機架、卸荷輥、減速器等部分組成，其中通過電動機驅動減速器和齒輪傳動系統，卷帶芯軸轉動將輸送帶收卷在芯軸上，結構簡單，卷取量大，能夠根據需要收卷膠帶的長度自動調節容帶量。

2 卷帶機收卷過程分析

通過電動機驅動減速器和傳動系統，將動力傳遞給芯軸，芯軸轉動將最初卡在芯軸上的皮帶收卷，隨著芯軸的轉動皮帶的纏繞層數會逐漸增加，隨著層數的增加導致纏繞芯軸直徑增大，而芯軸的角速度恒定，根據速度公式，將會導致線速度增加[4]，對于膠帶柔性件而言就會出現膠帶的張力變化，在纏繞初期比較緊，纏繞后期將會出現松帶，尤其是當層數增多時將會導致卷帶機膠帶的張力波動，為此對卷帶機張力控制進行研究。如下頁圖2 所示為設計的芯軸夾緊機構示意圖。

圖2 芯軸結構示意圖

卷帶機收卷過程為：電動機將舊膠帶在芯軸上纏繞，等到輸送帶在芯軸上成卷后，將棘輪機構中的棘爪與棘輪分離，伸縮板會由于拉伸彈簧作用縮回至卷軸筒，將夾緊的輸送帶松開，然后旋轉卷軸，由于存在一定楔角，當轉動一定角度后芯軸會自動與輸送帶分離，此時將卷軸抽出即可。膠帶本身屬于剛柔結合體，外層為橡膠層，內層為鋼絲繩，在實際卷取過程中需要比較大的卷曲力，隨著卷帶層數的增加，直徑會越來越大，外圍線速度會增加，導致膠帶張力不平衡，易對芯軸產生沖擊，為此需要對卷帶機膠帶張力進行控制，實現恒速卷帶，保證卷帶過程的平穩性。

3 芯軸纏繞膠帶張力抑制研究

卷帶機膠帶受到直徑的變化造成輸送帶張力的波動，為了分析卷帶機膠帶收卷過程中的動態張力，利用計算機仿真模擬軟件搭建仿真分析模型。首先對卷帶機收卷過程進行了模型的簡化，對卷帶機整體結構進行分析，搭建了如圖3 所示的卷帶機仿真分析模型和配套的電氣控制系統。

圖3 卷帶機數值模擬仿真分析模型與配套電氣控制系統

如圖3 所示卷帶機主要由輸送帶、導向托輥、卸荷托輥、卷帶芯軸、張力檢測傳感器、糾偏托輥等部分組成，通過在仿真模型中添加驅動和運動副實現各個模塊的相對運動。卷帶機的控制系統是包括了三相異步電動機、變頻器、PLC 控制器、顯示器模塊和傳感檢測模塊組成，傳感器主要包括有張力檢測傳感器和壓力檢測傳感器，張力檢測傳感器主要布置在輥輪的兩側，通過實際輸送帶對輥輪的壓力間接測量出輸送帶的內部張力，壓力傳感器主要布置在卸荷輥輪彈簧的下方，主要用于測量收卷半徑引起的實際線性張力變化，最終利用PLC 控制器處理后，控制變頻器對三相異步電動機進行了PI 控制。顯示模塊通過與傳感器連接，最終顯示張力和實際張力的變化曲線，設定參數后進行仿真分析，可以得到如圖4 所示求解曲線。

圖4 速度張力仿真分析結果

如圖4 所示為仿真得到的結果可以得出：在初始狀態時膠帶張力為0，隨著電動機驅動芯軸角速度逐漸增大，收卷張力開始從0 增大到預定的收卷張力值，在僅僅0～4 s 時出現超調與波動，最大的波動幅值在第2.5 s 時，超調增幅為9.2%，隨后快速穩定在張力值5 N。通過速度曲線可以看出，角速度隨著收卷層數的逐漸增加，角速度呈現出逐漸減小的趨勢，主要受到收卷層數的增多導致半徑增大，旋轉速度相對會降低。當運行在第18 s 時，受到下方輥輪的作用產生突然的無規律性波動，此時的張力出現迅速波動，張力的突變會觸發張力檢測傳感器，最終實現快速停機，避免過載造成電機發熱過大甚至燒毀電動機，從而實現對電動機的過載保護。

4 結語

為了解決當前煤礦帶式輸送機在實際換帶過程中存在的工人勞動強度大、生產效率低、耗費時間長、勞動力成本較大等問題，本文設計一種用于礦用帶式輸送機卷帶機，包括對卷帶機的總體方案設計，對控制系統進行了研究和仿真分析，最終實現卷帶過程高效作業。現場應用表明：該套卷帶機可以代替人工完成長距離輸送帶的收卷任務，收卷過程平穩高效；采用該套卷帶機可以將卷帶時間縮短，證明了本套方案設計的合理性和可行性，具有一定的經濟價值。