皮帶輸送機(jī)雙向斷帶抓捕器的設(shè)計(jì)分析

張晉敏

（山煤集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)，山西臨汾 041000）

0 引言

皮帶輸送機(jī)是礦井運(yùn)輸煤炭的關(guān)鍵性設(shè)備，是井下作業(yè)的重要環(huán)節(jié)[1-3]。某礦主斜井使用的皮帶輸送機(jī)的型號(hào)為DTL120/60/4×450S，運(yùn)輸量為600 t/h，運(yùn)輸傾角為19.5°～25°，其中皮帶的型號(hào)為ST/S4500型鋼絲繩芯阻燃皮帶，寬度為1 200 mm，厚度為25.7 mm，鋼絲繩直徑為9.7 mm，皮帶重量為46.5 kg/m，接頭測(cè)量長(zhǎng)度4 m，接頭數(shù)量11，鋼絲繩根數(shù)為71根。在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中皮帶會(huì)因?yàn)橐恍┰虺霈F(xiàn)撕裂、斷裂以及打滑等現(xiàn)象，一旦皮帶出現(xiàn)故障，直接影響井下的生產(chǎn)進(jìn)度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成工作人員的傷亡。本文主要對(duì)此型號(hào)皮帶的斷裂進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)并討論了雙向斷帶抓捕器的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)參數(shù)。

1 皮帶斷裂的原因

（1）接頭質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。制作硫化接頭時(shí)沒(méi)有按照標(biāo)準(zhǔn)控制硫化的溫度及壓力，導(dǎo)致在硫化板上的溫度和壓力分布不均，以及所選材料不合格等因素，都使得硫化接頭不合格，造成皮帶斷帶[4-5]。

（2）皮帶本身質(zhì)量不合格。皮帶的使用時(shí)間較長(zhǎng)，如果平常的檢修不仔細(xì)，皮帶在長(zhǎng)久的負(fù)荷工作下，會(huì)造成皮帶斷裂。

（3）施加給皮帶的力突然增大。在皮帶輸送機(jī)工作的過(guò)程中，突然有其他物體落到皮帶上，此處的力突然增大，導(dǎo)致皮帶斷裂；啟動(dòng)及停止時(shí)，應(yīng)力突然增大造成皮帶斷裂[6-8]。

（4）皮帶上載荷分配不均。這種現(xiàn)象能夠致使皮帶跑偏，引起皮帶斷裂。

2 雙向斷帶抓捕器的設(shè)計(jì)分析

2.1 雙向斷帶抓捕器的結(jié)構(gòu)及實(shí)施原理

為了防止皮帶斷裂引起的損失，設(shè)計(jì)了雙向斷帶抓捕器。其中雙向斷帶抓捕器是由左右2個(gè)部分構(gòu)成，如圖1所示。左面的結(jié)構(gòu)：抓捕臂、單向抓捕輥以及相應(yīng)皮帶下面的阻尼砧板，其中阻尼砧板和皮帶之間的距離要稍微比皮帶的最大的懸垂度大一些。右面的結(jié)構(gòu)：抓捕臂、單向抓捕輥以及相應(yīng)皮帶下的單向托輥，單向托輥起支撐及逆止的作用。左面的單向抓捕輥允許與皮帶運(yùn)輸時(shí)的方向相反，右面則允許與皮帶運(yùn)輸時(shí)的方向一致。

圖1 雙向斷帶抓捕器示意圖

皮帶輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，左抓捕臂和左單向抓捕輥通過(guò)電磁鐵懸置于空中，右抓捕臂和右單向抓捕輥一直懸浮于皮帶上方。當(dāng)皮帶向右運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)斷帶，傳感器立即將斷帶信號(hào)傳送給控制單片機(jī)，接收到斷帶信號(hào)的單片機(jī)作出指示，使得驅(qū)動(dòng)電路以及懸置磁鐵電源立即斷開(kāi)。左抓捕臂及左單向抓捕輥?zhàn)杂陕湎?，皮帶斷裂后懸垂度增大，皮帶掉落到阻尼砧板上，左抓捕臂配合單向抓捕輥落下，把皮帶按在阻尼砧板上，因?yàn)樽笞ゲ遁佋试S與皮帶運(yùn)輸時(shí)的方向相反，抓捕輥和皮帶之間有很大摩擦阻力，懸臂在摩擦阻力的作用下帶動(dòng)抓捕輥逆時(shí)針擺動(dòng)，然后皮帶被抓捕輥及阻尼砧板卡死。當(dāng)皮帶逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，右抓捕臂及單向抓捕輥在摩擦力的作用下，抓緊皮帶。

