帶式輸送機輸送帶糾偏裝置設計分析*

邢躍斌

(山西古交西山義城煤業有限責任公司，山西 古交 030203)

0 引 言

在煤礦生產中，帶式輸送機的使用量逐年增大，隨著物料運輸量及運輸頻次的增加，輸送皮帶跑偏現象也頻繁發生，一旦跑偏量超出設計限度，必將影響到井下物料運輸效率及礦井安全生產。目前較為常用的帶式輸送機輸送帶防跑偏措施包括：安裝帶旋轉架及曲線盤防跑偏裝置，安裝帶旋轉架及擋輪防跑偏裝置，將輸送機滾筒設計成兩頭小中間大的雙錐形以便回程托輥的裝置等。實踐效果表明，以上防跑偏措施糾偏效果并不理想。近年來，無源液壓與機電一體化糾偏技術在煤礦帶式輸送機輸送帶糾偏方面逐步應用，該裝置結構復雜，維護成本高，對運行環境要求也較高，機電一體化糾偏裝置在接收到實時監測信號后需要外加動力源。為此，必須在全面分析帶式輸送機輸送帶跑偏原因的基礎上，進行無需外力源的結構簡單、維護簡便的輸送帶自動糾偏裝置的設計。

筆者針對常規防跑偏措施糾偏效果及存在問題，通過對無源液壓技術以及機電一體化糾偏技術在帶式輸送機輸送帶糾偏方面應用的可行性及效果進行分析總結，達到了指導煤礦生產中帶式輸送機防跑偏的應用效果，具有較強的現實指導意義。

1 輸送帶跑偏原因分析

帶式輸送機主要包括輸送帶、驅動及換向滾輪、機架、托輥、傳動裝置、張緊裝置等部件，其中輸送帶是發揮牽引功能和承載運輸功能的重要部件。在物料運輸過程中，輸送帶和驅動滾輪密貼，并在摩擦力與張緊力等的綜合作用下攜帶物料沿槽型機架托輥軌道直線運動，從而形成一個閉合循環系統。根據作用原理分析，造成帶式輸送機輸送帶跑偏的原因主要包括以下兩個方面。

1.1 安裝方面

帶式輸送機安裝過程中若換向滾筒和驅動滾筒運行路線中心線未保持垂直，則輸送帶運行時必將存在初始偏角，進而導致其運行軌跡與機架托輥軌道發生偏離。同理，在托輥安裝過程中，如未與輸送帶保持垂直關系，則也會引發輸送帶運動過程中的跑偏現象。此外，托輥、滾筒及輸送帶等部件在生產過程中可能存在參數設計、材料、質量等方面的誤差，如滾筒外殼圓筒形狀不規則，托輥大小不均勻，鋼材強度等級及塑性、韌性不合要求等，也必然造成輸送帶運行跑偏。

結合筆者多年煤礦工作經驗，當帶式輸送機輸送皮帶兩側承托高度不一致，則輸送帶必將向較高側發生偏斜；當輸送帶兩側實際張緊力存在差異時，輸送帶必然會斜向張緊力較大的一側；若托輥和物料輸送軌道軸線不是垂直關系，一頭在前另一頭在后，則輸送帶必然會朝向后端偏斜[1]。

1.2 運行方面

帶式輸送機在運輸過程中若輸送皮帶上物料分布不均，會影響輸送帶受力的均衡性，很容易引發皮帶跑偏；此外，帶式輸送機在長期運行過程中若缺乏定期檢修，未定期清理托輥、滾筒等部件外殼的變形、粘料，也會影響輸送皮帶兩側受力的均衡性，造成皮帶跑偏，物料落點偏離中心。具體見圖1，其中F為托輥對輸送帶施加的阻力，其可分解為兩個分力：Ft分力與托輥軸心線垂直，并與托輥旋轉力形成一對作用力和反作用力；Fa分力則指向帶式輸送機中心線，確保輸送皮帶不與中心線脫離[2]。

圖1 物料落點偏離輸送帶中心跑偏受力情況

2 自動糾偏裝置設計

2.1 基本結構

在深入分析帶式輸送機輸送皮帶跑偏原因的基礎上，針對常見的跑偏原因及工況提出一種新型自動糾偏裝置設計思路。見圖2所示，該糾偏裝置結構簡單，屬于空間組合結構，無需另外配備外部動力源便能起到對輸送皮帶實時、高效、自動糾偏的作用。

圖2 自動糾偏裝置設計簡圖1.檢測輪 2.萬向聯軸器 3.滾珠絲杠 4.滾珠絲杠螺母 5.底座軸承 6.連桿機構 7.帶式輸送機機架 8.糾偏托輥 9.糾偏托輥支架

