新型帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 行，李 偉，武倩平，邱明權(quán)，任 勇

（中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

帶式輸送機(jī)在我國煤炭資源開采中舉足輕重，礦井工作環(huán)境較為惡劣，瓦斯?jié)舛?、CO氣體濃度等超標(biāo)易造成井下安全事故，同時(shí)帶式輸送機(jī)自身驅(qū)動(dòng)裝置、改向裝置和承載托輥等也會(huì)發(fā)生故障，都有可能影響到帶式輸送機(jī)的安全運(yùn)行。因此，對(duì)礦井下帶式輸送機(jī)運(yùn)輸工況下的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警，并做出應(yīng)急動(dòng)作對(duì)礦井安全生產(chǎn)意義深遠(yuǎn)。

受煤礦生產(chǎn)技術(shù)限制，我國為數(shù)較多的礦井在帶式輸送機(jī)的控制方式上，仍然沿用傳統(tǒng)的人工手動(dòng)、現(xiàn)場控制方式，在一定程度上耗費(fèi)了人力和物力資源，極大地影響了煤炭開采效率，也給整個(gè)煤礦開采工作帶來巨大的安全隱患。目前已有的自動(dòng)巡檢技術(shù)主要有無人機(jī)巡檢[1]和機(jī)器人巡檢兩種方式，礦井開采環(huán)境復(fù)雜多變，現(xiàn)有巡檢方式抗干擾能力差，且由于設(shè)備技術(shù)含量要求很高，維護(hù)相對(duì)困難，不易推廣。本文設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、裝卸維護(hù)方便，規(guī)避了現(xiàn)有技術(shù)的不足。此外，通過上位機(jī)控制，巡檢機(jī)構(gòu)的巡檢設(shè)備可沿工字鋼軌道平穩(wěn)運(yùn)行；該設(shè)備還可用于供電裝置、數(shù)據(jù)采集裝置及無線傳輸裝置的安裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，大大減少了監(jiān)測環(huán)節(jié)，并有效解決了井下布線不便問題。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，基于狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)[2]，采用自動(dòng)巡檢系統(tǒng)來代替手動(dòng)現(xiàn)場控制，對(duì)煤礦資源開采意義重大。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要由機(jī)頭部分、巡檢設(shè)備和機(jī)尾部分等組成。圖1為該系統(tǒng)的現(xiàn)場布置示意圖。

圖1 系統(tǒng)安裝示意圖

新型帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，運(yùn)用了無極繩牽引單軌吊[3]的原理。整個(gè)系統(tǒng)由防爆三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以工字鋼作為運(yùn)行軌道，其中巡檢設(shè)備與工字鋼軌道采用輪軌接觸方式，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)通過PLC控制技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)，在鋼絲繩摩擦力作用下，拖動(dòng)巡檢設(shè)備運(yùn)行。

2 巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)頭和機(jī)尾部分

機(jī)頭部分由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、改向輪和安裝支架等主要部件構(gòu)成，作為巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力傳輸部分，通過改向輪可實(shí)現(xiàn)鋼絲繩變向。如圖2所示，安裝支架由頂部支撐板、支撐立柱和固定板組成，用于設(shè)備的安裝。機(jī)尾部分由改向輪、支撐鋼架和張緊裝置構(gòu)成，改向輪用于鋼絲繩改向，受到鋼絲繩長度的影響，張緊裝置可使鋼絲繩保持足夠的張力，防止鋼絲繩下墜并確保鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪之間有足夠的摩擦力。

圖2 機(jī)頭部和機(jī)尾部安裝示意圖

2.2 巡檢設(shè)備與運(yùn)行軌道

圖3 巡檢設(shè)備裝配圖

2.2.1 巡檢設(shè)備

巡檢設(shè)備作為整個(gè)巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的核心部分，主要由行走機(jī)構(gòu)、清掃裝置、減速電機(jī)和巡檢箱等部件構(gòu)成，如圖3所示。