2.2 雙向斷帶抓捕器的理論抓捕力

設(shè)皮帶斷裂，令：

式中：Fzhuay代表斷點(diǎn)處的右面的抓捕力；Fzhuaz代表斷點(diǎn)處的左面的抓捕力。

出現(xiàn)斷帶的時(shí)候，抓捕器的抓捕力足夠大時(shí)，才能精準(zhǔn)的抓住皮帶，所以抓捕力需比皮帶各節(jié)點(diǎn)的抓捕力的最大值F1都得大，則：

式中：Fi為各節(jié)點(diǎn)的抓捕力；F1為皮帶各節(jié)點(diǎn)力的最大值。

假使所選皮帶制動(dòng)邊的寬度是總寬度的13%，每套抓捕裝置所承受的拉力為F2，F(xiàn)1與F2的方向不一致，所得的制動(dòng)時(shí)的平衡方程為：

式中：B為皮帶的寬度；G x為皮帶的抗拉強(qiáng)度；M為抓捕器的對(duì)數(shù)；Nj為所劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

M的取值要確保MF2＞NjF1，此時(shí)才可以將皮帶有效的制動(dòng)，且將MF2增大3倍時(shí)，制動(dòng)效果更佳，更安全可靠。

2.3 單向抓捕輥

如圖2所示為單向抓捕輥的結(jié)構(gòu)示意圖，為了實(shí)現(xiàn)其只能夠是1個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，抓捕輥采用的是棘輪結(jié)構(gòu)。抓捕輥與棘輪是同一個(gè)軸，通過(guò)鍵來(lái)傳遞周向力，抓捕輥與棘輪分別位于懸臂的兩側(cè)。抓捕輥的直徑比棘輪的直徑大，棘爪安裝在懸臂上，外面設(shè)計(jì)有保護(hù)罩。皮帶在正常運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，因?yàn)樽ゲ遁伒馁|(zhì)量相對(duì)較小，所以抓捕輥產(chǎn)生的力可以忽略不計(jì)；一旦皮帶斷裂，抓捕輥馬上進(jìn)行反向阻止，開(kāi)始起作用，致使抓捕輥和皮帶之間的摩擦力快速增加，根據(jù)楔型原理抓捕輥將皮帶抓緊。

當(dāng)抓捕輥反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，為了確保棘爪能夠成功進(jìn)入嚙合，棘輪的工作角必須比摩擦角大，即

圖2 單向抓捕輥示意圖

式中：β為棘輪工作面與半徑的夾角；μ為摩擦因數(shù)，通常取值在0.2～0.3；ρ為摩擦角，通常取值在12～17。

當(dāng)皮帶斷裂后，抓捕輥通過(guò)摩擦力反向旋轉(zhuǎn)，棘爪滑到棘齒谷內(nèi)，摩擦力轉(zhuǎn)化成棘爪所受的應(yīng)力，因?yàn)榧苄?，所以?duì)棘爪的強(qiáng)度有一定要求：

式中：N為抓捕輥受到皮帶的支撐力；f為抓捕輥和皮帶的摩擦因數(shù)；MW為彎矩；e為棘爪的偏距；F為作用于棘爪上的力；r為抓捕輥的半徑；r1為棘輪的半徑；Z代表棘爪危險(xiǎn)截面的截面系數(shù)；A為棘爪危險(xiǎn)截面的厚度；σ為棘爪工作的強(qiáng)度。

2.4 雙向斷帶抓捕器參數(shù)

為了確保抓捕器能夠準(zhǔn)確的抓住皮帶，抓捕器和皮帶間所產(chǎn)生的摩擦力對(duì)懸臂旋轉(zhuǎn)中心的力矩要比轉(zhuǎn)動(dòng)付摩擦力矩與支撐力力矩的和大，即

