礦用皮帶機(jī)自動張緊裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

＊郭 磊

（山西潞安化工集團(tuán)能源事業(yè)部 山西 046204）

前言

對煤礦而言，其井上與井下的輔助運(yùn)輸設(shè)備中最主要的就是皮帶機(jī)，由于煤礦領(lǐng)域發(fā)展較為快速，皮帶機(jī)水平與技術(shù)的發(fā)展速度也跟著提高了。在皮帶機(jī)內(nèi)最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件為張緊裝置，該裝置的作用是保證皮帶的張緊力，讓驅(qū)動滾輪和皮帶間的摩擦力充足，防止打滑現(xiàn)象出現(xiàn)。為保證其張緊裝置可以更好地控制張力，張力裝置也從機(jī)械結(jié)構(gòu)慢慢轉(zhuǎn)化成自動化結(jié)構(gòu)，且該自動化結(jié)構(gòu)為機(jī)電液一體化，能夠按真實(shí)需要來控制和調(diào)整皮帶張力，所有工況環(huán)境均能適應(yīng)，進(jìn)而使皮帶機(jī)可以可靠與穩(wěn)定地運(yùn)行。在本文中，將煤礦回采工作面順槽中應(yīng)用的皮帶機(jī)當(dāng)作研究對象，且該皮帶機(jī)是伸縮式的，將自動張緊裝置進(jìn)行了研制，并在工程實(shí)踐內(nèi)進(jìn)行了使用，得知應(yīng)用效果不錯，降低了設(shè)備發(fā)生故障的幾率，提高了煤礦的經(jīng)濟(jì)與安全效益。

1.簡述皮帶機(jī)

將煤礦回采工作面順槽內(nèi)應(yīng)用的可伸縮皮帶機(jī)當(dāng)作研究對象，且該皮帶機(jī)的型號為DSJ160/350/3×500，圖1為其結(jié)構(gòu)圖。

圖1 可伸縮皮帶機(jī)的結(jié)構(gòu)

從圖1發(fā)現(xiàn)，整個皮帶機(jī)是由托輥、張緊小車、儲帶倉、機(jī)頭驅(qū)動滾筒、機(jī)尾和機(jī)頭改向滾筒等構(gòu)成的。儲帶倉是該型號皮帶機(jī)和一般皮帶機(jī)的主要區(qū)別，在皮帶機(jī)實(shí)施伸縮作業(yè)期間，能夠?qū)⑹Ｓ嗥Т鎯χ羶}中。

驅(qū)動電機(jī)把動力直接傳輸至機(jī)頭的驅(qū)動結(jié)構(gòu)內(nèi)，利用摩擦力來帶動皮帶，使皮帶做出往返運(yùn)動。其張緊小車主要保證皮帶中的張力充足，防止張力太大而導(dǎo)致斷帶現(xiàn)象出現(xiàn)或者張力太小而導(dǎo)致打滑現(xiàn)象出現(xiàn)。整個皮帶機(jī)的長度、寬度分別為3000m、1.6m，其皮帶的最大輸送量是3500t/h，運(yùn)行速度是4m/s。

張緊小車作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件存在于可伸縮式皮帶機(jī)內(nèi)，張緊小車結(jié)構(gòu)的好與壞會對設(shè)備運(yùn)行是否穩(wěn)定有很大影響。應(yīng)用到該煤礦的皮帶機(jī)之前，張緊小車的結(jié)構(gòu)經(jīng)常會造成使用期間發(fā)生故障，導(dǎo)致這種狀況出現(xiàn)的原因?yàn)椴荒苡行Э刂破鋸埩?，張力不是太大，就是太小。為了將該問題解決，擬技術(shù)改造其張緊裝置，并對自動張緊裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證可以按照實(shí)際要求來自動調(diào)整其張力，使皮帶機(jī)可以穩(wěn)定地運(yùn)行，將設(shè)備發(fā)生故障的幾率降低。

