帶式輸送機(jī)智能分煤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

王 佳，郭奮超，王榮泉，黨 靜

(1.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719315；2.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司生產(chǎn)服務(wù)中心，陜西 渭南 715400)

0 引言

隨著煤礦井下機(jī)械化、智能化的不斷發(fā)展，井下采煤技術(shù)越發(fā)成熟，采煤產(chǎn)能節(jié)節(jié)攀升，然而原有運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸能力卻與采煤產(chǎn)能的增加無(wú)法匹配，地面運(yùn)輸系統(tǒng)和煤倉(cāng)棧橋等運(yùn)輸部分的運(yùn)輸能力也難以提升，對(duì)其進(jìn)行拆除改造也存在時(shí)間和空間等方面的難度，紅柳林煤礦主帶運(yùn)輸系統(tǒng)存在同樣的問(wèn)題，這成為困擾礦井產(chǎn)能提升的一個(gè)瓶頸。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況分析

原有設(shè)計(jì)中，主斜井帶式輸送機(jī)只能與101上倉(cāng)棧橋帶式輸送機(jī)搭接，設(shè)計(jì)運(yùn)量為4 500 t/h。后期為了保障101帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行，將實(shí)際運(yùn)量調(diào)至4 000 t/h。同時(shí)為了保證在101帶式輸送機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)的正常生產(chǎn)，在101帶式輸送機(jī)的旁邊又增加了旁路帶式輸送機(jī)，能夠臨時(shí)向地面煤場(chǎng)輸送物料。

為使主運(yùn)輸系統(tǒng)與井下綜采系統(tǒng)相匹配，主運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸量要增加至5 000 t/h。經(jīng)過(guò)改造，主斜井帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸量能夠提升至5 000 t/h，但在主斜井帶式輸送機(jī)保持5 000 t/h的運(yùn)輸量運(yùn)行時(shí)，與其搭接的101帶式輸送機(jī)振動(dòng)嚴(yán)重，存在嚴(yán)重的安全隱患。而在主斜井帶式輸送機(jī)向101帶式輸送機(jī)卸煤時(shí)，無(wú)法向旁路帶式輸送機(jī)卸煤。單獨(dú)向旁路帶式輸送機(jī)卸煤時(shí)，其卸載端——地面煤場(chǎng)卻又無(wú)法滿足如此大的存儲(chǔ)量。

2 帶式輸送機(jī)智能分煤系統(tǒng)的原理

為解決這一問(wèn)題，在現(xiàn)有卸載部溜槽的結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)智能分煤系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由智能電氣系統(tǒng)、防爆液壓系統(tǒng)和斜閘門機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。該系統(tǒng)能夠根據(jù)綜采系統(tǒng)運(yùn)量大小，通過(guò)遠(yuǎn)程或智能控制，實(shí)現(xiàn)向101帶式輸送機(jī)單獨(dú)卸料、旁路帶式輸送機(jī)單獨(dú)卸料和101與旁路同時(shí)卸料3種不同的卸料方式，從而提升運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)能，解決輸送能力不足的問(wèn)題。

圖1 主斜井帶式輸送機(jī)智能分煤系統(tǒng)三維模型Fig.1 3D model of intelligent coal separation system of belt conveyor in main inclined shaft

2.1 智能電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能電氣系統(tǒng)由礦用隔爆型可編程控制箱(圖2)，3臺(tái)高精度電子皮帶秤、閘板位置傳感器、漏斗堆煤傳感器、聲光報(bào)警器組成。控制箱內(nèi)裝有電源濾波器、PLC、開(kāi)關(guān)電源、本安電源、繼電器和觸摸顯示屏等。具有多路數(shù)字開(kāi)關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)的輸入輸出接口，可配置各種不同的通信接口，可以提供2～8路本安電源供本安儀表或本安傳感器使用，能最大限度地滿足系統(tǒng)需要。