式中：N為抓捕輥受到皮帶的支撐力；f為表抓捕輥和皮帶的摩擦因數(shù)；M f為抓捕臂回轉(zhuǎn)摩擦力矩；Δ為皮帶受壓后的變形量；h為抓捕臂回轉(zhuǎn)中心到皮帶的距離；R為懸臂回轉(zhuǎn)中心到抓捕輥回轉(zhuǎn)中心的長(zhǎng)度；r為抓捕輥半徑。

圖3 雙向斷帶抓捕器抓捕夾緊工作原理示意圖

確定h、R、r的值后，對(duì)式（15）關(guān)于f求偏導(dǎo)，則：

由上式可知f越大，N越小，抓捕器也越小。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該加大摩擦因數(shù)以及抓捕輥外緣的輥花。

假設(shè)抓捕時(shí)的夾角是α，得出h=Rcosα+r，將其代入式（15）得：

可以得出角α越小，N越小，越容易完成抓捕工作，但是角α也不能過(guò)于小，不能為0。

當(dāng)R是常數(shù)時(shí)，對(duì)式（17）關(guān)于r求偏導(dǎo)，則：

可得出r越大，越容易完成抓捕工作。

單向抓捕輥的設(shè)計(jì)，能夠在皮帶斷裂后準(zhǔn)確的進(jìn)行抓捕，減少了皮帶出現(xiàn)堆聚以及下滑的現(xiàn)象，減輕了皮帶斷裂所帶來(lái)的損失，值得推廣。

3 斷帶信號(hào)的采集與處理方法

皮帶輸送機(jī)出現(xiàn)皮帶斷裂是不確定的，出現(xiàn)斷裂的位置也是不確定的，因此檢測(cè)皮帶斷裂的信號(hào)也是有一定難度的，目前有如下幾種檢測(cè)方法。

（1）速度變化的檢測(cè)方法

速度傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)皮帶輸送機(jī)的速度，是指采用光電編碼盤(pán)測(cè)出皮帶的速度。當(dāng)斷帶時(shí)，皮帶的運(yùn)行速度會(huì)逐漸降低，測(cè)速輥也喪失了動(dòng)力，只能依靠慣性運(yùn)轉(zhuǎn)，就會(huì)出現(xiàn)速度差，然后通過(guò)比較器來(lái)將皮帶斷裂信號(hào)發(fā)出。

（2）拉力變化的檢測(cè)方法

皮帶輸送機(jī)是通過(guò)皮帶與帶輪間的摩擦力完成運(yùn)行的。在皮帶輸送機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，拉緊裝置給予一定的預(yù)緊力，在拉緊的鋼絲上安裝1個(gè)拉力傳感器，當(dāng)斷帶時(shí)，拉緊鋼絲的拉力降低，拉力傳感器將皮帶斷裂的信號(hào)輸出。

（3）磁場(chǎng)變化的檢測(cè)方法

在皮帶輸送機(jī)的皮帶內(nèi)預(yù)先安裝上線(xiàn)圈，其中磁場(chǎng)發(fā)生器與磁場(chǎng)接收器分別安置于皮帶的上面和下面。皮帶輸送機(jī)正常工作的過(guò)程中，線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中形成額外的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)接收器接收到此時(shí)的磁場(chǎng)基本恒定。當(dāng)斷帶時(shí)，皮帶內(nèi)的線(xiàn)圈也被撕裂，此時(shí)額外的磁場(chǎng)發(fā)生了變化，磁場(chǎng)接收器接收的磁場(chǎng)信號(hào)發(fā)生變化，因此可以得出皮帶斷裂。

上述檢測(cè)方法各有利弊，相對(duì)而言，第三種磁場(chǎng)檢測(cè)法是最方便，用時(shí)最少，因此本文采用磁場(chǎng)檢測(cè)法。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸過(guò)程中皮帶出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析，通過(guò)設(shè)計(jì)雙向斷帶抓捕器來(lái)防止皮帶斷裂后造成巨大損失；討論了雙向斷帶抓捕器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析，然后由磁場(chǎng)檢測(cè)法對(duì)斷帶信息進(jìn)行分析處理，斷帶信息傳輸?shù)娇刂茊纹瑱C(jī)，控制單片機(jī)對(duì)雙向斷帶抓捕器做出指示，雙向斷帶抓捕器開(kāi)始工作。