皮带输送机断带保护装置优化设计

郭朝霞

（山西省煤矿节能监测中心，太原 030045）

0 引言

随着煤矿机电一体化技术的不断提高，井下皮带输送机的需求越来越大，对皮带输送机的要求也越来越高。皮带输送机在实际工作中，由于工况较为复杂，载荷不均匀，设备会受到较大冲击，所以经常会出现一些打滑、跑偏、堆煤等故障[1-2]。如果皮带机在运行过程中发生断带故障，皮带与物料将同时堆积在皮带机的机头部分，甚至在重力作用下推倒皮带机，造成较大的经济损失[3]。所以为了保护煤矿生产工作面的安全，国内很多学者和机构研究出了皮带输送机的综合保护装置，可实现皮带机的速度保护、堆积保护、打滑保护、跑偏保护等，但是在断带保护方面缺乏有效的解决措施[4-5]。本文将对皮带输送机电设备的断带保护装置进行优化设计。

1 皮带输送机断带故障分析

综合工程中皮带机断带的实例分析，主要原因有以下4种。

（1）皮带机的设计存在缺陷。皮带机在选型设计阶段存在失误，如输送机驱动装置选择不合理，减速器减速比等参数设计出现问题。皮带机的启动、制动控制装置不完善也是造成皮带断裂的主要原因之一，皮带机在每次启动、停止时，都超过允许的加速度或者减速度，在物料重力作用下，皮带所受到的张力超过许用张力，发生断裂。

（2）皮带自身质量不过关。部分煤矿偷工减料，购买不符合标准的皮带也是导致故障发生的原因之一。

（3）输送带的硫化接头存在质量问题。硫化接头的材料过期，加工过程中的硫化温度、压力和时间不符合要求，接头的性能达不到标准硫化接头的强度要求。

（4）皮带机运行过程中操作不当。在运输过程中，因异物卷入导致的载荷突变，极易导致皮带发生断裂。由于煤矿生产任务繁重，皮带机通常情况下都是昼夜运行，皮带表面的磨损严重，内部钢丝绳的绳芯发生腐蚀，疲劳破坏等，导致皮带韧性下降，当运输过程中载荷分配不均时，极易发生断带故障[6-7]。

2 断带保护装置结构设计

皮带输送机的断带保护装置的主要功能是当皮带出现断裂或者打滑问题时，对皮带进行抓捕，防止皮带及物料在惯性作用下造成的安全事故。目前，我国的断带保护措施主要分为预防性检测和被动性抓捕[8]。本节将对被动性抓捕装置进行优化设计。

2.1 断带抓捕器结构

抓捕器是输送带断带后采用抓捕原理防止皮带下滑的装置。抓捕器属于点式抓捕装置，当输送机皮带断裂后，根据监测装置监测到的断带信号，抓捕器通过抓捕皮带边缘，产生较大的夹持力，防止输送带下滑。抓捕器作为皮带机的断带保护装置，应达到的性能要求有以下几点：（1）抓捕动作迅速，当皮带断裂后，可以第一时间完成抓捕动作，防止皮带下滑；（2）动作准确，在发生断带时，可准确定位并抓捕，在未发生断带情况时，不会误动作；（3）抓捕范围大，抓捕器作为点式抓捕装置，夹持输送带的面积小，作用在皮带上的压力较大，容易损坏皮带，发生二次事故，所以抓捕装置较大的抓捕带宽，在保护皮带的同时，也提高了抓捕的成功率。

针对抓捕器的主要性能要求，本文对抓捕器的结构进行了优化设计，其结构如图1所示。抓捕器由两个对称的抓捕机构组成，其中抓捕机构由抓捕臂、电磁铁与抓捕辊组成，两个抓捕机构的棘轮制动方向相反。阻尼板安装于皮带下方，并留有一定间隙，保证皮带机在正常运转时，不会与阻尼板发生摩擦，当皮带断裂后，在重力作用下，皮带将落于阻尼板上，这时阻尼板将起到阻尼作用，减缓皮带下滑速度，为抓捕器提高更好的抓捕条件。

抓捕器的两边的棘轮为相反方向安装，其中左侧棘轮的转向与皮带运行方向相反，右侧棘轮转向与皮带运行方向相同。皮带输送机在正常运行时，左侧抓捕臂与抓捕辊在电磁铁作用下悬置与皮带上方，抓捕器右侧的抓捕机构相对左侧要更加靠近皮带。当皮带发生断裂故障时，断带逆转，向左下方滑动，检测装置将检测到的断带信号传输回控制系统，系统发出命令，停止皮带机的驱动电机，并将抓捕器的电磁铁断电，左侧抓捕结构在重力作用下，将断带压在阻尼板上，最终，在阻尼板与抓捕辊的作用力下，断带停止下滑。这种抓捕器结构的优点是：抓捕机构作用在皮带上的面积相对较大，不会对皮带造成二次撕裂，安全系数较高。

2.2 抓捕器理论抓捕力

抓捕器产生的抓捕力大于皮带下滑时的重力分量，才可以有效保护皮带机。抓捕器为多个节点布置，在计算总的抓捕力时，需要综合考虑抓捕器组数与单个抓捕器产生的抓捕力大小，具体计算公式如下：

式中：n为皮带机的节点个数；Fi为第i个节点处，皮带断裂产生的力；N为抓捕器所需的组数；Fz为单个抓捕器产生的抓捕力；μ为每组抓捕器的有效作用带宽与皮带总带宽的比例；B为皮带的宽度；Gr为皮带的抗拉强度。

3 断带保护装置电控设计

3.1 检测装置

由于皮带输送机的断带故障具有随机性，为了使系统的检测功能更为准确，本文主要采用速度检测与断带检测两种方式来采集皮带机的运行情况。

皮带的带速检测主要通过光电编码器实现，皮带输送机在正常工作和断带故障两种情况下的速度不同，系统通过比较器产生一个差值来发出断带信号。断带信号检测装置选用GVY1.5矿用撕裂传感器，皮带在断裂后，物料会不断沉积，当传感器检测到的压力信号到达一定值后，将发送故障信号到控制器。

3.2 控制主程序

断带保护系统的主程序流程图如图2所示，系统初始化后，控制系统驱动电机，电机带动滚筒转动，皮带输送机正常运行，开始运行皮带机的状态监测子程序，对皮带机的速度信号与断带信号进行监测，当皮带机速度异常后，通过撕裂传感器检测到的压力信号进行验证。当系统检测到皮带发生断裂后，对断裂位置进行准确定位，发出命令信号，控制该位置处的抓捕器动作，防止皮带下滑，并进行报警，待工作人员进一步处理。

图2 断带保护系统主程序流程图

4 结束语

本文通过分析皮带机断带的主要原因与断带保护装置的性能要求，对抓捕器的结构进行优化设计，并对抓捕器的布置方式与布置个数进行理论计算，在监控系统上，优化了系统的检测装置，改善了系统故障监测的准确度。