皮帶輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭朝霞

（山西省煤礦節(jié)能監(jiān)測(cè)中心，太原 030045）

0 引言

隨著煤礦機(jī)電一體化技術(shù)的不斷提高，井下皮帶輸送機(jī)的需求越來越大，對(duì)皮帶輸送機(jī)的要求也越來越高。皮帶輸送機(jī)在實(shí)際工作中，由于工況較為復(fù)雜，載荷不均勻，設(shè)備會(huì)受到較大沖擊，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些打滑、跑偏、堆煤等故障[1-2]。如果皮帶機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生斷帶故障，皮帶與物料將同時(shí)堆積在皮帶機(jī)的機(jī)頭部分，甚至在重力作用下推倒皮帶機(jī)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。所以為了保護(hù)煤礦生產(chǎn)工作面的安全，國內(nèi)很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)研究出了皮帶輸送機(jī)的綜合保護(hù)裝置，可實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的速度保護(hù)、堆積保護(hù)、打滑保護(hù)、跑偏保護(hù)等，但是在斷帶保護(hù)方面缺乏有效的解決措施[4-5]。本文將對(duì)皮帶輸送機(jī)電設(shè)備的斷帶保護(hù)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 皮帶輸送機(jī)斷帶故障分析

綜合工程中皮帶機(jī)斷帶的實(shí)例分析，主要原因有以下4種。

（1）皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)存在缺陷。皮帶機(jī)在選型設(shè)計(jì)階段存在失誤，如輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置選擇不合理，減速器減速比等參數(shù)設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題。皮帶機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)控制裝置不完善也是造成皮帶斷裂的主要原因之一，皮帶機(jī)在每次啟動(dòng)、停止時(shí)，都超過允許的加速度或者減速度，在物料重力作用下，皮帶所受到的張力超過許用張力，發(fā)生斷裂。

（2）皮帶自身質(zhì)量不過關(guān)。部分煤礦偷工減料，購買不符合標(biāo)準(zhǔn)的皮帶也是導(dǎo)致故障發(fā)生的原因之一。

（3）輸送帶的硫化接頭存在質(zhì)量問題。硫化接頭的材料過期，加工過程中的硫化溫度、壓力和時(shí)間不符合要求，接頭的性能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)硫化接頭的強(qiáng)度要求。

（4）皮帶機(jī)運(yùn)行過程中操作不當(dāng)。在運(yùn)輸過程中，因異物卷入導(dǎo)致的載荷突變，極易導(dǎo)致皮帶發(fā)生斷裂。由于煤礦生產(chǎn)任務(wù)繁重，皮帶機(jī)通常情況下都是晝夜運(yùn)行，皮帶表面的磨損嚴(yán)重，內(nèi)部鋼絲繩的繩芯發(fā)生腐蝕，疲勞破壞等，導(dǎo)致皮帶韌性下降，當(dāng)運(yùn)輸過程中載荷分配不均時(shí)，極易發(fā)生斷帶故障[6-7]。

2 斷帶保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

皮帶輸送機(jī)的斷帶保護(hù)裝置的主要功能是當(dāng)皮帶出現(xiàn)斷裂或者打滑問題時(shí)，對(duì)皮帶進(jìn)行抓捕，防止皮帶及物料在慣性作用下造成的安全事故。目前，我國的斷帶保護(hù)措施主要分為預(yù)防性檢測(cè)和被動(dòng)性抓捕[8]。本節(jié)將對(duì)被動(dòng)性抓捕裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 斷帶抓捕器結(jié)構(gòu)

抓捕器是輸送帶斷帶后采用抓捕原理防止皮帶下滑的裝置。抓捕器屬于點(diǎn)式抓捕裝置，當(dāng)輸送機(jī)皮帶斷裂后，根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到的斷帶信號(hào)，抓捕器通過抓捕皮帶邊緣，產(chǎn)生較大的夾持力，防止輸送帶下滑。抓捕器作為皮帶機(jī)的斷帶保護(hù)裝置，應(yīng)達(dá)到的性能要求有以下幾點(diǎn)：（1）抓捕動(dòng)作迅速，當(dāng)皮帶斷裂后，可以第一時(shí)間完成抓捕動(dòng)作，防止皮帶下滑；（2）動(dòng)作準(zhǔn)確，在發(fā)生斷帶時(shí)，可準(zhǔn)確定位并抓捕，在未發(fā)生斷帶情況時(shí)，不會(huì)誤動(dòng)作；（3）抓捕范圍大，抓捕器作為點(diǎn)式抓捕裝置，夾持輸送帶的面積小，作用在皮帶上的壓力較大，容易損壞皮帶，發(fā)生二次事故，所以抓捕裝置較大的抓捕帶寬，在保護(hù)皮帶的同時(shí)，也提高了抓捕的成功率。

