煤礦井下帶式輸送機(jī)糾偏裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 樂

（晉煤集團(tuán)晟泰公司機(jī)電安裝分公司， 山西 晉城 048000）

引言

帶式輸送機(jī)是一種大型功能復(fù)雜的多設(shè)備系統(tǒng)，是煤礦井下生產(chǎn)過程中不可或缺的物料運(yùn)輸設(shè)備[1]。帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)輸過程中，工作環(huán)境惡劣復(fù)雜，常常出現(xiàn)膠帶偏離縱向中心線即跑偏的問題[2]，從而引起物料的傾灑，甚至膠帶邊沿的磨損，降低輸送帶的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會造成輸送帶斷裂、燒損甚至引發(fā)火災(zāi)，導(dǎo)致煤炭運(yùn)輸線停運(yùn)，影響安全生產(chǎn)，嚴(yán)重阻礙著帶式輸送機(jī)的發(fā)展[3]，因此，本文設(shè)計(jì)一種光電式的有源糾偏裝置以解決上述問題。

1 帶式輸送機(jī)跑偏原因

煤礦井下帶式輸送機(jī)跑偏的原因較多[4-6]，分析其原因主要有以下三個方面：

1.1 輸送機(jī)膠帶張緊力不足

輸送機(jī)膠帶松弛張緊力不足時(shí)，會引起膠帶所受拉力不均勻，這時(shí)容易導(dǎo)致膠帶跑偏。而導(dǎo)致輸送機(jī)膠帶松弛也主要有兩個方面的因素，一是膠帶初始安裝后，張緊力正常，由于膠帶一般承受的載荷量較大，在長時(shí)間的高負(fù)荷運(yùn)行之后，膠帶容易發(fā)生變形，甚至造成膠帶邊緣嚴(yán)重磨損，從而導(dǎo)致膠帶張緊力較低，不能滿足膠帶正常運(yùn)輸時(shí)所需的張緊力要求；二是載荷較大的問題，當(dāng)輸送機(jī)沒有載荷或者載荷較小時(shí)，膠帶不會發(fā)生跑偏，但是當(dāng)載荷逐漸加大一定量的時(shí)候，此時(shí)張緊力也會出現(xiàn)降低，膠帶發(fā)生跑偏。

1.2 機(jī)械安裝相對位置不合理

帶式輸送機(jī)的安裝對各部位結(jié)構(gòu)的相對位置是有一定要求的，一旦位置安裝不合理，膠帶容易出現(xiàn)跑偏。例如：在進(jìn)行前后滾筒安裝過程中，如果前后的滾筒中心線偏差大或者與膠帶的中心線不垂直時(shí)，帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中，都會產(chǎn)生橫向的拉力，從而導(dǎo)致膠帶始終偏向一側(cè)，隨著幅度不斷增加，最終導(dǎo)致膠帶跑偏。還有當(dāng)托輥軸線和膠帶的中心線安裝不垂直時(shí)，也會在高速運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生一個橫向力，最終導(dǎo)致偏移。

1.3 卸料點(diǎn)位置偏移

膠帶接收物料的位置是一個槽型，并且都是從轉(zhuǎn)載機(jī)處進(jìn)行接收，如果卸料點(diǎn)在進(jìn)行物料卸載時(shí)總是偏向于一側(cè)相同的方向，這樣長時(shí)間運(yùn)行后，受料多的一側(cè)側(cè)輥受力較大引起一定程度的傾斜，此時(shí)物料作用于膠帶上的力產(chǎn)生一個橫向的作用力，從而導(dǎo)致膠帶向一側(cè)移動，積累到一定的程度后，膠帶發(fā)生跑偏。

2 輸送帶糾偏裝置的設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

輸送帶的糾偏根據(jù)有無外力的輸入可以分為無源糾偏和有源糾偏。其中無源糾偏利用的是輸送帶跑偏后自身產(chǎn)生的阻力，使得托輥支架反向偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)輸送帶的自動糾偏。而有源糾偏又有機(jī)械傳動式、液壓式、氣動式和光電式等幾種自動糾偏裝置。其中機(jī)械傳動式糾偏裝置的穩(wěn)定性不足，糾偏效果也較差，但是成本較低，在小型帶式輸送機(jī)上應(yīng)用比較多；液壓式自動糾偏裝置穩(wěn)定性較好，糾偏效果也較好，并且反應(yīng)靈敏，但是液壓傳動裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間也大，成本相對較高，同時(shí)容易對輸送帶的邊沿造成損傷，零部件易出現(xiàn)故障；氣動式自動糾偏裝置采用氣動的方式進(jìn)行控制，糾偏效果明顯，并且自動化的程度較高，對輸送帶的損傷較小，但是安裝和后期維護(hù)較為麻煩和復(fù)雜，成本很高，適用于高瓦斯的場所；光電式自動糾偏裝置能夠?qū)崿F(xiàn)檢測和糾偏一體化，糾偏速度較快，同時(shí)對輸送帶的損傷小，但是對環(huán)境較為敏感，適應(yīng)性較差，在大中型帶式輸送機(jī)上應(yīng)用較多。

