礦用電動滾筒帶式輸送機液壓下滑制動機構(gòu)的研究

徐江江

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048006）

引言

煤礦開采過程中，帶式輸送機是非常關(guān)鍵的運輸設(shè)備，帶式輸送機的運輸效率對采煤效率有非常重要的影響[1]。隨著煤礦領(lǐng)域的不斷發(fā)展，采煤效率在逐漸提升，為了順應(yīng)現(xiàn)實要求，帶式輸送機正朝著高速化、大角度發(fā)展[2]。在這樣的背景下，帶式輸送機傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動系統(tǒng)弊端逐漸暴露出來，主要是可靠性差，經(jīng)常出現(xiàn)故障問題。而電動滾筒帶式輸送機正好可以解決上述問題，因此在煤礦領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用[3-4]。電動滾筒將整個驅(qū)動裝置進行了整合，導(dǎo)致傳統(tǒng)形式的帶式輸送機制動系統(tǒng)在新結(jié)構(gòu)中無法使用。在大角度皮帶運輸中，特殊情況下如果驅(qū)動裝置失去動力，在煤礦物料重力的作用下，皮帶就會下滑失去控制，速度越來越快，此時需要有效的制動系統(tǒng)對其進行制動處理[5]。可以看出，制動系統(tǒng)是確保帶式輸送機運行安全的重要裝置，因此非常有必要對其進行深入的分析和研究，確保制動裝置的效果能夠滿足實際使用需要，保障電動滾筒帶式輸送機的運行安全[6]。

1 電動滾筒帶式輸送機概況

帶式輸送機傳統(tǒng)的驅(qū)動機構(gòu)由多個部分構(gòu)成，且這些部分呈敞開式分布。這種分布結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢，比如可以結(jié)合實際情況對其分布結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，可快速檢測故障問題。但缺陷也很明顯，比如需要占據(jù)很大的空間，容易受煤礦環(huán)境的影響，設(shè)備結(jié)構(gòu)件較多，對結(jié)構(gòu)件安裝裝配提出了較高的要求。這些缺陷的存在制約了帶式輸送機的運行可靠性，在這樣的背景下電動滾筒應(yīng)運而生，并得到了越來越多的應(yīng)用。

如圖1所示為帶式輸送機電動滾筒總體結(jié)構(gòu)圖。這種全新驅(qū)動結(jié)構(gòu)，特點在于對多個結(jié)構(gòu)件進行了整合，將很多結(jié)構(gòu)件分布在滾筒內(nèi)部。通過對結(jié)構(gòu)部件的整合，能夠顯著降低整個設(shè)備的體積，設(shè)備占據(jù)的空間縮小，電機與滾筒之間只需要通過連軸器進行連接即可。由于電動滾筒將重要結(jié)構(gòu)部件都置于滾筒內(nèi)部，在密閉空間內(nèi)各結(jié)構(gòu)件的運行環(huán)境得到顯著改善，因此不容易出現(xiàn)故障問題，可靠性有顯著提升。如果出現(xiàn)了故障問題需要對整機進行更換，縮短了故障維修時間，實現(xiàn)故障問題的快速排除，確保帶式輸送機的開機率，為采煤效率的提升奠定堅實的基礎(chǔ)。由于電動滾筒結(jié)構(gòu)形式比較特殊，傳統(tǒng)的帶式輸送機制動系統(tǒng)無法應(yīng)用于電動滾筒中。所以需要充分結(jié)合電動滾筒的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計研究對應(yīng)的制動機構(gòu)，確保帶式輸送機的運行安全。

圖1 帶式輸送機電動滾筒總體結(jié)構(gòu)圖

2 液壓下滑制動機構(gòu)設(shè)計及其工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如下頁圖2所示為液壓下滑制動機構(gòu)總體方案示意圖。從圖中可以看出，制動裝置主要由支撐結(jié)構(gòu)、底座、推移結(jié)構(gòu)構(gòu)成。推移結(jié)構(gòu)在液壓機構(gòu)的推力作用下，可以在底座上沿著滑槽移動，為確保推移過程的穩(wěn)定性，液壓機構(gòu)中設(shè)置了兩根相互平行的推移液壓缸。液壓缸與推移結(jié)構(gòu)通過鉸鏈的方式進行連接。推移結(jié)構(gòu)與底板接觸，兩者之間通過滑槽可以在水平方向上做相對運動。兩根缸體的另一端同樣通過鉸鏈的方式與底座端部的耳座進行連接。底座固定于支撐結(jié)構(gòu)上，連接方式為螺栓連接。而支撐結(jié)構(gòu)則可以固定在帶式輸送機的支架上，連接方式可以視具體情況合理選擇。

由圖可知，推移結(jié)構(gòu)右側(cè)為弧形結(jié)構(gòu)，該弧形正好與滾筒相匹配，即兩者具有相同的半徑大小。為了提升制動效果，需要在推移結(jié)構(gòu)的弧形表面上設(shè)置安裝耐磨橡膠墊，以提升其摩擦系數(shù)，確保制動效果。每個液壓缸需要兩個耳座，其間距大小為36 mm，利用銷軸實現(xiàn)耳座和液壓缸的連接。液壓機構(gòu)的缸徑為65 mm，桿徑為46 mm。每個液壓缸可以提供大約為50 MPa的壓力，那么兩個液壓缸總共可以提供大約100 MPa的壓力，該壓力可以確保緊急情況下帶式輸送機以較快的加速度進行制動。