行走機(jī)構(gòu)主要包括行走輪、軸承和導(dǎo)向輪等部件，采用焊接和螺栓連接方式將各部件集成安裝于組合板上；減速電機(jī)通過緊固螺栓固定，其輸出軸與行走輪軸孔緊連接，行走輪運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)可以帶動(dòng)減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，有效地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，減速電機(jī)轉(zhuǎn)化的電能可用于對(duì)巡檢箱內(nèi)供電裝置充電，供電裝置可對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置和無線傳輸裝置供電；清掃裝置由連接板、橡膠板、固定塊三部分構(gòu)成，礦井煤灰、粉塵的堆積會(huì)影響巡檢裝置的正常運(yùn)行，清掃裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)異物的清掃；配備有熱像殼的巡檢箱，可用于傳感器、供電設(shè)備以及無線數(shù)據(jù)發(fā)射設(shè)備等的集成安裝。

2.2.2 運(yùn)行軌道和其它組件

運(yùn)行軌道由工字鋼焊接而成，以連接槽鋼為中間部件，用螺栓將運(yùn)行軌道和帶式輸送機(jī)支架連接為一體；巡檢箱上表面置有焊接板，行走機(jī)構(gòu)通過焊接方式與巡檢箱連接；鋼絲繩用鋼絲繩夾固定，通過聯(lián)結(jié)塊與巡檢設(shè)備聯(lián)結(jié)；托輪組件由托輪和活節(jié)螺栓組成，是一種位置可調(diào)裝置，可用于行走機(jī)構(gòu)的固定，在導(dǎo)向輪協(xié)同作用下，可實(shí)現(xiàn)行走輪沿運(yùn)行軌道對(duì)稱布置，確保巡檢設(shè)備運(yùn)行的可靠性；在運(yùn)行軌道的起始和終點(diǎn)位置安裝限位開關(guān)，可用于巡檢設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)控制和位置控制等。

3 應(yīng)用實(shí)施方案

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)巡檢系統(tǒng)現(xiàn)場安裝情況，得到主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 巡檢裝置主要技術(shù)參數(shù)

3.2 主要技術(shù)參數(shù)的確定與校核

3.2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

1）巡檢設(shè)備運(yùn)行速度v（m/s）

式中，K為蠕動(dòng)系數(shù)，k=0.98.

圖4 簡化模型

2）鋼絲繩張力計(jì)算

（1）防止鋼絲繩打滑和脫繩，鋼絲繩必須具有一定初張力，圖4為機(jī)構(gòu)系統(tǒng)簡化模型。

式中，Smin為最小張力，N；C為撓度系數(shù)，C=800。

（2）當(dāng)F1—F4側(cè)為上升（動(dòng)力運(yùn)行狀態(tài)）時(shí)，

（3）各點(diǎn)張力計(jì)算：

式中，w為運(yùn)行阻力系數(shù)，w=0.02；μ1為行走輪和運(yùn)行軌道之間摩擦因數(shù)，0.5；μ2為驅(qū)動(dòng)輪與鋼絲繩間摩擦因數(shù)，取0.25。

考慮到富裕系數(shù)L'=2m

3.2.2 參數(shù)校核

1）運(yùn)行軌道強(qiáng)度校核

圖5 軌道受力和彎矩

最大彎曲正應(yīng)力：

式中，Mmax為工字鋼截面最大彎矩；l為軌道的跨度；FA為巡檢設(shè)備對(duì)工字鋼總作用力；Wz為相對(duì)于中性軸的抗彎截面系數(shù)。

σmax=86.33MPa≤[σ]=215MPa，Wz=Wx=77.1cm3，彎曲正應(yīng)力滿足強(qiáng)度條件。

2）驅(qū)動(dòng)輪防滑校驗(yàn)[5]：

鋼絲繩牽引可靠性取決于是否有足夠的摩擦力在極限動(dòng)力運(yùn)行狀態(tài)，由歐拉方程：

式中，F(xiàn)1為重載側(cè)張力；F2為輕載側(cè)張力；e為自然底數(shù)；μ為襯墊與鋼絲繩的摩擦系數(shù)，μ=0.2；β為驅(qū)動(dòng)輪圍包角，β=π。滿足防滑安全要求。

