矿井长距离带式输送机线摩擦驱动增压装置设计应用 *

郑 伟

(西山煤电集团有限责任公司, 山西 太原 030053)

0 引 言

带式输送机作为煤矿生产中长距离、大运量的主要机械设备,其在运行过程中的高效节能性能直接影响到煤矿企业的安全经济性[1]。目前带式输送机的设计偏保守,主要是在计算得到额定工作量的基础上,乘以一个安全系数作为最终的设计参数指标。该方式设计的带式输送机在实际运转时具有较大的额定工作量,在应对设备空载和少载运行工况时不可避免出现能耗增加,从而导致输送机整体运输效率较低,不利于煤矿企业节能减排方针的实施。此外,从输送机设计结构方面而言,长距离输送需要较大的电机驱动功率和高强度的输送带。而输送机胶带目前常规使用的是国产整芯阻燃胶带,这类胶带整体机械强度性能较低,接头效率偏低,因此在安全性和经济性方面严重阻碍了长距离、大运量输送机的大规模投产使用[2-3]。

为解决上述技术难题,可在普通带式输送机上增加几组同结构、缩小版的驱动装置组合使用,即构成线摩擦带式输送机。线摩擦带式输送机的主要优点在于它的驱动力来源于两方面:一方面来源于位于机头或机尾的驱动装置;另一方面来源于位于中间部位的多组驱动器。通过中间多组驱动器的协调作用,极大地降低了机头或机尾主驱动装置的电机功率,避免其长时间处于高功率运行状态,从而达到降低能耗的目的。此外,通过中间驱动器的增加,减小了物料在运输过程中的转载次数,缓解了空载和少载时胶带的强张力运行状态,延长了输送机胶带的使用寿命。笔者通过对线摩擦带式输送机中间驱动装置的设计,提高其增压装置的牵引力,进一步提高输送机的运输效率,降低能耗与设备维修成本,为类似煤矿井下运输提供借鉴。

1 线摩擦带式输送机的结构原理

1.1 线摩擦带式输送机的基本结构

线摩擦带式输送机是一种基于常规带式输送机结构研发设计的一种新型输送机。在常规带式输送机结构的基础上增加一组或几组同结构、缩小版的中间驱动器(辅机),机头或机尾为主驱动机,主驱动机上连接着承载带;中间驱动器为辅助驱动机,连接的是传动带。双机运行时实现“主-辅”双机协同驱动。线摩擦带式输送机的基本结构如图1所示。

图1 线摩擦带式输送机的结构图1.摩擦传动装置 2.承载带 3.传动带 4.托辊

1.2 线摩擦带式输送机的特点

线摩擦带式输送机在常规带式输送机的承载带下沿承载带的延伸方向进行多点辅助驱动器铺设,通过承载带与传动带间的线摩擦形式进行动力传输。随着辅助驱动器的运行,线摩擦带式输送机的承载带张力呈现先减小后增大的趋势,承载带机械强度合理控制在其最大机械强度之下,承载带与传动带均处于弹性变形阶段,利于输送机进行长距离、大运量运输。

1.3 线摩擦驱动装置的布置

根据井下运输线路的变化,线摩擦带式输送机布置方式一般分为直线段布置和曲线段布置两种。直线段布置时承载带与传动带间摩擦动力传输较为稳定,而曲线段布置根据其弯曲形式可分为两种,如图2所示。

图2 带凸凹弧段线摩擦带式输送机

图2(a)中为凹弧段,当承载带与传动带间的摩擦位置没有负载或是物料时,由摩擦产生的传输动力会非常小,这对整个传送机运输是不利的;而图2(b)中为凸弧段,当承载带与传动带间的摩擦位置承载物料时,由摩擦产生的驱动力与皮带初始张力会逐渐增加,在传送带凸弧位置会造成应力过高,皮带局部会出现过度磨损现象。因此,针对上述两者在使用过程中的特殊工况,需要对摩擦驱动器增设增压装置[4]。

2 增压装置的设计

2.1 整机结构设计

在普通线摩擦带式输送机上增加一个重量信号获取器,根据重量信号获取器的实时数据反馈进行及时增减压力从而实现动力传输。整体结构设计如图3所示。在输送机运输过程中,重量信号获取器测得皮带上方物料的瞬时重量后,将数据传输至已经设置额定数值的控制器中,控制器将传输数值与额定数值进行对比。若数值出现偏差,控制器将信号继续传输至伺服机中,电机带动增压器进行增压或减压。同时,压力传感器接收压力信号后进行二次传输,再次将信号反馈回控制器中,实现数据的反馈并进行实时数据二次校验。

