钢丝绳牵引带式输送机系统的升级改造

岳彦博

摘 要 钢丝绳牵引带式输送机具有运行阻力小、运行平稳、可以实现人机两运等优点，在煤矿运输中应用广泛。但运行过程中也暴露出很多问题，如果强制淘汰将其更新为强力带式输送机，施工時间长，资金投入大。但如果能对现有的钢丝绳牵引带式输送机进行针对性的升级改造是最可行的方案。本文以某矿井的钢丝绳牵引带式输送机运输系统为例，对驱动绳轮运用三维仿真技术进行了优化设计，对制动系统及其配套电控系统进行了升级改造，提高部件的寿命和系统的安全可靠性。

关键词 钢丝绳牵引带式输送机；驱动绳轮；自冷盘式制动装置；电控系统

中图分类号 TD52 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）12-0092-02

某矿井设计生产能力0.9Mt/a，主暗斜井安装一部B=1 000mm钢丝绳牵引胶带输送机，倾角17.5°，主要担负原煤、矸石、人员运输等任务，输送机主要由驱动装置、导绳轮、卸载装置、分绳装置、输送带、牵引钢丝绳、装载装置、支承装置、拉紧装置等部件组成。其工作原理为：两根无极钢丝绳分别绕过驱动滚筒和输送机尾部的拉紧轮，输送带以其两侧上下沿输送带全长都有的特制双面耳槽，搭在两根钢丝绳上，之后随之一系列动作，给料机将物料通过输送带进行运送，最后通过卸载装置卸下。该系统使用过程中暴露出以下问题。1）驱动绳轮的使用寿命较短，维修费用高，要保证它的安全运转，需要投人较多的资金。2）只在高速轴处安装了推杆制动器，只能实现停机后的定车功能，不能实现工作制动，制动时对设备的机械部分造成较大冲击。

针对以上问题，本文运用等应力理论，对驱动绳轮运用有限元分析方法进行优化设计，以达到使各个截面的最大应力均在接近许用应力的范围内使用，使得工程机械材料合理利用，同时实现了结构的轻量化设计；同时对制动系统进行了改进，采用了自冷盘式制动装置，通过配套液压系统和电控系统形成一套机电液一体化的自动制动系统，大大提高了制动可靠性和安全性。

1 驱动绳轮的结构分析和优化

本系统使用摩擦式驱动绳轮，轮径D=3 500mm，衬垫沿轮圈圆周拼装。为了在井下方便运输，将驱动绳轮分成两瓣制作，由绞制孔螺栓将两瓣轮体连接。使用ANSYS Workbench14.5软件对其进行有限元分析。

1.1 模型的前处理

驱动绳轮为Q235钢板焊接而成的焊接件，在ANSYS Workbench14.5中设置材料特性如下，其屈服强度，弹性模量，抗拉强度，泊松比。

本文先在Solidworks2015软件中建模，然后将模型导入ANSYS Workbench14.5软件中，从Solidworks2015软件导入ANSYS Workbench14.5软件之后，采用自动划分网格的方法划分的有限元模型。

设置合适的接触对是对装配体进行有限元分析的关键。ANSYS Workbench中的接触对有Bonded（绑定），No Separation（不分离），Frictionless（无摩擦），Rough（粗糙）和Frictional（有摩擦）五种形式。Bonded，即绑定约束，可将接触区域看作被连接在一起，不允许面或线间有相对滑动或分离。除此以外，No Separation为不分离约束，Frictionless为无摩擦约束，Rough为粗糙约束，表现为完全的摩擦接触，Frictional为有摩擦约束。驱动绳轮为Q235钢板焊接而成的焊接件，所以，使用Bonded（绑定）接触形式，用来模拟在焊接未失效之前，两焊接表面之间没有相对滑动或分离的接触关系。

对驱动绳轮与主轴接触的面施加固定约束，对驱动绳轮与钢丝绳接触的面施加压力，对驱动绳轮施加驱动转矩。

1.2 结果后处理

驱动绳轮的最大变形为0.259 6mm，位置在驱动绳轮与钢丝绳接触的中间位置附近，驱动绳轮在钢丝绳围包的驱动力作用下，产生向直径方向上的挤压变形，圆周上的焊接槽钢也在向心的拉力作用下产生变形，变形从钢丝绳包围的边缘向中心累加，在中间位置处达到最大，在0.25mm左右。

