鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的升級(jí)改造

岳彥博

摘 要 鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)具有運(yùn)行阻力小、運(yùn)行平穩(wěn)、可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)兩運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦運(yùn)輸中應(yīng)用廣泛。但運(yùn)行過(guò)程中也暴露出很多問(wèn)題，如果強(qiáng)制淘汰將其更新為強(qiáng)力帶式輸送機(jī)，施工時(shí)間長(zhǎng)，資金投入大。但如果能對(duì)現(xiàn)有的鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)進(jìn)行針對(duì)性的升級(jí)改造是最可行的方案。本文以某礦井的鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)為例，對(duì)驅(qū)動(dòng)繩輪運(yùn)用三維仿真技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)及其配套電控系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，提高部件的壽命和系統(tǒng)的安全可靠性。

關(guān)鍵詞 鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)；驅(qū)動(dòng)繩輪；自冷盤式制動(dòng)裝置；電控系統(tǒng)

中圖分類號(hào) TD52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）12-0092-02

某礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9Mt/a，主暗斜井安裝一部B=1 000mm鋼絲繩牽引膠帶輸送機(jī)，傾角17.5°，主要擔(dān)負(fù)原煤、矸石、人員運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，輸送機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)繩輪、卸載裝置、分繩裝置、輸送帶、牽引鋼絲繩、裝載裝置、支承裝置、拉緊裝置等部件組成。其工作原理為：兩根無(wú)極鋼絲繩分別繞過(guò)驅(qū)動(dòng)滾筒和輸送機(jī)尾部的拉緊輪，輸送帶以其兩側(cè)上下沿輸送帶全長(zhǎng)都有的特制雙面耳槽，搭在兩根鋼絲繩上，之后隨之一系列動(dòng)作，給料機(jī)將物料通過(guò)輸送帶進(jìn)行運(yùn)送，最后通過(guò)卸載裝置卸下。該系統(tǒng)使用過(guò)程中暴露出以下問(wèn)題。1）驅(qū)動(dòng)繩輪的使用壽命較短，維修費(fèi)用高，要保證它的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，需要投人較多的資金。2）只在高速軸處安裝了推桿制動(dòng)器，只能實(shí)現(xiàn)停機(jī)后的定車功能，不能實(shí)現(xiàn)工作制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備的機(jī)械部分造成較大沖擊。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文運(yùn)用等應(yīng)力理論，對(duì)驅(qū)動(dòng)繩輪運(yùn)用有限元分析方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到使各個(gè)截面的最大應(yīng)力均在接近許用應(yīng)力的范圍內(nèi)使用，使得工程機(jī)械材料合理利用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)；同時(shí)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，采用了自冷盤式制動(dòng)裝置，通過(guò)配套液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)形成一套機(jī)電液一體化的自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，大大提高了制動(dòng)可靠性和安全性。

1 驅(qū)動(dòng)繩輪的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化

本系統(tǒng)使用摩擦式驅(qū)動(dòng)繩輪，輪徑D=3 500mm，襯墊沿輪圈圓周拼裝。為了在井下方便運(yùn)輸，將驅(qū)動(dòng)繩輪分成兩瓣制作，由絞制孔螺栓將兩瓣輪體連接。使用ANSYS Workbench14.5軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

1.1 模型的前處理

驅(qū)動(dòng)繩輪為Q235鋼板焊接而成的焊接件，在ANSYS Workbench14.5中設(shè)置材料特性如下，其屈服強(qiáng)度，彈性模量，抗拉強(qiáng)度，泊松比。

本文先在Solidworks2015軟件中建模，然后將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench14.5軟件中，從Solidworks2015軟件導(dǎo)入ANSYS Workbench14.5軟件之后，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法劃分的有限元模型。