3）鋼絲繩校核：

其中，Sk為鋼絲繩破斷力總和；Sm為最大張力點(diǎn)張力，5.47KN；m為最低鋼絲繩安全系數(shù)；mA為鋼絲繩安全系數(shù)。

4）電動(dòng)機(jī)校核：

式中，Kμ為防爆三相電機(jī)功率備用系數(shù)，Kμ=1.2；η為傳遞效率，η=0.79。

考慮到增加運(yùn)量，礦用防爆立式安裝電機(jī)YBK2-112M-6(B5)。

5）減速器校核：

（1）設(shè)備輸出扭矩

選減速機(jī)為B3HV07-63，TN=20000＞T=454.4N/m，滿足條件。

（2）設(shè)備輸出功率

η0為減速機(jī)傳遞效率，取為0.98；P1為減速機(jī)額定功率，大小為0.72kw。

3.3 巡檢軌道有限元仿真

運(yùn)行軌道受到載荷沖擊會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。巡檢設(shè)備位于軌道中部位置時(shí)為工字鋼軌道最危險(xiǎn)工作狀態(tài)，本文基于ANSYS14.0選擇四個(gè)行走輪共同加載的方式對(duì)工字鋼軌道進(jìn)行了集中載荷靜力學(xué)有限元分析[6]，得到應(yīng)力應(yīng)變云如圖6所示。應(yīng)力變形為1.38×10-5m，應(yīng)力變化范圍為1596Pa～4.84MPa，巡檢軌道應(yīng)力應(yīng)變在合理范圍內(nèi)，滿足要求。

圖6 應(yīng)力應(yīng)變云圖

3.4 應(yīng)用效果分析

3.4.1 設(shè)計(jì)效果

本文所設(shè)計(jì)的新型巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、靈活性強(qiáng)，通過PLC控制技術(shù)使整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，具體實(shí)施流程如圖7所示。

圖7 巡檢裝置運(yùn)行流程圖

圖8 信號(hào)無線傳輸原理圖

此外，巡檢箱內(nèi)安裝的瓦斯傳感器、噪聲傳感器等，傳感器具有自動(dòng)預(yù)警功能，可用于噪聲、瓦斯氣體濃度等的監(jiān)測；紅外熱像儀既可完成溫度監(jiān)測[7]，又能對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行圖像采集。傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)研華數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過無線路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，通過無線天線板實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)信號(hào)傳輸，基于無線發(fā)射技術(shù)，進(jìn)一步數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)做進(jìn)一步分析處理，對(duì)突發(fā)狀況可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。信號(hào)傳輸原理如圖8所示。

3.4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的新型帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，在中煤平朔井工一礦得到了很好的運(yùn)用。系統(tǒng)巡檢設(shè)備在帶式輸送機(jī)巷道運(yùn)行狀態(tài)良好，減速電機(jī)和供電裝置自動(dòng)充放電方案可行，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)傳感器和無線傳輸裝置供電。此外，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況下多傳感器數(shù)據(jù)的集中采集和信號(hào)的無線傳輸，圖9為系統(tǒng)現(xiàn)場安裝圖。

圖9 現(xiàn)場安裝圖

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的智能巡檢系統(tǒng)相比，新型礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，具有裝卸方便、便于維護(hù)和節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)。此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)充放電以及無線數(shù)據(jù)傳輸，為井下帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)巡檢提供了一種新的巡檢方式，取代了人工作業(yè)，可對(duì)突發(fā)危險(xiǎn)狀況及時(shí)預(yù)警并采取有效的停機(jī)保護(hù)措施，應(yīng)用前景廣泛。

[1]朱為維,王啟源.基于無人機(jī)的線路巡檢技術(shù)研究[J].電子制作,2013,21:13-14+6.

[2]Andrew K.S.Jardine,Daming Lin,Dragan Banjevic.A review on machinery diagnostics and prognostics implementing condition-based maintenance[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2005,207.

[3]張秋靈,王健,杜忠宇.無極繩單軌吊運(yùn)人裝置的研究與應(yīng)用[J].科技資訊,2012,33:72+74.

[4]郭颯.PLC上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究.設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D].東華大學(xué),2004.

[5]洪曉華.礦井運(yùn)輸提升[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005:261-267.

[6]黃志輝,趙紅偉.鋼軌應(yīng)變分布場的有限元分析[J].機(jī)電工程,2007,04:13-14+22.

[7]QUAN Yanming,XU Hao,KE Zhiyong.Research on some influence factors in high temperature measurement of metal with thermal infrared imager[J].Physics Procedia,2011,19.