圖2 礦用隔爆型可編程控制箱Fig.2 Mine flameproof programmable control box

可編程控制箱內(nèi)置西門子PLC作為核心可編程控制器，能夠預(yù)先設(shè)定的運(yùn)量分配方案，結(jié)合安裝在主斜井、101和旁路帶式輸送機(jī)上的3臺(tái)高精度電子皮帶秤傳回的運(yùn)量數(shù)據(jù)，通過(guò)防爆液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮量，進(jìn)而調(diào)節(jié)閘板的開(kāi)合程度，從而達(dá)到智能分配101和旁路帶式輸送機(jī)上受料煤量的目的。閘板上設(shè)置的位置傳感器能夠?qū)崟r(shí)反饋閘板位置，做到閉環(huán)控制。101和旁路帶式輸送機(jī)上安裝的高精度電子皮帶秤也能夠?qū)⒏髯苑峙涞降拿毫繑?shù)據(jù)反饋到PLC控制箱，確保煤量分配的智能和精準(zhǔn)。另外，漏斗堆煤傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控漏斗內(nèi)是否發(fā)生堆煤的情況，進(jìn)而向上級(jí)控制器反饋堆煤報(bào)警信號(hào)，保障運(yùn)輸系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

2.2 防爆液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防爆液壓站及液壓系統(tǒng)如圖3、4所示，主要由防爆電動(dòng)機(jī)、防爆電磁閥、高壓油泵、油箱、推移液壓缸組件、高壓膠管等組成，在電氣系統(tǒng)的控制下能夠?yàn)榉置洪l門液壓缸提供可靠的液壓動(dòng)力源，從而控制液壓缸的開(kāi)合。防爆液壓站采用雙回路系統(tǒng)(雙電機(jī)、雙液壓泵、雙套電磁閥)，一個(gè)回路在用，一個(gè)回路備用，2個(gè)回路可以任意切換，有效地提高了液壓系統(tǒng)的可靠性。防爆液壓系統(tǒng)供電電壓380/660 V，最高工作壓力20 MPa。

圖3 防爆液壓站Fig.3 Explosion-proof hydraulic station

2.3 斜閘門機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斜閘門機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由斜閘板、斜閘門軌道、推移液壓缸連接件、開(kāi)槽漏斗和分叉溜槽組成。斜閘板、斜閘門軌道和推移液壓缸組件通過(guò)連接件成為一體，傾斜安裝在開(kāi)槽漏斗中，并通過(guò)支腿與地面支撐。斜閘板能夠在推移液壓缸的作用下在軌道上伸縮移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)閘門口的開(kāi)合。

1-油箱；2-液位計(jì)；3-空濾器；4-隔爆型電磁換向閥；5-回油濾油器；6-球閥；7-補(bǔ)償接管；8-柱塞泵；9-泵套聯(lián)軸器；10-防爆電機(jī)(頂出線)；11-減震墊；12-壓力表開(kāi)關(guān)；13-壓力表；14-單向閥；15-溢流閥；16-隔爆型電磁換向閥；17-液控單向閥；18-分流集流閥；19-壓力變送器圖4 液壓系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of hydraulic system

圖5 斜分煤閘門三維Fig.5 3D model of inclined coal separation gate

在推移液壓缸伸出時(shí)，斜閘板沿著斜閘門軌道移動(dòng)，到達(dá)電氣系統(tǒng)的指令位置(開(kāi)合度百分比)。當(dāng)閘板完全開(kāi)合時(shí)，主斜井帶式輸送機(jī)的煤直接卸入旁路帶式輸送機(jī)溜槽，向旁路帶式輸送機(jī)單獨(dú)卸料；當(dāng)閘板完全關(guān)閉時(shí)，主斜井帶式輸送機(jī)的煤卸在閘板上，然后回落到101帶式輸送機(jī)溜槽，向101帶式輸送機(jī)單獨(dú)卸料；當(dāng)閘板位于中間位置時(shí)，主斜井帶式輸送機(jī)的煤一部分通過(guò)旁路溜槽進(jìn)入旁路帶式輸送機(jī)，另一部分卸在閘板上，回落到101帶式輸送機(jī)溜槽中，達(dá)到同時(shí)向101與旁路帶式輸送機(jī)同時(shí)卸料的目的，同時(shí)通過(guò)閘門的開(kāi)合大小調(diào)節(jié)進(jìn)入101帶式輸送機(jī)和旁路帶式輸送機(jī)的煤量多少，從而達(dá)到控制各自運(yùn)輸量的目的。同時(shí)閘板設(shè)計(jì)傾角為35°，使閘板上部可以存儲(chǔ)部分浮煤，以減緩落煤沖擊，減緩閘板的磨損。

