工作面順槽可伸縮下運(yùn)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

劉富超 張 建 李 秀

(1.山東能源重型裝備制造集團(tuán)恒圖科技有限公司，山東271222；2.山東能源臨礦集團(tuán)魯西煤礦，山東 272053；3.伊利新礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，新疆835299)

1 定義

工作面順槽是為了回采煤層而挖掘的回采巷道，一般包括進(jìn)風(fēng)運(yùn)輸順槽和回風(fēng)運(yùn)輸順槽。工作面順槽帶式輸送機(jī)是指安裝在工作面順槽的運(yùn)輸機(jī)，其長度隨著工作面回采推進(jìn)不斷縮短。因此可以說，順槽帶式輸送機(jī)是專為采煤工作面而設(shè)計(jì)的可伸縮帶式輸送機(jī)，簡稱順槽皮帶機(jī)。

如果順槽皮帶機(jī)以下運(yùn)的形式出現(xiàn)，其使用工況將呈現(xiàn)復(fù)雜多變的特性。主要原因是：

(1)順槽帶式輸送機(jī)整個生命周期中，其運(yùn)量隨長度、地形條件不斷變化。

(2)即便是在長度不變的條件下，下運(yùn)順槽皮帶機(jī)存在空載與重載起動，電動與發(fā)電運(yùn)行以及常規(guī)與緊急制動等多種復(fù)雜工況。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 側(cè)型布置

下運(yùn)順槽皮帶機(jī)設(shè)計(jì)與一般通用機(jī)械設(shè)計(jì)一樣必須考慮其工作環(huán)境、使用工況等諸多因素，在總體方案設(shè)計(jì)上考慮經(jīng)濟(jì)性與可靠性的統(tǒng)一。在方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)首先進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定側(cè)型布置，將直接決定驅(qū)動裝置、拉緊裝置等部件的設(shè)計(jì)容量，對于整機(jī)的可靠性和制造成本影響巨大。

首先是驅(qū)動裝置的布置。通用帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)中遵循的一般原則為傳動裝置設(shè)置在高張力處，以提高傳動效率；張緊裝置設(shè)置在低張力處，以降低張緊裝置的初張力。參照一般固定式下運(yùn)輸送機(jī)的設(shè)計(jì)，驅(qū)動裝置應(yīng)布置在輸送機(jī)的上方，而張緊裝置應(yīng)布置在輸送機(jī)的下方。由于采煤工藝的限制，下運(yùn)順槽皮帶機(jī)驅(qū)動裝置必須布置在下方，這是下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)最為獨(dú)特之處。

其次是張緊裝置的布置。為不失一般性，假設(shè)下運(yùn)輸送機(jī)在空載和滿載兩種工況下，電動機(jī)分別處于電動運(yùn)行和回饋制動運(yùn)行狀態(tài)。關(guān)鍵是，不論電動機(jī)提供驅(qū)動性轉(zhuǎn)矩還是制動性轉(zhuǎn)矩都不能直接拖動整個系統(tǒng)，而是在滿足歐拉公式的前提下通過輸送帶與滾筒間的摩擦力實(shí)現(xiàn)拖動，拖動力矩的大小與驅(qū)動裝置的布置形式直接相關(guān)。

任意工況下，繞過驅(qū)動滾筒輸送帶緊邊張力Ft、松邊張力Fl及圓周力Fx應(yīng)滿足關(guān)系式：

(1)

由此可得：

(2)

若以整個輸送系統(tǒng)為研究對象，任意工況下，傳動滾筒傳遞的摩擦力Fx、系統(tǒng)靜態(tài)阻力W0、系統(tǒng)慣性力max在形式上的平衡，可表示為：

Fx±W0-max=0(3)

由此可得：

Fx=max±W0(4)

式中，m為系統(tǒng)的變位質(zhì)量，ax為起動或制動的加速度。將式(4)代入式(2)可得所需張緊力：

Fl=(max±W0)/(eμα-1)(5)

電動運(yùn)行工況下，F(xiàn)x為驅(qū)動滾筒提供的圓周驅(qū)動力Fu，張緊裝置位于驅(qū)動滾筒的松邊，一般，F(xiàn)l>Fx，相當(dāng)于以較小的拉緊力獲取較大的圓周力，這是合理的；回饋制動運(yùn)行工況下，F(xiàn)x為驅(qū)動滾筒提供的制動力FB，拉緊裝置在松邊制動條件下變?yōu)榫o邊，一定存在Ft>Fx，即以較大的拉緊力獲取較小的圓周制動力，由此導(dǎo)致較大的輸送帶張力，既不經(jīng)濟(jì)也會造成某些情況下張緊裝置的破壞引發(fā)事故。因此，通常情況下，對于存在電動和發(fā)電兩種運(yùn)行工況的輸送機(jī)需在驅(qū)動滾筒的兩側(cè)各設(shè)置一組張緊裝置，以滿足不同工況下的使用，而由式(5)可以看出，在輸送機(jī)起動、制動及正常運(yùn)行時(shí)，張緊力使系統(tǒng)加速度變化較大，且順槽皮帶機(jī)輸送量也經(jīng)常變化。為使輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，降低輸送帶張力，張緊裝置應(yīng)能自動調(diào)整張力，并具有快速響應(yīng)性能。在大運(yùn)量下運(yùn)輸送機(jī)中，較多地運(yùn)用了液壓或變頻自動拉緊。