本文采用光電式的有源糾偏裝置，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。首先跑偏量檢測裝置監(jiān)測輸送帶橫向位置的數(shù)據(jù)信息，并傳遞給控制器，控制器按照特定算法對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算和分析，并根據(jù)計(jì)算出的控制量驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度、方向和角度，從而驅(qū)動蝸桿、渦輪運(yùn)動，最終帶動與渦輪連接在一起的托輥支架繞旋轉(zhuǎn)中心一起偏轉(zhuǎn)，小角度改變托輥軸線，實(shí)現(xiàn)輸送帶的自動糾偏。

圖1 糾偏裝置機(jī)構(gòu)原理

2.2 跑偏檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

跑偏檢測是輸送帶糾偏的基礎(chǔ)，目前在煤礦中應(yīng)用較多并且效果較好的檢測方法是接觸式的跑偏檢測法，在輸送膠帶容易跑偏的兩端旁邊分別安裝一個跑偏傳感器，如圖2所示。該傳感器為立棍式，工作電壓為DC 18 V，工作電流為20 mA，包括萬向活動桿、接線板和出現(xiàn)嘴。該傳感器根據(jù)輸送帶的傾斜角度分為了兩級響應(yīng)，輸送膠帶跑偏以后，其中一個傳感器會有一定角度的偏轉(zhuǎn)，當(dāng)這個角度較小為一級跑偏時(shí)，控制器接收信號后只發(fā)出聲光報(bào)警，不做停機(jī)處理，由工作人員對膠帶進(jìn)行人工調(diào)整；當(dāng)膠帶跑偏嚴(yán)重后，傳感器的偏轉(zhuǎn)角度較大，達(dá)到二級響應(yīng)，控制器接收信號后既發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)也發(fā)出電機(jī)停機(jī)指令。

2.3 控制器方案的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)糾偏的核心，對系統(tǒng)輸出和控制要求具有較高的穩(wěn)定性，因此選用模糊比例積分控制器，該控制器綜合了模糊控制器和比例積分控制器的優(yōu)點(diǎn)，與常規(guī)比例積分微分控制器相比，在對復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制效果上控制效果更優(yōu)。該糾偏裝置控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，控制系統(tǒng)具體方案如下：

1）當(dāng)傳感器檢測到的輸送帶的位移量小于95 cm時(shí)，跑偏較小時(shí)，為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時(shí)切斷模糊控制器，僅僅使用比例積分控制器，并將其輸出量直接作為電機(jī)控制器的唯一輸入量。

圖2 跑偏檢測傳感器示意圖

2）當(dāng)傳感器檢測到的輸送帶的位移量大于95cm，跑偏較大時(shí)，為了降低各種隨機(jī)因素對系統(tǒng)的影響，模糊和比例積分控制器都同時(shí)起作用，兩者共同的輸出量同時(shí)傳輸給電機(jī)控制器。

圖3 糾偏裝置控制系統(tǒng)框圖

3 應(yīng)用效果及建議

輸送帶跑偏在現(xiàn)場比較常見，通過采取糾偏措施解決。該糾偏裝置通過在現(xiàn)場應(yīng)用，有一定的效果。對于帶式輸送機(jī)糾偏裝置方面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高：

1）對于帶式輸送機(jī)的零部件，要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，并且在加工和安裝過程中實(shí)現(xiàn)精密化，從根本上解決輸送帶跑偏的問題。

2）提升輸送帶糾偏裝置的智能化，輸送帶糾偏裝置需要結(jié)合計(jì)算機(jī)檢測和機(jī)電一體化等技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測輸送帶跑偏情況，并能及時(shí)反饋調(diào)整，形成一個完整的反饋系統(tǒng)。

3）提高輸送帶糾偏裝置的適應(yīng)性，由于帶式輸送機(jī)的工況條件惡劣，尤其是在煤礦井下應(yīng)用時(shí)，工況更加復(fù)雜，糾偏裝置需要保證足夠的精度，因此需要盡可能提高糾偏裝置的適應(yīng)能力。