带式输送机输送带纠偏装置设计分析*

邢跃斌

(山西古交西山义城煤业有限责任公司，山西 古交 030203)

0 引 言

在煤矿生产中，带式输送机的使用量逐年增大，随着物料运输量及运输频次的增加，输送皮带跑偏现象也频繁发生，一旦跑偏量超出设计限度，必将影响到井下物料运输效率及矿井安全生产。目前较为常用的带式输送机输送带防跑偏措施包括：安装带旋转架及曲线盘防跑偏装置，安装带旋转架及挡轮防跑偏装置，将输送机滚筒设计成两头小中间大的双锥形以便回程托辊的装置等。实践效果表明，以上防跑偏措施纠偏效果并不理想。近年来，无源液压与机电一体化纠偏技术在煤矿带式输送机输送带纠偏方面逐步应用，该装置结构复杂，维护成本高，对运行环境要求也较高，机电一体化纠偏装置在接收到实时监测信号后需要外加动力源。为此，必须在全面分析带式输送机输送带跑偏原因的基础上，进行无需外力源的结构简单、维护简便的输送带自动纠偏装置的设计。

笔者针对常规防跑偏措施纠偏效果及存在问题，通过对无源液压技术以及机电一体化纠偏技术在带式输送机输送带纠偏方面应用的可行性及效果进行分析总结，达到了指导煤矿生产中带式输送机防跑偏的应用效果，具有较强的现实指导意义。

1 输送带跑偏原因分析

带式输送机主要包括输送带、驱动及换向滚轮、机架、托辊、传动装置、张紧装置等部件，其中输送带是发挥牵引功能和承载运输功能的重要部件。在物料运输过程中，输送带和驱动滚轮密贴，并在摩擦力与张紧力等的综合作用下携带物料沿槽型机架托辊轨道直线运动，从而形成一个闭合循环系统。根据作用原理分析，造成带式输送机输送带跑偏的原因主要包括以下两个方面。

1.1 安装方面

带式输送机安装过程中若换向滚筒和驱动滚筒运行路线中心线未保持垂直，则输送带运行时必将存在初始偏角，进而导致其运行轨迹与机架托辊轨道发生偏离。同理，在托辊安装过程中，如未与输送带保持垂直关系，则也会引发输送带运动过程中的跑偏现象。此外，托辊、滚筒及输送带等部件在生产过程中可能存在参数设计、材料、质量等方面的误差，如滚筒外壳圆筒形状不规则，托辊大小不均匀，钢材强度等级及塑性、韧性不合要求等，也必然造成输送带运行跑偏。

结合笔者多年煤矿工作经验，当带式输送机输送皮带两侧承托高度不一致，则输送带必将向较高侧发生偏斜；当输送带两侧实际张紧力存在差异时，输送带必然会斜向张紧力较大的一侧；若托辊和物料输送轨道轴线不是垂直关系，一头在前另一头在后，则输送带必然会朝向后端偏斜[1]。

1.2 运行方面

带式输送机在运输过程中若输送皮带上物料分布不均，会影响输送带受力的均衡性，很容易引发皮带跑偏；此外，带式输送机在长期运行过程中若缺乏定期检修，未定期清理托辊、滚筒等部件外壳的变形、粘料，也会影响输送皮带两侧受力的均衡性，造成皮带跑偏，物料落点偏离中心。具体见图1，其中F为托辊对输送带施加的阻力，其可分解为两个分力：Ft分力与托辊轴心线垂直，并与托辊旋转力形成一对作用力和反作用力；Fa分力则指向带式输送机中心线，确保输送皮带不与中心线脱离[2]。

图1 物料落点偏离输送带中心跑偏受力情况

2 自动纠偏装置设计

2.1 基本结构

在深入分析带式输送机输送皮带跑偏原因的基础上，针对常见的跑偏原因及工况提出一种新型自动纠偏装置设计思路。见图2所示，该纠偏装置结构简单，属于空间组合结构，无需另外配备外部动力源便能起到对输送皮带实时、高效、自动纠偏的作用。

图2 自动纠偏装置设计简图1.检测轮 2.万向联轴器 3.滚珠丝杠 4.滚珠丝杠螺母 5.底座轴承 6.连杆机构 7.带式输送机机架 8.纠偏托辊 9.纠偏托辊支架