2.2 下運(yùn)順槽皮帶機(jī)軟起動技術(shù)

下運(yùn)輸送機(jī)(超過一定角度)既有電動工況(典型的空載狀態(tài))，也有發(fā)電工況，如果輸送機(jī)比較長，必須使用軟起動。使用軟起動裝置是解決電動工況下的緩慢起動問題。嚴(yán)格意義上講，普通限矩型耦合器不屬于軟起動裝置，因此下運(yùn)輸送機(jī)需要配置調(diào)速型液力耦合器。而液力耦合器畢竟屬于“軟連接”，考慮到回饋制動的安全性，因此，下運(yùn)輸送機(jī)不再使用液力耦合器。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，高性能變頻器價(jià)格的不斷降低，變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)是一種很好的選擇。不過下運(yùn)輸送機(jī)重載起動時(shí)，變頻器主要利用其自尋速跟蹤功能、PWM整流功能，不再起軟起動的作用。

目前，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)的下運(yùn)輸送機(jī)普遍使用的起動控制方式為控制系統(tǒng)發(fā)出指令，緩松盤閘，輸送機(jī)在物料自重作用下加速運(yùn)行，利用變頻器自動尋找電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，待接近電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速時(shí)再投入主電機(jī)，穩(wěn)定運(yùn)行后，利用變頻器整流側(cè)PWM整流功能，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)四象限運(yùn)行。

經(jīng)過多年實(shí)踐，我們針對大傾角、大運(yùn)量的下運(yùn)輸送機(jī)，優(yōu)化改進(jìn)了下運(yùn)輸送機(jī)起動方式。新的控制方式為控制系統(tǒng)發(fā)出指令，制動器松閘，進(jìn)而檢測輸送機(jī)帶速，若帶速近似為0，變頻器按照S型曲線進(jìn)行起動；若物料較重，輸送機(jī)自轉(zhuǎn)，此時(shí)無需起動電動機(jī)，需保持松閘狀態(tài)，實(shí)時(shí)采集并監(jiān)視輸送機(jī)速度；若輸送機(jī)加速度較大，并且速度較大(有飛車傾向)，需增大制動器制動力矩，進(jìn)而減小加速度，并把速度控制在安全范圍內(nèi)，隨著速度的減小，可逐步減小制動力矩。反復(fù)此過程，物料卸至較輕時(shí)，可按照S型曲線起動電動機(jī)。

對比兩種起動方式可以看出，后一種方式避免了電動機(jī)失速運(yùn)行，更為安全。

2.3 下運(yùn)順槽皮帶機(jī)制動技術(shù)

皮帶機(jī)停機(jī)可分為因斷電導(dǎo)致的停機(jī)、緊急停機(jī)、正常停機(jī)。運(yùn)行過程中拉繩開關(guān)拉下、輸送機(jī)縱撕等緊急情況出現(xiàn)時(shí)，控制系統(tǒng)通過程序控制變頻器，按照設(shè)置的特殊停車曲線配合制動器實(shí)現(xiàn)停車，避免災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)大。正常停機(jī)時(shí)，輸送機(jī)按照正常設(shè)定的S型停車曲線實(shí)現(xiàn)停機(jī)。運(yùn)行過程中，主回路電源由于故障斷電，控制系統(tǒng)由于配置了不間斷電源仍能正常工作，但變頻器處于非工作狀態(tài)，電動機(jī)已無法產(chǎn)生制動力矩，需依靠制動器二級制動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)緩沖制動。

從控制理論的角度來說，變頻調(diào)速控制方式可分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制方式兩種，上述前兩種停機(jī)工況下的制動都是在變頻器的參與下實(shí)現(xiàn)“軟制動”，屬于閉環(huán)控制。通用變頻器的控制方式有V/f控制、轉(zhuǎn)差率控制及矢量控制三種方式，其中V/f控制為開環(huán)控制，其余兩種為閉環(huán)控制。目前，由于硬件復(fù)雜程度差別不大，矢量控制方式的變頻器基本上已經(jīng)取代轉(zhuǎn)差率控制方式的變頻器。

