帶式輸送機線摩擦驅(qū)動增壓裝置的設(shè)計與應用

董聰健

山西汾西礦業(yè)集團有限責任公司賀西礦 山西 呂梁 032300

帶式輸送機作為煤礦生產(chǎn)中長距離、大運量的主要機械設(shè)備，其在運行過程中的高效節(jié)能性能直接影響到煤礦企業(yè)的安全經(jīng)濟性[1]。目前帶式輸送機的設(shè)計偏保守，主要是在計算得到額定工作量的基礎(chǔ)上，乘以一個安全系數(shù)作為最終的設(shè)計參數(shù)指標。該方式設(shè)計的帶式輸送機在實際運轉(zhuǎn)時具有較大的額定工作量，應對設(shè)備空載和少載運行工況時不可避免出現(xiàn)能耗增加，從而導致輸送機整體運輸效率較低，不利于煤礦企業(yè)節(jié)能減排方針的實施。此外，從輸送機設(shè)計結(jié)構(gòu)方面而言，長距離輸送需要較大的電機驅(qū)動功率和高強度的輸送帶，而輸送機膠帶目前常規(guī)使用的是國產(chǎn)整芯阻燃膠帶。這類膠帶整體機械強度性能較低，接頭效率偏低，從安全性和經(jīng)濟性方面嚴重阻礙了長距離、大運量輸送機的大規(guī)模投產(chǎn)使用[2-3]。

為解決這一技術(shù)難題，通過在普通帶式輸送機上增加幾組同結(jié)構(gòu)、縮小版的驅(qū)動裝置組合使用，構(gòu)成了線摩擦帶式輸送機。線摩擦帶式輸送機的主要優(yōu)點在于它的驅(qū)動力來源于兩方面：一是位于機頭或機尾的驅(qū)動裝置；另一方面是位于中間部位的多組驅(qū)動器。通過中間多組驅(qū)動器的協(xié)調(diào)作用，極大的降低了機頭或機尾主驅(qū)動裝置的電機功率，避免長時間處于高功率運行狀態(tài)，從而達到降低能耗的目的[4]。此外，通過中間驅(qū)動器的增加，減小了物料在運輸過程中的轉(zhuǎn)載次數(shù)，空載和少載時緩解了膠帶的強張力運行狀態(tài)，延長了輸送機膠帶的使用壽命[5]。本文通過對線摩擦帶式輸送機中間驅(qū)動裝置的設(shè)計，提高其增壓裝置的牽引力，進一步提高輸送機的運輸效率，降低能耗與設(shè)備維修成本，為類似煤礦井下運輸提供借鑒。

1 線摩擦帶式輸送機的結(jié)構(gòu)原理

1.1 線摩擦帶式輸送機的基本結(jié)構(gòu)

線摩擦帶式輸送機是一種基于常規(guī)帶式輸送機結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計的一種新型輸送機，在常規(guī)帶式輸送機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一組或幾組同結(jié)構(gòu)、縮小版的中間驅(qū)動器（輔機），機頭或機尾為主驅(qū)動機，主驅(qū)動機上連接著承載帶；中間驅(qū)動器為輔助驅(qū)動機，連接的是傳動帶。雙機運行時實現(xiàn)“主-輔”雙機協(xié)同驅(qū)動。線摩擦帶式輸送機的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 線摩擦帶式輸送機的特點

線摩擦帶式輸送機在常規(guī)帶式輸送機的承載帶下，沿承載帶的延伸方向進行多點鋪設(shè)輔助驅(qū)動器，通過承載帶與傳動帶間的線摩擦形式進行動力傳輸。隨著輔助驅(qū)動器的運行，線摩擦帶式輸送機的承載帶張力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，承載帶機械強度合理控制在其最大機械強度之下，承載帶與傳動帶均處于彈性變形階段，利于輸送機進行長距離、大運量運輸。

1.3 線摩擦驅(qū)動裝置的布置

線摩擦帶式輸送機根據(jù)井下運輸線路的變化，其布置方式一般分別直線段布置和曲線段布置。其中直線段布置時承載帶與傳動帶間摩擦動力傳輸較為穩(wěn)定；而曲線段布置根據(jù)其彎曲形式可分為兩種，如圖2所示。圖（a）中為凹弧段，當承載帶與傳動帶間的摩擦位置沒有負載或是物料時，可由摩擦產(chǎn)生的傳輸動力就會非常小，對整個傳送機運輸是不利的；而圖（b）中為凸弧段，當承載帶與傳動帶間的摩擦位置承載物料時，由摩擦產(chǎn)生的驅(qū)動力與皮帶初始張力會逐漸增加，在傳送帶凸弧位置會造成應力過高，皮帶局部會出現(xiàn)過度磨損現(xiàn)象。因此，針對上述二者在使用過程中的特殊工況，需要對摩擦驅(qū)動器增設(shè)增壓裝置。

