順槽帶式輸送機(jī)卷帶裝置的設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析

王 淵

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦， 山西 呂梁 033102）

引言

順槽帶式輸送機(jī)是綜采工作面根據(jù)采煤進(jìn)度實(shí)時(shí)收縮輸送帶的帶式輸送機(jī)。鑒于當(dāng)前順槽帶式輸送機(jī)收卷輸送帶的操作存在效率低、安全系數(shù)低的問題，本文特設(shè)計(jì)一款適用于綜采工作面順槽帶式輸送機(jī)收卷輸送帶的裝置。

1 卷帶裝置總體設(shè)計(jì)方案

本文所研究帶式輸送機(jī)輸送帶的類型為整芯輸送帶，其對(duì)應(yīng)的型號(hào)為PVC1250S。本文所研究帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 帶式輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

帶式輸送機(jī)卷帶裝置的主要任務(wù)是完成順槽帶式輸送機(jī)輸送帶的收卷任務(wù)，進(jìn)而減小卷帶作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升卷帶工作的安全性，為提升綜采工作面產(chǎn)煤效率的提升奠定基礎(chǔ)。順槽帶式輸送機(jī)卷帶裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.1 卷帶裝置液壓控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)作為順槽帶式輸送機(jī)卷帶裝置的控制中心，且?guī)捷斔蜋C(jī)卷帶裝置的大部分動(dòng)作均是由液壓系統(tǒng)控制完成的，其主要由液壓泵站、輸送油路組成。為了提升帶式輸送機(jī)液壓系統(tǒng)的利用率，要求卷帶裝置和張緊裝置共用一個(gè)液壓泵站[1]。

根據(jù)控制需求，卷帶裝置液壓系統(tǒng)可在自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作狀態(tài)下工作。其中，基于手動(dòng)狀態(tài)控制系統(tǒng)中的換向閥實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)動(dòng)作的控制；自動(dòng)狀態(tài)主要是針對(duì)卷帶裝置的出帶任務(wù)，為確保在出帶過程中避免輸送帶搭落的情況，此時(shí)張緊裝置為輸送帶提供一定的張緊力[2]。

圖1 順槽帶式輸送機(jī)卷帶裝置結(jié)構(gòu)組成

1.2 卷帶裝置電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

對(duì)于綜采工作面而言，要求工作面所有電氣設(shè)備均滿足防爆性能的要求。鑒于PLC 控制系統(tǒng)在惡劣環(huán)境工作的可靠性和穩(wěn)定性，順槽帶式輸送機(jī)卷帶裝置的電氣控制系統(tǒng)是基于PLC 實(shí)現(xiàn)的[3]。且卷帶裝置電氣控制系統(tǒng)所選用具體PLC 的型號(hào)為S7-CPU224X。

2 卷帶裝置關(guān)鍵部件的校核

順槽帶式輸送機(jī)卷帶裝置的關(guān)鍵部件為出帶裝置，出帶裝置的主要任務(wù)是完成對(duì)輸送帶的卷曲工作。本文所研究的順槽帶式輸送機(jī)100 m 輸送帶全部收入卷帶裝置后其質(zhì)量全部負(fù)荷于卷帶裝置的舉升梁和中心回轉(zhuǎn)架上。因此，卷帶裝置的舉升梁和中心回轉(zhuǎn)架強(qiáng)度是確保整個(gè)卷帶裝置可靠性和安全性的基礎(chǔ)[4]。本節(jié)基于ANSYS 軟件對(duì)舉升梁和中心回轉(zhuǎn)架的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

2.1 舉升梁的校核

根據(jù)順槽帶式輸送機(jī)卷帶裝置舉升梁的實(shí)際尺寸基于SolidWorks 建立三維模型，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中，根據(jù)舉升梁普通碳鋼屬性特點(diǎn)對(duì)ANSYS 模型中的材料屬性進(jìn)行設(shè)置，待完成網(wǎng)格劃分和添加載荷約束后開始仿真。仿真結(jié)果及其材料許用值對(duì)比如下頁表2 所示。