3 關(guān)鍵部件的三維建模設(shè)計(jì)與有限元分析

3.1 斜閘板

斜閘板作為隔檔物料的主要運(yùn)動(dòng)部件，不但要承受物料的沖擊，而且還要承受物料的磨損，需要進(jìn)行耐磨設(shè)計(jì)。根據(jù)溜槽的開(kāi)口尺寸，設(shè)計(jì)斜閘板尺寸為3 300 mm×2 000 mm，主板采用30 mm厚的Q345高強(qiáng)度低合金鋼板，正面焊接9行6列300 mm×300 mm的20 mm厚的高強(qiáng)度低合金鋼板以提高正面的耐磨性，背面焊接12行2 000 mm×100 mm×20 mm的橫向筋板和兩列縱向筋板，并為液壓缸活塞桿留出空間，液壓缸活塞桿連接處在斜閘板的中間位置，采用單板銷軸形式連接液壓缸活塞桿。在閘板的底部采用直角結(jié)構(gòu)與閘板軌道底部角形結(jié)構(gòu)配合支撐，閘板頂部扣在閘板軌道頂部的槽鋼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行吊掛支撐。斜閘板如圖6所示。

圖6 斜閘板三維Fig.6 3D model of inclined gate

3.2 斜閘門軌道

斜閘板軌道作為閘板導(dǎo)向的關(guān)鍵部件，既要承載斜閘板的重量與磨損，又要承載物料的沖擊，需要進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。斜閘板軌道采用20 mm厚的Q345高強(qiáng)度低合金鋼板和槽鋼加工而成，采用螺栓連接和焊接結(jié)構(gòu)。軌道斜面角度為35°。底部采用鋼板焊接的角形軌道結(jié)構(gòu)與閘板配合，這樣直角結(jié)構(gòu)上既不容易存煤，又能夠支撐斜閘板的重量。頂部采用槽鋼加筋板的槽鋼軌道結(jié)構(gòu)，與斜閘板頂部的矩形槽配合，一方面起到導(dǎo)向作用，另一方面又能夠拖住斜閘板，如圖7所示。

圖7 斜閘門軌道三維Fig.7 3D model of inclined gate track

3.3 斜閘門軌道的有限元分析

作為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，需要對(duì)斜閘門進(jìn)行有限元分析，以充分模擬閘門關(guān)閉時(shí)的受力情況和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。斜閘門重量3 500 kg，充分考慮落煤沖擊和自重后，按照斜閘門雙倍重量的載荷裕度，即70 000 N合力加載到直角形軌道和槽鋼軌道上寬度為2 000 mm的區(qū)域，斜閘門軌道底部固定，斜閘門軌道部分材料選用Q345高強(qiáng)度低合金鋼。經(jīng)過(guò)有限元分析，最大應(yīng)力為58.4 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度350 MPa，有6倍的安全系數(shù)，斜閘門軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足使用要求，如圖8所示。

圖8 斜分煤閘門有限元分析應(yīng)力云圖Fig.8 Stress cloud diagram of finite element analysis of inclined coal gate

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

帶式輸送機(jī)智能分煤系統(tǒng)安裝完成后(圖9)，實(shí)現(xiàn)了向101、旁路帶式輸送機(jī)單獨(dú)卸料和101與旁路同時(shí)卸料3種不同卸料方式，主運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)量提升到了5 000 t/h，同時(shí)還達(dá)到了遠(yuǎn)程/就地控制、高精度計(jì)量、智能分煤運(yùn)行等多項(xiàng)智能控制的各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能，有效地解決了產(chǎn)能提升的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸系統(tǒng)的智能分煤運(yùn)行。

圖9 帶式輸送機(jī)智能分煤系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.9 On-site installation of belt conveyor intelligent coal separation system

經(jīng)過(guò)核算，該系統(tǒng)安裝完成后，每天同比增加產(chǎn)量2 480 t，全月同比增加產(chǎn)量5.961 9萬(wàn)t，每月累計(jì)增益2 980萬(wàn)元，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)調(diào)研分析，紅柳林煤礦主斜井運(yùn)輸系統(tǒng)提升瓶頸問(wèn)題，設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)智能分煤系統(tǒng)。該系統(tǒng)的智能電氣系統(tǒng)、防爆液壓系統(tǒng)和斜閘門機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有效實(shí)現(xiàn)向101、旁路帶式輸送機(jī)單獨(dú)卸料和101與旁路同時(shí)卸料3種不同卸料方式的智能化控制，同時(shí)對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行三維建模和有限元分析，確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的分煤智能化問(wèn)題具有借鑒作用。