2.設(shè)計(jì)自動張緊裝置的方案

和實(shí)際狀況相結(jié)合，圖2為自動張緊裝置的整體方案原理圖。從圖2發(fā)現(xiàn)，該裝置內(nèi)張緊滾筒利用鋼絲繩、滑輪組來連接張緊小車，而且，分別將驅(qū)動電機(jī)、制動器安裝至張緊滾輪的左右兩側(cè)。將張力傳感器設(shè)置到鋼絲繩中，該傳感器能夠?qū)埩λl(fā)生的變化進(jìn)行監(jiān)測。在得知張力變化明顯時，就會有指令從系統(tǒng)中發(fā)出，該指令可以對制動器進(jìn)行控制，使制動器無法打開，繼而張緊滾筒隨著驅(qū)動電機(jī)的工作而轉(zhuǎn)動，利用鋼絲繩與滑輪組來將張緊小車帶動，啟動張緊小車，進(jìn)而調(diào)整皮帶的張力。鋼絲繩中安裝的張力傳感器所檢測到的張力在合理范圍中時，就會關(guān)閉驅(qū)動電機(jī)，與此同時，張緊滾筒會被制動器所制動，防止出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，將張緊小車固定，這時新平衡就出現(xiàn)在了自動張緊裝置中。

圖2 自動張緊裝置的整體方案原理

將皮帶機(jī)工況劃分成停機(jī)、滿載運(yùn)行、啟動這三個階段，上述階段中張緊小車對應(yīng)的張力數(shù)值分別是290kN、321kN、450kN。為使系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，張力傳感器所檢測出的數(shù)值最大占上述3個數(shù)值的110%，最小占90%時，那么就認(rèn)為此時的張力是最佳的，不用再調(diào)整張力了。

3.自動張緊裝置關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)

(1)鋼絲繩型號的選擇

由于煤礦井下具有復(fù)雜的工作環(huán)境，應(yīng)用到該裝置內(nèi)的鋼絲繩所承受的工作載荷較大，所以要按照實(shí)際狀況來計(jì)算與分析鋼絲繩所承受的力，在這個基礎(chǔ)上來對鋼絲繩的型號進(jìn)行確定。從圖2發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用到張緊小車的滑輪組為6倍的，經(jīng)過測試得知，啟動階段張緊小車的受力大概是450kN，那么1根鋼絲繩所承受的力就是75kN。按照鋼絲繩所承受的力能夠?qū)⑵渥钚≈睆接?jì)算出來：

以上述結(jié)果為基礎(chǔ)，并按照GB/T 20118-2006中規(guī)定的能夠使用7×18型鋼絲繩，該型號鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度、最小破斷力與直徑分別是1770MPa、334kN、24mm，與實(shí)際應(yīng)用的需求相符。

(2)設(shè)計(jì)滑輪的結(jié)構(gòu)

滑輪結(jié)構(gòu)所具有的作用就是定位鋼絲繩位置，利用滑輪結(jié)構(gòu)來將鋼絲繩的力的方向改變，并對作用力進(jìn)行承受。圖3即為滑輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖。從圖3發(fā)現(xiàn)，由夾角設(shè)置到線槽的左右兩側(cè)，按照所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)得知，夾角的取值范圍為15°～45°，在本研究內(nèi)，所選取的β夾角的度數(shù)是25°。計(jì)算線槽曲率半徑的公式為：R=6d=14.4mm，名義上滑輪的直徑能夠按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：D≥20d=480mm。

圖3 滑輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(3)設(shè)計(jì)張緊滾筒的結(jié)構(gòu)

張緊滾筒所具有的作用就是纏繞鋼絲繩，所以在工作期間，需對載荷進(jìn)行承受，圖4即為其結(jié)構(gòu)圖。名義上張緊滾筒直徑能夠依據(jù)以下公式來進(jìn)行計(jì)算，得出：D≥21d=504mm。按照計(jì)算結(jié)果把其取整名義直徑之后再設(shè)置成520mm。一般其滾筒壁厚和鋼絲繩的直徑一致就可以了，若鋼絲繩的直徑是24mm，那么所設(shè)置的滾筒壁厚和鋼絲繩直徑相同。按照實(shí)際狀況，來對張緊小車的實(shí)際行程進(jìn)行確定，確定其行程是30m，按照滑輪組原理，就能將張緊滾筒中的容量進(jìn)行計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果是180m。依據(jù)式（2）來計(jì)算滾筒長度：

圖4 張緊滾筒的結(jié)構(gòu)

式中，

Z表示每層的圈數(shù)；

n表示鋼絲繩所纏繞的層數(shù)；

P表示鋼絲繩間的距離。

將鋼絲繩所纏繞的層數(shù)n取值為5，相鄰鋼絲繩間的距離依據(jù)其直徑的1.1倍來進(jìn)行取值。由于還需將別的配件安裝至張緊滾筒的左右兩側(cè)，所以，按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行取整之后，把滾筒長度的取值設(shè)置成0.7m。