按照設計，該輸送帶自動糾偏裝置主要由左糾偏托輥和右糾偏托輥兩個相對獨立的單元組成，并分別發揮糾偏作用。糾偏托輥按照分段結構設計，中間托輥相對獨立，使整個糾偏裝置靈活性顯著提升；輸送皮帶旋轉動力則主要由萬向聯軸器與滾珠絲杠轉化為直線運動，進而通過連桿進一步轉化為托輥支架旋轉運動，并最終達到輸送皮帶糾偏的目的。

2.2 運行原理

輸送帶糾偏裝置中，跑偏量檢測的快速與準確直接關系到糾偏控制的及時性與準確性，此次設計正是通過糾偏裝置的科學設計，及時快速檢測輸送帶跑偏量及跑偏速率，為糾偏裝置設計計算提供基礎數據。在煤礦帶式輸送機正常運行的過程中，輸送帶必須位于糾偏托輥中心前進運行，在托輥組摩擦力矩等原因的綜合作用下托輥支架不偏轉，糾偏裝置待工作。而當輸送帶發生偏斜并與所在側面檢測輪接觸后觸發檢測輪發生旋轉，進而通過萬向聯軸器帶動滾珠絲杠隨之運動，連桿便會推動所在側面托輥機架圍繞固定于底座的軸承發生軸向旋轉，所在側面糾偏托輥同時也會圍繞輸送皮帶運行向運行，且垂直于輸送帶運行向的分力整好與輸送帶跑偏方向相反，使輸送帶朝跑偏反向運動并回到初始位置[3]，以達到自動糾偏目的。

3 糾偏過程及結果仿真分析

采用Pro/E三維軟件構建糾偏裝置中左側糾偏托輥的機構模型，并應用Pro/Mechanica仿真模塊進行該糾偏裝置運動學仿真分析。滾珠絲杠設定為槽連接形式，并與糾偏托輥機架副處、連桿轉動副處及檢測輪轉動副處相連。在此基礎上進入仿真模塊，創建伺服電動機并將運動類型設定為旋轉形式，選定檢測輪旋轉軸，以速度為基本參數。構建運動學分析程序Analysis Definition，并設定幀頻和基本仿真參數，在現狀初始配置下自動生成測量分析結果，確定好測量參數和測量點后自動生成以時間為橫坐標，分別以速度、位移、加速度為縱坐標的曲線圖。

經過動力學程序運行并自動分析后，得出糾偏托輥機架轉速與檢測輪轉速曲線圖以及托輥旋轉支架與連接桿鉸接點加速度、速度、位移曲線圖，見圖3～5。考慮到糾偏托輥機架轉速、檢測輪轉速與系統所設定的速度方向相反，所以曲線圖中縱坐標轉速均為負值，見圖6、圖7。

圖3 托輥旋轉支架連桿鉸接點加速度

圖4 托輥旋轉支架連桿鉸接點速度

圖5 托輥旋轉支架連桿鉸接點位移

圖6 糾偏托輥架轉速曲線

圖7 檢測輪轉速曲線

圖3中托輥旋轉支架與連桿鉸接點加速度隨著觀測時間的推移而圍繞0.65 m/s2上下波動；圖4中托輥旋轉支架與連桿鉸接點速度隨觀測時間的推移圍繞1.25 m/s上下波動；圖5中托輥旋轉支架與連桿鉸接點位移隨觀測時間的推移，從382 m增大逐漸增大至425 m；圖6中糾偏托輥架轉速曲線隨觀測時間的延長，上下波動方式增大，從最初-0.24～-0.20 m/s波動增大至-0.12～-0.16 m/s；圖7中檢測輪轉速曲線隨觀測時間的延長而穩定在-89.9 m/s。

為驗證輸送帶糾偏裝置可行性及運行效果，將該裝置在實際生產現場進行了應用，輸送帶跑偏量監測及反饋信號通過采集系統收集并對比。根據圖3～7中對各類監測信號的比較分析看出，當輸送帶跑偏時，該糾偏裝置能及時調整托輥角度，從而快速實時消除皮帶跑偏。

4 結 語

綜上所述，所設計的帶式輸送機輸送帶自動糾偏裝置隨檢測輪的旋轉運動，滾珠絲杠會在聯軸器的帶動下轉動，通過連桿機構及糾偏托輥機架的旋轉達到輸送皮帶糾偏的目的。將設計的輸送帶糾偏裝置簡化為曲柄滑塊機構，則必須以滾珠絲杠滑塊為原動件，聯軸器的應用引起原動件初始速度的改變，進而引發托輥機架轉動速度的變動，便于糾偏托輥機架旋轉時間的縮短和糾偏速度的提升。總之，所設計的輸送帶自動糾偏裝置結構簡單，無需另行設置外加動力源，糾偏過程可自動實時進行，糾偏效果良好。