如表2 所示，卷帶裝置完成收卷任務(wù)后，100 m輸送帶傳遞至舉升梁的最大應(yīng)力為1.68×108N/m2接近于其材料許用最大應(yīng)力2.8×108N/m2；而舉升梁的最大位移12 mm 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通碳鋼的最大位移2 mm。為確保舉升梁及其整個(gè)系統(tǒng)的安全性，需對(duì)舉升梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。具體優(yōu)化措施如下：

1）將支撐舉升梁的鋼結(jié)構(gòu)的尺寸從原先的120 mm×60mm×10mm增大為140mm×80mm×15mm；

2）將卷筒的直徑從原先的40 mm 增大為60 mm；

3）為舉升梁中間位置加設(shè)加固筋板。

對(duì)優(yōu)化后舉升梁重新建模后采用同樣的外部載荷和網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表3 所示。

表2 舉升梁強(qiáng)度校核

表3 優(yōu)化后舉升梁的強(qiáng)度校核

經(jīng)仿真分析可知，優(yōu)化后舉升梁的最大應(yīng)力比其所選材料的需用應(yīng)力小一個(gè)數(shù)量級(jí)，且其最大位移也小于其選用材料所允許的最大位移。所以，優(yōu)化后舉升梁的強(qiáng)度滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

2.2 中心回轉(zhuǎn)架的校核

同樣，根據(jù)中心回轉(zhuǎn)架的實(shí)際尺寸基于SolidWorks 軟件搭建三維模型，并將模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中，經(jīng)網(wǎng)格劃分和添加載荷后得出如表4 所示的仿真結(jié)果。

表4 回轉(zhuǎn)中心架的強(qiáng)度校核

回轉(zhuǎn)中心架的材料同樣為普通碳鋼。經(jīng)仿真可知，在實(shí)際工況下回轉(zhuǎn)中心架的最大應(yīng)力和最大位移，均遠(yuǎn)小于其選材的最大許用應(yīng)力和最大位移。所以，回轉(zhuǎn)中心架的強(qiáng)度滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

3 卷帶裝置的工業(yè)性試驗(yàn)

文中第2 節(jié)主要完成了對(duì)卷帶裝置中關(guān)鍵部件舉升梁和回轉(zhuǎn)中心架強(qiáng)度的校核，并未驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的卷帶裝置是否能夠達(dá)到降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。為此，基于所設(shè)計(jì)的卷帶裝置搭建工業(yè)性試驗(yàn)平臺(tái)，主要對(duì)其能否與綜采工作面順槽的完美匹配和在同等工作量下作業(yè)人員的參與人數(shù)和完成時(shí)間進(jìn)行對(duì)比?，F(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)必須嚴(yán)格遵守各項(xiàng)規(guī)章制度和整個(gè)卷帶系統(tǒng)的工作流程。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)可知：

1）順槽帶式輸送機(jī)卷帶裝置機(jī)械部分能夠與張緊裝置完美配合，且與現(xiàn)場其他設(shè)備的匹配性良好；

2）針對(duì)本文所研究順槽帶式輸送機(jī)的100 m 輸送帶的收卷任務(wù)，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的卷帶裝置參與的作業(yè)人員的人數(shù)由原先的6 人縮減為當(dāng)前的2 人，且消耗時(shí)間由原先的3 h 縮減為當(dāng)前的0.5 h，大大地降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了卷帶的效率。

4 結(jié)論

實(shí)際生產(chǎn)中順槽帶式輸送機(jī)的卷帶任務(wù)需消耗大量的人力、物力，且其操作過程的安全性一直被質(zhì)疑。卷帶裝置的順槽帶式輸送機(jī)的應(yīng)用能夠有效地解決上述問題。實(shí)踐表明，卷帶裝置的應(yīng)用能夠?qū)⑴c收卷輸送帶任務(wù)的人員由原先的6 人縮減為當(dāng)前的2 人，且消耗時(shí)間由原先的3 h 縮減為當(dāng)前的0.5 h。