图3 线摩擦带式输送机增压装置整体结构图1.承载带 2.重量信号获取器 3.称重增压装置 4.中间驱动器

2.2 带边增压方式

带式输送机提升牵引力的常规方式是增加传送带初始张力,该方式在一定程度上可达到提升牵引力的目的。但此方式带来的弊端同样不可忽略,对于一般运输工况而言,带式输送机的传输张力远大于实际有效张力,不仅造成传输带的张力浪费,而且加速皮带的损耗,缩短皮带的使用寿命。在长距离带式输送机上使用该方式提升牵引力,弊端更加显现。因此,单纯增加传送带的张力是不切实际的。根据图3所示的线摩擦带式输送机增压装置整体设计图,提出一种带边增压方式,其结构模型如图4所示,该方式最主要的优点在于可根据井下实际运行工况进行增压调节。

图4 带边增压模型图1.托辊 2.传动带 3.螺纹套筒 4.弹簧 5.滚轮 6.电动机 7.承载带 8.传动杆 9.金属管 10.齿轮a 11.齿轮b

其工作原理是通过重量信号获取器得到皮带运输的瞬时重量,再与额定数值进行比较后,由控制器将信号传递至电机,电机带动传动杆由齿轮动力进一步传递。齿轮转动挤压两旁弹簧并推动金属管挤压承载带,使承载带向下方凹陷与传动带紧密贴合,增大两者间的摩擦力,实现增压过程[5]。

3 增压装置仿真分析与应用

3.1 仿真模型建立与参数设置

利用ANSYS仿真软件建立线摩擦带式输送机数值计算模型,如图5所示。压辊与承载带之间设置刚柔接触面,对压辊施加沿Y轴的位移约束;承载带与传送带之间设置柔性接触面,并对二者施加位移约束,构件两带间的相对运动形式;托辊装置设定固定约束。上述施加的约束均采用局部坐标系,以达到便捷操作的目的,同时不影响模型运算结果。根据井下工况进行模型赋参,具体如表1所列。此外,对现场输送机数据监测,传动带和承载带两端张力分别赋值24 294、25 578N和49 978、 49 323 N。

表1 模型参数

图5 带边增压仿真模型

3.2 不同工况下总变形分析

线摩擦带式输送机在运行时主要有两种工况,一种为无载运输,另一种为有载运输。根据两种不同的工况条件,利用仿真模型进行计算,不同工况条件下输送带的总体变形如图6所示。

图6 不同工况下线摩擦输送机的总体变形云图

由图6可知,采用带边增压方式后输送机在运行过程中,无载和有载两种情况均会导致带边轮和输送带接触的局部发生大变形,其中在无载时最大变形量约为0.018 m,而有载时最大变形量约为0.022 m。由此说明,带边增压方式可明显调整由于线摩擦形式带来的驱动力不足的现象,有利于输送机的运输。

3.3 现场应用

根据井下生产工作面生产能力对线摩擦带式输送机运输煤炭的重量进行计算,并对重量信号获取器进行设定(定值为560 N)。线摩擦输送机运行时的监测数据如图7所示,重量信号获取器测得皮带上方物料的瞬时重量后与设定值560 N进行比较,由控制器将信号继续传输至伺服机中,电机带动增压器进行增压。在此过程中,无载和有载两种情况下,都能在重量信号获取器的作用下达到设定值,从而满足使用需求。

图7 不同工况下线摩擦输送机的监测数据

4 结 语

文中重点对线摩擦带式输送机不同运行工况进行研究发现,线摩擦带式输送机在凹弧段运输时,承载带与传动带间的摩擦位置没有负载,由摩擦产生的驱动力不足,影响传动效果;在凸弧段运输时,承载带与传动带间的摩擦位置由于负载作用,造成皮带张力增加,出现过度磨损现象,影响皮带使用寿命。对摩擦带式输送机增设增压装置后,增压器可根据皮带承载载荷大小自主调整承载带与传动带间的摩擦力,改善了驱动力不足的问题,延长了皮带使用寿命,利于线摩擦带式输送机进行长距离、大运量运输。