首先，我們需要將移動學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)理念普及到學(xué)生日常生活當(dāng)中，用信息化平臺去推進(jìn)教育理念的進(jìn)行。如用手機(jī)平臺去宣傳移動學(xué)習(xí)的好處及優(yōu)點(diǎn)，用電腦平臺進(jìn)行實(shí)時講解及用多媒體進(jìn)行校園宣傳等。其次，為踐行這一科學(xué)理論，支持移動學(xué)習(xí)在高職教學(xué)中的融合，我們需要在學(xué)習(xí)過程中將這一理念體現(xiàn)出來。如：在學(xué)習(xí)過程中，教師與學(xué)生使用QQ或微信進(jìn)行交流，學(xué)生與教師可以在同一個局域網(wǎng)上進(jìn)行探討，教師可以在線上檢查學(xué)生問題，并給予學(xué)生及時反饋。以科學(xué)技術(shù)豐富學(xué)生移動學(xué)習(xí)的資源與方式，讓學(xué)生可以運(yùn)用趣味性、多元化的學(xué)習(xí)方法開展移動學(xué)習(xí)[7]。

4.分析自動張緊裝置的實(shí)際應(yīng)用狀況

將DSJ160/350/3×500型伸縮式皮帶機(jī)使用到潞安化工集團(tuán)某礦的工作面中，該型號皮帶機(jī)的張緊裝置所使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)是普通的，這就造成設(shè)備正常運(yùn)行期間常常有故障出現(xiàn)，比如斷帶與打滑等，每停機(jī)與維修1次就會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，依據(jù)上述自動張緊裝置的設(shè)計(jì)方案，把該方案直接使用至此類皮帶機(jī)工程內(nèi)，該裝置進(jìn)行調(diào)試之后，可以確保運(yùn)行正常之后直接投入至工程中使用，現(xiàn)在自動張緊裝置應(yīng)用至工程內(nèi)的時間大概需6個月。

經(jīng)過觀察與記錄其使用狀況，得知自動張緊裝置的使用效果非常好。自動張緊裝置可以按照皮帶機(jī)真實(shí)狀況來控制與調(diào)整皮帶張緊力，進(jìn)而可以將皮帶打滑及斷帶等常常產(chǎn)生的問題進(jìn)行更好的解決。

在這應(yīng)用的6個月時間內(nèi)，斷帶與皮帶打滑等故障1次也沒有在設(shè)備中發(fā)生，大大降低了故障發(fā)生的幾率。故障發(fā)生的幾率大幅度下降，不僅使企業(yè)成本下降，還可以讓企業(yè)縮減維護(hù)人員的數(shù)量，大概縮減2名，那么1年就能夠?qū)⑷肆Τ杀竟?jié)省40萬元左右，加上維護(hù)保養(yǎng)過程中發(fā)生的材料費(fèi)，那么，1年能夠?qū)⒈ｐB(yǎng)成本與維護(hù)成本節(jié)省70多萬元左右。

除此之外，由于皮帶機(jī)不間斷工作時間的持續(xù)延長，可以提高煤礦開采的效率，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

5.結(jié)束語

將應(yīng)用到煤礦回采工作面運(yùn)輸順槽內(nèi)的可伸縮式皮帶機(jī)當(dāng)作研究對象，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了皮帶機(jī)的自動張緊裝置，并將自動張緊裝置使用至工程實(shí)踐內(nèi)，所取得的效果能夠符合預(yù)期。

最終得出的結(jié)論包括：整個自動張緊裝置的設(shè)計(jì)方案是由張緊滾筒、滑輪組、鋼絲繩等構(gòu)成，通過對張力傳感器的利用，來檢測鋼絲繩的張力，當(dāng)張力在合適范圍之外且較大時，電機(jī)能夠?qū)埦o滾筒進(jìn)行驅(qū)動，進(jìn)而使張緊滾筒發(fā)生轉(zhuǎn)動，且調(diào)整張力；主要設(shè)計(jì)是對張緊滾筒、滑輪、鋼絲繩型號、結(jié)構(gòu)尺寸的選擇；在皮帶機(jī)的真實(shí)時間內(nèi)布置張緊裝置，通過現(xiàn)場實(shí)際使用，得知所取得的效果可以滿足需求，在這應(yīng)用的半年內(nèi)，打滑或斷帶等故障未在帶式輸送機(jī)中發(fā)生，這樣既可以將企業(yè)設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù)成本降低，還可以大幅度提高安全效益與別的經(jīng)濟(jì)效益。