針對(duì)抓捕器的主要性能要求，本文對(duì)抓捕器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。抓捕器由兩個(gè)對(duì)稱的抓捕機(jī)構(gòu)組成，其中抓捕機(jī)構(gòu)由抓捕臂、電磁鐵與抓捕輥組成，兩個(gè)抓捕機(jī)構(gòu)的棘輪制動(dòng)方向相反。阻尼板安裝于皮帶下方，并留有一定間隙，保證皮帶機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)與阻尼板發(fā)生摩擦，當(dāng)皮帶斷裂后，在重力作用下，皮帶將落于阻尼板上，這時(shí)阻尼板將起到阻尼作用，減緩皮帶下滑速度，為抓捕器提高更好的抓捕條件。

抓捕器的兩邊的棘輪為相反方向安裝，其中左側(cè)棘輪的轉(zhuǎn)向與皮帶運(yùn)行方向相反，右側(cè)棘輪轉(zhuǎn)向與皮帶運(yùn)行方向相同。皮帶輸送機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，左側(cè)抓捕臂與抓捕輥在電磁鐵作用下懸置與皮帶上方，抓捕器右側(cè)的抓捕機(jī)構(gòu)相對(duì)左側(cè)要更加靠近皮帶。當(dāng)皮帶發(fā)生斷裂故障時(shí)，斷帶逆轉(zhuǎn)，向左下方滑動(dòng)，檢測(cè)裝置將檢測(cè)到的斷帶信號(hào)傳輸回控制系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)出命令，停止皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并將抓捕器的電磁鐵斷電，左側(cè)抓捕結(jié)構(gòu)在重力作用下，將斷帶壓在阻尼板上，最終，在阻尼板與抓捕輥的作用力下，斷帶停止下滑。這種抓捕器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：抓捕機(jī)構(gòu)作用在皮帶上的面積相對(duì)較大，不會(huì)對(duì)皮帶造成二次撕裂，安全系數(shù)較高。

2.2 抓捕器理論抓捕力

抓捕器產(chǎn)生的抓捕力大于皮帶下滑時(shí)的重力分量，才可以有效保護(hù)皮帶機(jī)。抓捕器為多個(gè)節(jié)點(diǎn)布置，在計(jì)算總的抓捕力時(shí)，需要綜合考慮抓捕器組數(shù)與單個(gè)抓捕器產(chǎn)生的抓捕力大小，具體計(jì)算公式如下：

式中：n為皮帶機(jī)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Fi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)處，皮帶斷裂產(chǎn)生的力；N為抓捕器所需的組數(shù)；Fz為單個(gè)抓捕器產(chǎn)生的抓捕力；μ為每組抓捕器的有效作用帶寬與皮帶總帶寬的比例；B為皮帶的寬度；Gr為皮帶的抗拉強(qiáng)度。

3 斷帶保護(hù)裝置電控設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)裝置

由于皮帶輸送機(jī)的斷帶故障具有隨機(jī)性，為了使系統(tǒng)的檢測(cè)功能更為準(zhǔn)確，本文主要采用速度檢測(cè)與斷帶檢測(cè)兩種方式來采集皮帶機(jī)的運(yùn)行情況。

皮帶的帶速檢測(cè)主要通過光電編碼器實(shí)現(xiàn)，皮帶輸送機(jī)在正常工作和斷帶故障兩種情況下的速度不同，系統(tǒng)通過比較器產(chǎn)生一個(gè)差值來發(fā)出斷帶信號(hào)。斷帶信號(hào)檢測(cè)裝置選用GVY1.5礦用撕裂傳感器，皮帶在斷裂后，物料會(huì)不斷沉積，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)到達(dá)一定值后，將發(fā)送故障信號(hào)到控制器。

3.2 控制主程序

斷帶保護(hù)系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示，系統(tǒng)初始化后，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輸送機(jī)正常運(yùn)行，開始運(yùn)行皮帶機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)子程序，對(duì)皮帶機(jī)的速度信號(hào)與斷帶信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)皮帶機(jī)速度異常后，通過撕裂傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到皮帶發(fā)生斷裂后，對(duì)斷裂位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，發(fā)出命令信號(hào)，控制該位置處的抓捕器動(dòng)作，防止皮帶下滑，并進(jìn)行報(bào)警，待工作人員進(jìn)一步處理。

圖2 斷帶保護(hù)系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文通過分析皮帶機(jī)斷帶的主要原因與斷帶保護(hù)裝置的性能要求，對(duì)抓捕器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)抓捕器的布置方式與布置個(gè)數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，在監(jiān)控系統(tǒng)上，優(yōu)化了系統(tǒng)的檢測(cè)裝置，改善了系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。