按照设计，该输送带自动纠偏装置主要由左纠偏托辊和右纠偏托辊两个相对独立的单元组成，并分别发挥纠偏作用。纠偏托辊按照分段结构设计，中间托辊相对独立，使整个纠偏装置灵活性显著提升；输送皮带旋转动力则主要由万向联轴器与滚珠丝杠转化为直线运动，进而通过连杆进一步转化为托辊支架旋转运动，并最终达到输送皮带纠偏的目的。

2.2 运行原理

输送带纠偏装置中，跑偏量检测的快速与准确直接关系到纠偏控制的及时性与准确性，此次设计正是通过纠偏装置的科学设计，及时快速检测输送带跑偏量及跑偏速率，为纠偏装置设计计算提供基础数据。在煤矿带式输送机正常运行的过程中，输送带必须位于纠偏托辊中心前进运行，在托辊组摩擦力矩等原因的综合作用下托辊支架不偏转，纠偏装置待工作。而当输送带发生偏斜并与所在侧面检测轮接触后触发检测轮发生旋转，进而通过万向联轴器带动滚珠丝杠随之运动，连杆便会推动所在侧面托辊机架围绕固定于底座的轴承发生轴向旋转，所在侧面纠偏托辊同时也会围绕输送皮带运行向运行，且垂直于输送带运行向的分力整好与输送带跑偏方向相反，使输送带朝跑偏反向运动并回到初始位置[3]，以达到自动纠偏目的。

3 纠偏过程及结果仿真分析

采用Pro/E三维软件构建纠偏装置中左侧纠偏托辊的机构模型，并应用Pro/Mechanica仿真模块进行该纠偏装置运动学仿真分析。滚珠丝杠设定为槽连接形式，并与纠偏托辊机架副处、连杆转动副处及检测轮转动副处相连。在此基础上进入仿真模块，创建伺服电动机并将运动类型设定为旋转形式，选定检测轮旋转轴，以速度为基本参数。构建运动学分析程序Analysis Definition，并设定帧频和基本仿真参数，在现状初始配置下自动生成测量分析结果，确定好测量参数和测量点后自动生成以时间为横坐标，分别以速度、位移、加速度为纵坐标的曲线图。

经过动力学程序运行并自动分析后，得出纠偏托辊机架转速与检测轮转速曲线图以及托辊旋转支架与连接杆铰接点加速度、速度、位移曲线图，见图3～5。考虑到纠偏托辊机架转速、检测轮转速与系统所设定的速度方向相反，所以曲线图中纵坐标转速均为负值，见图6、图7。

图3 托辊旋转支架连杆铰接点加速度

图4 托辊旋转支架连杆铰接点速度

图5 托辊旋转支架连杆铰接点位移

图6 纠偏托辊架转速曲线

图7 检测轮转速曲线

图3中托辊旋转支架与连杆铰接点加速度随着观测时间的推移而围绕0.65 m/s2上下波动；图4中托辊旋转支架与连杆铰接点速度随观测时间的推移围绕1.25 m/s上下波动；图5中托辊旋转支架与连杆铰接点位移随观测时间的推移，从382 m增大逐渐增大至425 m；图6中纠偏托辊架转速曲线随观测时间的延长，上下波动方式增大，从最初-0.24～-0.20 m/s波动增大至-0.12～-0.16 m/s；图7中检测轮转速曲线随观测时间的延长而稳定在-89.9 m/s。

为验证输送带纠偏装置可行性及运行效果，将该装置在实际生产现场进行了应用，输送带跑偏量监测及反馈信号通过采集系统收集并对比。根据图3～7中对各类监测信号的比较分析看出，当输送带跑偏时，该纠偏装置能及时调整托辊角度，从而快速实时消除皮带跑偏。

4 结 语

综上所述，所设计的带式输送机输送带自动纠偏装置随检测轮的旋转运动，滚珠丝杠会在联轴器的带动下转动，通过连杆机构及纠偏托辊机架的旋转达到输送皮带纠偏的目的。将设计的输送带纠偏装置简化为曲柄滑块机构，则必须以滚珠丝杠滑块为原动件，联轴器的应用引起原动件初始速度的改变，进而引发托辊机架转动速度的变动，便于纠偏托辊机架旋转时间的缩短和纠偏速度的提升。总之，所设计的输送带自动纠偏装置结构简单，无需另行设置外加动力源，纠偏过程可自动实时进行，纠偏效果良好。