礦井長距離帶式輸送機線摩擦驅動增壓裝置設計應用 *

鄭 偉

(西山煤電集團有限責任公司, 山西 太原 030053)

0 引 言

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

為解決上述技術難題,可在普通帶式輸送機上增加幾組同結構、縮小版的驅動裝置組合使用,即構成線摩擦帶式輸送機。線摩擦帶式輸送機的主要優點在于它的驅動力來源于兩方面:一方面來源于位于機頭或機尾的驅動裝置;另一方面來源于位于中間部位的多組驅動器。通過中間多組驅動器的協調作用,極大地降低了機頭或機尾主驅動裝置的電機功率,避免其長時間處于高功率運行狀態,從而達到降低能耗的目的。此外,通過中間驅動器的增加,減小了物料在運輸過程中的轉載次數,緩解了空載和少載時膠帶的強張力運行狀態,延長了輸送機膠帶的使用壽命。筆者通過對線摩擦帶式輸送機中間驅動裝置的設計,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構原理

1.1 線摩擦帶式輸送機的基本結構

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

圖1 線摩擦帶式輸送機的結構圖1.摩擦傳動裝置 2.承載帶 3.傳動帶 4.托輥

1.2 線摩擦帶式輸送機的特點

線摩擦帶式輸送機在常規帶式輸送機的承載帶下沿承載帶的延伸方向進行多點輔助驅動器鋪設,通過承載帶與傳動帶間的線摩擦形式進行動力傳輸。隨著輔助驅動器的運行,線摩擦帶式輸送機的承載帶張力呈現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 線摩擦驅動裝置的布置

根據井下運輸線路的變化,線摩擦帶式輸送機布置方式一般分為直線段布置和曲線段布置兩種。直線段布置時承載帶與傳動帶間摩擦動力傳輸較為穩定,而曲線段布置根據其彎曲形式可分為兩種,如圖2所示。

圖2 帶凸凹弧段線摩擦帶式輸送機

圖2(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,由摩擦產生的傳輸動力會非常小,這對整個傳送機運輸是不利的;而圖2(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,由摩擦產生的驅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,皮帶局部會出現過度磨損現象。因此,針對上述兩者在使用過程中的特殊工況,需要對摩擦驅動器增設增壓裝置[4]。

2 增壓裝置的設計

2.1 整機結構設計

在普通線摩擦帶式輸送機上增加一個重量信號獲取器,根據重量信號獲取器的實時數據反饋進行及時增減壓力從而實現動力傳輸。整體結構設計如圖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,將數據傳輸至已經設置額定數值的控制器中,控制器將傳輸數值與額定數值進行對比。若數值出現偏差,控制器將信號繼續傳輸至伺服機中,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,實現數據的反饋并進行實時數據二次校驗。

圖3 線摩擦帶式輸送機增壓裝置整體結構圖1.承載帶 2.重量信號獲取器 3.稱重增壓裝置 4.中間驅動器

2.2 帶邊增壓方式

帶式輸送機提升牽引力的常規方式是增加傳送帶初始張力,該方式在一定程度上可達到提升牽引力的目的。但此方式帶來的弊端同樣不可忽略,對于一般運輸工況而言,帶式輸送機的傳輸張力遠大于實際有效張力,不僅造成傳輸帶的張力浪費,而且加速皮帶的損耗,縮短皮帶的使用壽命。在長距離帶式輸送機上使用該方式提升牽引力,弊端更加顯現。因此,單純增加傳送帶的張力是不切實際的。根據圖3所示的線摩擦帶式輸送機增壓裝置整體設計圖,提出一種帶邊增壓方式,其結構模型如圖4所示,該方式最主要的優點在于可根據井下實際運行工況進行增壓調節。

圖4 帶邊增壓模型圖1.托輥 2.傳動帶 3.螺紋套筒 4.彈簧 5.滾輪 6.電動機 7.承載帶 8.傳動桿 9.金屬管 10.齒輪a 11.齒輪b

其工作原理是通過重量信號獲取器得到皮帶運輸的瞬時重量,再與額定數值進行比較后,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,增大兩者間的摩擦力,實現增壓過程[5]。

3 增壓裝置仿真分析與應用

3.1 仿真模型建立與參數設置

利用ANSYS仿真軟件建立線摩擦帶式輸送機數值計算模型,如圖5所示。壓輥與承載帶之間設置剛柔接觸面,對壓輥施加沿Y軸的位移約束;承載帶與傳送帶之間設置柔性接觸面,并對二者施加位移約束,構件兩帶間的相對運動形式;托輥裝置設定固定約束。上述施加的約束均采用局部坐標系,以達到便捷操作的目的,同時不影響模型運算結果。根據井下工況進行模型賦參,具體如表1所列。此外,對現場輸送機數據監測,傳動帶和承載帶兩端張力分別賦值24 294、25 578N和49 978、 49 323 N。

表1 模型參數

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,另一種為有載運輸。根據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。

圖6 不同工況下線摩擦輸送機的總體變形云圖

由圖6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生大變形,其中在無載時最大變形量約為0.018 m,而有載時最大變形量約為0.022 m。由此說明,帶邊增壓方式可明顯調整由于線摩擦形式帶來的驅動力不足的現象,有利于輸送機的運輸。

3.3 現場應用

根據井下生產工作面生產能力對線摩擦帶式輸送機運輸煤炭的重量進行計算,并對重量信號獲取器進行設定(定值為560 N)。線摩擦輸送機運行時的監測數據如圖7所示,重量信號獲取器測得皮帶上方物料的瞬時重量后與設定值560 N進行比較,由控制器將信號繼續傳輸至伺服機中,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定值,從而滿足使用需求。

圖7 不同工況下線摩擦輸送機的監測數據

4 結 語

文中重點對線摩擦帶式輸送機不同運行工況進行研究發現,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,由摩擦產生的驅動力不足,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,出現過度磨損現象,影響皮帶使用壽命。對摩擦帶式輸送機增設增壓裝置后,增壓器可根據皮帶承載載荷大小自主調整承載帶與傳動帶間的摩擦力,改善了驅動力不足的問題,延長了皮帶使用壽命,利于線摩擦帶式輸送機進行長距離、大運量運輸。