圖2 液壓下滑制動機構(gòu)總體方案示意圖

2.2 機構(gòu)的基本工作原理

液壓下滑制動機構(gòu)的基本工作原理如下：帶式輸送機正常工作時，推移結(jié)構(gòu)與驅(qū)動滾筒之間保留有一定的距離，兩者之間不發(fā)生任何接觸，制動系統(tǒng)不會影響到帶式輸送機的正常工作。當(dāng)帶式輸送機的監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)其運行過程失控，速度越來越快超過了安全速度閾值時，或者出現(xiàn)斷帶問題時，就會觸發(fā)安全保護動作?？刂葡到y(tǒng)下達指令給液壓下滑制動機構(gòu)，液壓系統(tǒng)啟動工作。此時，液壓機構(gòu)推動推移結(jié)構(gòu)往驅(qū)動滾筒方向移動，并快速與之接觸。由于推移結(jié)構(gòu)弧形表面有耐磨橡膠墊，加上液壓缸較大的推力作用，使得推移結(jié)構(gòu)與皮帶之間發(fā)生顯著的摩擦，產(chǎn)生很大的摩擦力。在摩擦力的作用下帶式輸送機滾筒的運行速度逐漸降低，直到滿足要求為止。

3 不同工況下液壓下滑制動機構(gòu)的控制原理研究

帶式輸送機工作時，需要針對不同工況采取不同的制動控制策略，這樣可以獲得最優(yōu)的制動效果，在確保帶式輸送機安全的前提下，盡可能保護設(shè)備不受較大的沖擊。監(jiān)控系統(tǒng)對帶式輸送機的狀態(tài)進行判斷后，認為需要進行制動處理時，首先需要明確帶式輸送機的具體狀態(tài)，然后確定對應(yīng)的制動類型。如圖3所示為電動滾筒帶式輸送機液壓下滑制動控制原理框圖。本研究中共劃分了三種不同的工況，每種工況需要采用不同的制動控制策略。

3.1 超速工況

當(dāng)帶式輸送機實際運送的煤礦物料重量超過了設(shè)備的額定載重量，但是超過的量不大時，在煤礦物料重力作用下會導(dǎo)致帶式輸送機出現(xiàn)加速的現(xiàn)象。這種情況下，如果速度在可控范圍內(nèi)，沒有超過最大極限速度，可以通過控制系統(tǒng)下達指令對變頻器進行控制，降低變頻器的輸出頻率，從而降低電機的轉(zhuǎn)速，使帶式輸送機的運行速度逐漸趨于平衡，這種情況下不需要啟動制動機構(gòu)。如果通過以上措施還無法對速度進行有效調(diào)節(jié)控制，則需要啟動設(shè)計的制動機構(gòu)對輸送機進行制動，確保其運行安全。

圖3 液壓下滑制動控制原理框圖

3.2 停車工況

當(dāng)帶式輸送機需要停機時，由于其運行速度通常較快，此時如果直接啟動制動機構(gòu)進行制動，速度降低太快，會對設(shè)備造成較大的沖擊，不利于設(shè)備運行的穩(wěn)定性。所以前期需要通過變頻器對電機轉(zhuǎn)速進行控制，待電機轉(zhuǎn)速低于系統(tǒng)設(shè)定的800 r/min時。控制系統(tǒng)下達指令啟動制動機構(gòu)，在兩個液壓缸的推力作用下，移動結(jié)構(gòu)靠近驅(qū)動滾筒進行制動。利用制動機構(gòu)進行制動時，可以將帶式輸送機滾筒的轉(zhuǎn)速實時反饋到控制系統(tǒng)中，確保制動效果達到理想的要求。如果系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)制動速度過慢，則可以加大壓力，增加液壓缸的推力，以提升推移結(jié)構(gòu)與皮帶之間的摩擦力，確保制動效果滿足要求，直到帶式輸送機平穩(wěn)停機為止。

3.3 緊急突發(fā)工況

在遇到煤礦井下出現(xiàn)緊急突發(fā)情況時，比如突然斷電、電機突然燒毀等，這種情況下會導(dǎo)致帶式輸送機在瞬間失去動力，處于一種自由狀態(tài)。如果輸送機的角度較大，在煤礦物料重力作用下，帶式輸送機的速度將會越來越快，最終出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象。對于這種情況可以立即啟動UPS應(yīng)急電源對控制系統(tǒng)進行供電，并下達指令啟動制動機構(gòu)，將制動加速度控制在0.1～0.3 m/s2范圍內(nèi)。帶式輸送機停止運行后需要繼續(xù)進行制動，直到排除故障問題為止。

4 實踐應(yīng)用效果分析

將設(shè)計的礦用電動滾筒帶式輸送機液壓下滑制動機構(gòu)及其控制系統(tǒng)應(yīng)用到工程實踐中，表現(xiàn)出了如下優(yōu)勢：能夠進行遠程操作控制，機構(gòu)故障率較低，操作過程便捷，可以快速響應(yīng)對帶式輸送機進行制動處理。在長達6個月的實踐應(yīng)用中，系統(tǒng)多次啟動對帶式輸送機進行制動，有效避免了輸送機出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象，確保了電動滾筒帶式輸送機的安全運行。

5 結(jié)語

當(dāng)前電動滾筒帶式輸送機在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，這種結(jié)構(gòu)的驅(qū)動裝置無法通過傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)對其進行制動。在大角度運輸中，如果沒有有效的制動裝置，輸送機的安全運行就無法得到有效保障。因此，結(jié)合具體情況設(shè)計電動滾筒帶式輸送機液壓下滑制動機構(gòu)。就可以在一旦帶式輸送機速度較快時啟動該機構(gòu)對設(shè)備進行制動處理。實踐結(jié)果表明，設(shè)計的制動機構(gòu)能夠及時響應(yīng)，制動效果良好，可以確保帶式輸送機的安全。