圖2 帶凸凹弧段線摩擦帶式輸送機

2 增壓裝置的設(shè)計

2.1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過在普通線摩擦帶式輸送機上增加一個重量信號獲取器，根據(jù)重量信號獲取器的實時數(shù)據(jù)反饋進行及時增減壓力進行動力傳輸。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。在輸送機運輸過程中，重量信號獲取器測得皮帶上方物料的瞬時重量后，將數(shù)據(jù)傳輸至已經(jīng)設(shè)置額定數(shù)值的控制器中，控制器將傳輸數(shù)值與額定數(shù)值進行對比。若數(shù)值出現(xiàn)偏差，控制器將信號繼續(xù)傳輸至伺服機中，電機帶動增壓器進行增壓或減壓。同時，壓力傳感器接收壓力信號后進行二次傳輸，再次將信號反饋回控制器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的反饋并進行實時數(shù)據(jù)二次校驗。

2.2 帶邊增壓方式

根據(jù)上圖3所示的線摩擦帶式輸送機增壓裝置整體設(shè)計圖，提出一種帶邊增壓方式，其結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，該方式最主要的優(yōu)點在于可根據(jù)井下實際運行工況進行增壓調(diào)節(jié)。其工作原理是通過重量信號獲取器得到皮帶運輸?shù)乃矔r重量與額定數(shù)值進行比較后，由控制器將信號傳遞至電機，電機帶動傳動桿由齒輪動力進一步傳遞。齒輪轉(zhuǎn)動擠壓兩旁彈簧并推動金屬管擠壓承載帶，使承載帶向下方凹陷與傳動帶緊密貼合，增大二者間的摩擦力，實現(xiàn)增壓過程。

3 增壓裝置仿真分析與應用

3.1 仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置

利用ANSYS仿真軟件建立線摩擦帶式輸送機數(shù)值計算模型，如圖5所示。根據(jù)井下工況進行模型賦參，對托輥以及帶邊增壓中的帶邊輪進行位移約束，具體如表1所示。此外，通過對現(xiàn)場輸送機數(shù)據(jù)監(jiān)測，傳動帶和承載帶兩端張力分別賦值24294N、25578N和49978N、 49323N。

表1 模型參數(shù)

圖5 帶邊增壓仿真模型

3.2 不同工況下總變形分析

線摩擦帶式輸送機在運行時主要有兩種工況，一種為無載運輸，另一種則為有載運輸。根據(jù)兩種不同的工況條件，利用仿真模型進行計算，不同工況條件下輸送帶的總體變形如圖6所示。由圖可知，采用帶邊增壓方式后輸送機在運行過程中，無載和有載兩種情況均會導致帶邊輪和輸送帶接觸的局部發(fā)生大變形，其中在無載時最大變形量約為0.018m，而有載時最大變形量約為0.022m。由此說明，帶邊增壓方式可明顯調(diào)整由于線摩擦形式帶來的驅(qū)動力不足的現(xiàn)象，有利于輸送機的運輸。

3.3 現(xiàn)場應用

根據(jù)井下生產(chǎn)工作面生產(chǎn)能力對線摩擦帶式輸送機運輸煤炭的重量進行計算，并在重量信號獲取器進行設(shè)定（定值為560N）。線摩擦輸送機運行時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，重量信號獲取器測得皮帶上方物料的瞬時重量后與設(shè)定值560N進行比較，由控制器將信號繼續(xù)傳輸至伺服機中，電機帶動增壓器進行增壓。在此過程中，無載和有載兩種情況下，都能在重量信號獲取器的作用下達到設(shè)定值，從而滿足使用需求。

4 結(jié)論

（1）線摩擦帶式輸送機在凹弧段運輸時，承載帶與傳動帶間的摩擦位置沒有負載，由摩擦產(chǎn)生的驅(qū)動力不足，影響傳動效果；在凸弧段運輸時，承載帶與傳動帶間的摩擦位置由于負載作用，造成皮帶張力增加，出現(xiàn)過度磨損現(xiàn)象，影響皮帶使用壽命。

（2）對摩擦帶式輸送機增設(shè)增壓裝置后，增壓器可根據(jù)皮帶承載載荷大小自主調(diào)整承載帶與傳動帶間的摩擦力，改善驅(qū)動力不足，延長皮帶使用壽命，利于線摩擦帶式輸送機進行長距離、大運量運輸。