設(shè)置合適的接觸對(duì)是對(duì)裝配體進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵。ANSYS Workbench中的接觸對(duì)有Bonded（綁定），No Separation（不分離），F(xiàn)rictionless（無(wú)摩擦），Rough（粗糙）和Frictional（有摩擦）五種形式。Bonded，即綁定約束，可將接觸區(qū)域看作被連接在一起，不允許面或線間有相對(duì)滑動(dòng)或分離。除此以外，No Separation為不分離約束，F(xiàn)rictionless為無(wú)摩擦約束，Rough為粗糙約束，表現(xiàn)為完全的摩擦接觸，F(xiàn)rictional為有摩擦約束。驅(qū)動(dòng)繩輪為Q235鋼板焊接而成的焊接件，所以，使用Bonded（綁定）接觸形式，用來(lái)模擬在焊接未失效之前，兩焊接表面之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)或分離的接觸關(guān)系。

對(duì)驅(qū)動(dòng)繩輪與主軸接觸的面施加固定約束，對(duì)驅(qū)動(dòng)繩輪與鋼絲繩接觸的面施加壓力，對(duì)驅(qū)動(dòng)繩輪施加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

1.2 結(jié)果后處理

驅(qū)動(dòng)繩輪的最大變形為0.259 6mm，位置在驅(qū)動(dòng)繩輪與鋼絲繩接觸的中間位置附近，驅(qū)動(dòng)繩輪在鋼絲繩圍包的驅(qū)動(dòng)力作用下，產(chǎn)生向直徑方向上的擠壓變形，圓周上的焊接槽鋼也在向心的拉力作用下產(chǎn)生變形，變形從鋼絲繩包圍的邊緣向中心累加，在中間位置處達(dá)到最大，在0.25mm左右。

圖1所示上下圖為從不同方向上看去得到的驅(qū)動(dòng)繩輪的等效應(yīng)力云圖，可以看到，驅(qū)動(dòng)繩輪的最大等效應(yīng)力值為58.74MPa，位置在驅(qū)動(dòng)繩輪與鋼絲繩接觸的中間位置附近。圓周上焊接的槽鋼的等效應(yīng)力大部分在13MPa～58MPa之間，材料得到了充分的利用，符合等應(yīng)力理論設(shè)計(jì)的原則。

2 自冷盤式制動(dòng)裝置的應(yīng)用

低速軸制動(dòng)器采用制動(dòng)力矩可調(diào)的低速軸自冷盤式可控制動(dòng)裝置，以滿足輸送機(jī)正常停車、緊急停車和定車作用。制動(dòng)器須具備以下技術(shù)特點(diǎn)：1）使輸送機(jī)停車減速度保持在0.05m/s2～0.3m/s2范圍內(nèi)；2）最大制動(dòng)力矩整定方便；3）控制或拖動(dòng)系統(tǒng)突然斷電或保護(hù)停車指令發(fā)出時(shí)能可靠制動(dòng)直至平穩(wěn)停車；4）每小時(shí)制動(dòng)達(dá)10次，制動(dòng)盤表面溫度小于150℃；5）打滑檢測(cè)、超速和保護(hù)功能較為完善和先進(jìn)；6）液壓系統(tǒng)的工作可靠性比較高，且便于調(diào)試和、安裝方便；7）與電控裝置配合，可以可控重載起動(dòng)。

2.1 自冷盤式制動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

自冷盤式可控制動(dòng)裝置主要由制動(dòng)盤，液壓制動(dòng)器（含活塞、閘瓦、彈簧等），底座，液壓站等組成，其制動(dòng)力由閘瓦與制動(dòng)盤之間的摩擦產(chǎn)生的。由此可知，當(dāng)調(diào)節(jié)閘瓦對(duì)制動(dòng)盤的正壓力時(shí)，其制動(dòng)力也會(huì)隨之改變。而制動(dòng)器正壓力的大小與油壓P與彈簧的作用結(jié)果相關(guān)，當(dāng)機(jī)電設(shè)備正常工作時(shí)油壓P達(dá)最大值，正壓力N為0，且閘瓦與制動(dòng)盤間留有1mm～1.5mm的間隙，此時(shí)制動(dòng)器處于松閘狀態(tài)。當(dāng)機(jī)電設(shè)備需要制動(dòng)時(shí)，根據(jù)工況和指令情況，電液控制系統(tǒng)將按預(yù)定的程序自動(dòng)減小油壓以達(dá)到制動(dòng)要求。