图1所示上下图为从不同方向上看去得到的驱动绳轮的等效应力云图，可以看到，驱动绳轮的最大等效应力值为58.74MPa，位置在驱动绳轮与钢丝绳接触的中间位置附近。圆周上焊接的槽钢的等效应力大部分在13MPa～58MPa之间，材料得到了充分的利用，符合等应力理论设计的原则。

2 自冷盘式制动装置的应用

低速轴制动器采用制动力矩可调的低速轴自冷盘式可控制动装置，以满足输送机正常停车、紧急停车和定车作用。制动器须具备以下技术特点：1）使输送机停车减速度保持在0.05m/s2～0.3m/s2范围内；2）最大制动力矩整定方便；3）控制或拖动系统突然断电或保护停车指令发出时能可靠制动直至平稳停车；4）每小时制动达10次，制动盘表面温度小于150℃；5）打滑检测、超速和保护功能较为完善和先进；6）液压系统的工作可靠性比较高，且便于调试和、安装方便；7）与电控装置配合，可以可控重载起动。

2.1 自冷盘式制动装置的机械结构

自冷盘式可控制动装置主要由制动盘，液压制动器（含活塞、闸瓦、弹簧等），底座，液压站等组成，其制动力由闸瓦与制动盘之间的摩擦产生的。由此可知，当调节闸瓦对制动盘的正压力时，其制动力也会随之改变。而制动器正压力的大小与油压P与弹簧的作用结果相关，当机电设备正常工作时油压P达最大值，正压力N为0，且闸瓦与制动盘间留有1mm～1.5mm的间隙，此时制动器处于松闸状态。当机电设备需要制动时，根据工况和指令情况，电液控制系统将按预定的程序自动减小油压以达到制动要求。

2.2 制动器的液压站

液压控制系统采用双回路工作方式，双路控制系统完全对称，一套工作一套备用。主要包括电动机、液压泵、溢流阀、安全阀、电液比例阀、滤油器等组成。当钢缆机系统起动时，直流驱动电机首先起动，当直流主电机电流达到憋闸电流时，电机已经带载，此时开制动器，钢缆及不会下滑，制动器电控收到起动指令后，首先起动泵电机，如果系统选择的是1号系统工作，2号系统待机状态，则1号电磁阀送电，开始升压，当电液比例阀的给定信号越来越大系统压力逐渐升至额定压力，系统制动器打开，直流主电机开支逐渐提高带速，直至最终起动完成；系统正常停车时：当主电机速度降到0.2m/s时，停泵电机，1号电磁阀断电，比例阀控制信号清零，制动装置快速抱闸。

2.3 制动器自动控制系统

制动器电控系统主要由电源、可编程序控制器（PLC）、输入输出接口电路和比例驱动板组成。PLC是整个制动系统动作的控制核心，主要功能是接收钢缆机集控系统发来的开机和停机指令，控制系统按照合理的减速度进行制动，并具备自身的故障诊断功能。比例驱动板是信号放大机构，它将PLC输出的0～5V电信号变换成0～500mA的驱动电流信号，来控制电液比例阀动作。

4 结论和展望

经过设计优化和改造后，系统运行一年有余，据现场反应，驱动绳轮的故障率和维修率大大降低，设备无故障运行时间大大延长，由于采用了可控制动系统，制动减速度可控，不但减少了停机时的制动冲击，还提高了乘人的舒适性。在后来该矿的另外几条钢丝绳牵引带式输送机的改造中，均采用了此方案，取得了较大的经济效益，建议以后继续对托绳轮等大量使用的关键部件进行研究，提高其使用寿命。

参考文献

[1]黄蕾，孟文俊，易佑名，等.钢丝绳牵引热料带式输送机[J].起重运输机械，2016（9）：76-78.

[2]张行，李伟，武倩平，等.新型带式输送机巡检机构系统设计[J].制造业自动化，2015（6）：79-82.

[3]王程，刘诗雨，陈潇.大型带式输送机自动巡检系统的设计[J].中国机械，2013（7）：213-214.

[4]李均生.一种主斜井带式输送机电控系统的改造技术方案浅析[J].科学咨询：科技·管理，2015（21）：42-43.

[5]杨守华.带式输送机集中控制系统改造研究[J].科技风，2017（6）：28.

[6]谷明霞，包继华，李春燕，等.带式输送机用盘式制动装置液压系统的改进[J].煤矿机械，2015，36（11）：199-200.