2.4 順槽皮帶機(jī)高效自移機(jī)尾

順槽皮帶機(jī)通過自移機(jī)尾將刮板轉(zhuǎn)載機(jī)與工作面運(yùn)輸機(jī)相接，生產(chǎn)過程中，順槽皮帶機(jī)必須隨工作面的推進(jìn)伸長或縮短，可通過膠帶卷帶裝置和儲帶裝置完成自動收放，但機(jī)身則必須在停機(jī)狀態(tài)下拆卸或增加中間部分，而且不能在一個班次內(nèi)集中完成，不能保證生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行。

針對這個問題，我們設(shè)計(jì)了一款適用于快速推進(jìn)采煤工作面的順槽皮帶機(jī)落地式伸縮移動機(jī)身。生產(chǎn)過程中，輸送機(jī)伸縮機(jī)身隨尾部轉(zhuǎn)載機(jī)或掘進(jìn)機(jī)的移動而向前移動，完成自動收縮；達(dá)到收縮極限時(shí)，輸送帶伸縮機(jī)身通過前部增設(shè)的回柱絞車進(jìn)行動作，將伸縮機(jī)伸長至展開狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自動伸長。依靠伸縮段的自動伸長、收縮即可滿足工作面快速推進(jìn)的需要。很好地滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)的需求，無需頻繁拆卸輸送機(jī)機(jī)身中間部分，順槽皮帶機(jī)落地式伸縮移動機(jī)身布置圖如圖1所示。

1—連接座 2—連接銷軸 3—開口銷 4—Ⅰ型支腿 5—特殊中間架 6—Ⅱ型中間架 7—槽型托輥 8—Ⅱ型支腿 9—Ⅰ型中間架 10—銷軸組件 11—下平托輥 12—膠帶 13—回柱絞車圖1 順槽皮帶機(jī)落地式伸縮移動機(jī)身布置圖Figure 1 Layout drawing of extensible landing type belt conveyor

連接座固定于順槽帶式輸送機(jī)機(jī)尾段。連接座通過連接銷軸和開口銷與特殊中間架相連，其后依次連接Ⅱ型中間架和Ⅰ型中間架進(jìn)行交錯布置。Ⅰ型中間架槽鋼相對于輸送機(jī)中心線背對背安裝于Ⅰ型支腿上，Ⅱ型中間架槽鋼相對于輸送機(jī)中心線面對面安裝于Ⅱ型支腿上。其中Ⅰ型中間架在外側(cè)，Ⅱ型中間架在內(nèi)側(cè)，并且在Ⅰ型中間架上開有兩個U型長槽，Ⅱ型中間架上開有兩個定位孔。長槽與定位孔之間通過銷軸進(jìn)行定位。槽型托輥與下平托輥分別均勻布置在中間架和支腿上，對輸送機(jī)膠帶起支撐作用。并在中間伸縮

段機(jī)身前部設(shè)有回柱絞車，伸縮機(jī)身完成收縮后通過回柱絞車的作用實(shí)現(xiàn)自動伸長。

工作過程中，順槽帶式輸送機(jī)機(jī)尾段隨著轉(zhuǎn)載機(jī)移動，帶動支座、特殊中間架、Ⅰ型支腿向前移動。特殊中間架通過銷軸的定位在U型槽中穩(wěn)定向前移動，移動到極限位置端部頂于Ⅱ型支腿連接板上，推動Ⅱ型支腿一起向前移動，推動通過銷軸定位在Ⅰ型中間架U型槽中的Ⅱ型中間架穩(wěn)定向前滑動，完成機(jī)身中間部分的一次收縮。如此反復(fù)進(jìn)行，完成多段距離收縮，實(shí)現(xiàn)工作面快速推進(jìn)。

根據(jù)生產(chǎn)單位實(shí)際情況，伸縮有效長度可達(dá)30～150 m，可滿足一天3個生產(chǎn)班次的連續(xù)生產(chǎn)需要。伸縮段伸縮至極限位置時(shí)對輸送機(jī)進(jìn)行檢修維護(hù)，一并拆除多段順槽帶式輸送機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中間部分。

3 結(jié)論

下運(yùn)順槽可伸縮帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)：

(1)綜合考慮各種可能的工況，進(jìn)行合理側(cè)型布置。

(2)針對不同的設(shè)備、工況設(shè)計(jì)，合理地控制策略，包括起動與制動控制。

(3)高效自移機(jī)尾技術(shù)對提高輸送機(jī)的工作效率具有重要的意義。

(4)隨著下運(yùn)順槽可伸縮帶式輸送機(jī)在生產(chǎn)中的不斷應(yīng)用，其控制理論方面的研究得到了更多的重視。