2.2 制動(dòng)器的液壓站

液壓控制系統(tǒng)采用雙回路工作方式，雙路控制系統(tǒng)完全對(duì)稱，一套工作一套備用。主要包括電動(dòng)機(jī)、液壓泵、溢流閥、安全閥、電液比例閥、濾油器等組成。當(dāng)鋼纜機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)首先起動(dòng)，當(dāng)直流主電機(jī)電流達(dá)到憋閘電流時(shí)，電機(jī)已經(jīng)帶載，此時(shí)開(kāi)制動(dòng)器，鋼纜及不會(huì)下滑，制動(dòng)器電控收到起動(dòng)指令后，首先起動(dòng)泵電機(jī)，如果系統(tǒng)選擇的是1號(hào)系統(tǒng)工作，2號(hào)系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)，則1號(hào)電磁閥送電，開(kāi)始升壓，當(dāng)電液比例閥的給定信號(hào)越來(lái)越大系統(tǒng)壓力逐漸升至額定壓力，系統(tǒng)制動(dòng)器打開(kāi)，直流主電機(jī)開(kāi)支逐漸提高帶速，直至最終起動(dòng)完成；系統(tǒng)正常停車時(shí)：當(dāng)主電機(jī)速度降到0.2m/s時(shí)，停泵電機(jī)，1號(hào)電磁閥斷電，比例閥控制信號(hào)清零，制動(dòng)裝置快速抱閘。

2.3 制動(dòng)器自動(dòng)控制系統(tǒng)

制動(dòng)器電控系統(tǒng)主要由電源、可編程序控制器（PLC）、輸入輸出接口電路和比例驅(qū)動(dòng)板組成。PLC是整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作的控制核心，主要功能是接收鋼纜機(jī)集控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的開(kāi)機(jī)和停機(jī)指令，控制系統(tǒng)按照合理的減速度進(jìn)行制動(dòng)，并具備自身的故障診斷功能。比例驅(qū)動(dòng)板是信號(hào)放大機(jī)構(gòu)，它將PLC輸出的0～5V電信號(hào)變換成0～500mA的驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)，來(lái)控制電液比例閥動(dòng)作。

4 結(jié)論和展望

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化和改造后，系統(tǒng)運(yùn)行一年有余，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)，驅(qū)動(dòng)繩輪的故障率和維修率大大降低，設(shè)備無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間大大延長(zhǎng)，由于采用了可控制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)減速度可控，不但減少了停機(jī)時(shí)的制動(dòng)沖擊，還提高了乘人的舒適性。在后來(lái)該礦的另外幾條鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)的改造中，均采用了此方案，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益，建議以后繼續(xù)對(duì)托繩輪等大量使用的關(guān)鍵部件進(jìn)行研究，提高其使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]黃蕾，孟文俊，易佑名，等.鋼絲繩牽引熱料帶式輸送機(jī)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2016（9）：76-78.

[2]張行，李偉，武倩平，等.新型帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015（6）：79-82.

[3]王程，劉詩(shī)雨，陳瀟.大型帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械，2013（7）：213-214.

[4]李均生.一種主斜井帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)的改造技術(shù)方案淺析[J].科學(xué)咨詢：科技·管理，2015（21）：42-43.

[5]楊守華.帶式輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)改造研究[J].科技風(fēng)，2017（6）：28.

[6]谷明霞，包繼華，李春燕，等.帶式輸送機(jī)用盤式制動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)的改進(jìn)[J].煤礦機(jī)械，2015，36（11）：199-200.