鞠亚航，赵抗利，王木祥
(晋城市金菲机电有限公司，山西 晋城 048006)
摘要：通过对倾斜运输带式输送机输送带在不同工况下的动张力和动力传递过程的分析计算，得出断带的形成机理和成因。结合具体的矿井运输条件，提出断带保护装置的设计依据；通过断带监测、断带抓捕装置的合理布置和有效抓捕，实现对倾斜运输胶带输送机的断带保护。
关键词：带式输送机；断带保护；设计
带式输送机是一种以摩擦驱动的连续方式运输物料的机械，主要由机架、输送带、托辊、滚筒、张紧装置和传动装置等组成。它是在一定的输送线上，将物料从最初的供料点输送到最终的卸料点所形成的一种物料输送流程。因其具有输送能力大、可实现倾斜运输、使用维护方便等特点而被广泛应用。尤其在煤矿生产中的应用更为广泛，目前在矿井煤炭运输工作中，除工作面必须采用刮板输送机与综采设备配套外，从采区工作面顺槽到井底车场的煤炭运输方式，均朝着高效连续带式输送机运输方向发展。胶带输送机的断带事故往往发生在巷道倾角大、运输距离长、运量大的主斜井运输巷道，一旦发生带式输送机断带事故，输送机上近千米的煤炭运量就会沿倾斜运输线路加速下滑，造成严重的洒煤、堆煤、设备损失，甚至人员伤亡及矿井停产，给煤矿安全生产带来诸多不良影响。
通过分析大量的断带事故可知，带式输送机断带原因基本包含以下几种：
(1) 输送带接头问题。输送带接头一般分为机械接头和硫化接头。机械接头一般用于运距不长、服务时间短、需经常拆移的工作环节。硫化接头主要用于长距离、大倾角、大运量胶带运输机，要求接头强度高。就硫化接头而言，有严格的生产工艺和技术要求，在井下施工中若不能达到有关硫化的工艺技术标准，如接头的剥离尺寸、粘接材料的质量，以及硫化工艺中的温度、压力、保持时间等，均会造成接头强度的降低或者易疲劳断裂等。
(2) 输送带质量不达标，使用时间长，使输送带长期处于交变载荷或超负荷运行状态，再加上日常维护保养跟不上，也会造成断带事故。
(3) 由于某些原因造成的满载启动和停车使胶带张力过大或运输中的突然卡带。如大块矸石或其他质量特别大的物体突然混在正在运输的煤中，将引起运输载荷突然增加。
(4) 运输物料不均匀，造成空载和超载现象，受力不均致使输送带严重跑偏。
基于上述原因，本文设计了带式输送机断带保护装置。
带式输送机断带保护装置总体技术路线示意图如图1所示。首先，建立输送带动力学模型，根据建立的输送带动力学模型建立皮带运输系统发生断带后的运动分析及断带抓捕过程力学分析数学模型，得出断带的形成机理和成因，提出断带保护装置的断带监测、断带抓捕制动装置设计依据；开发满足断带抓捕响应速度要求的断带信号监测传感技术和设备，实现断带信号的实时、可靠检测；基于上述研究结果，通过详细论证，开发一种集机电液于一体的断带保护装置。
2.1 输送带动力学模型及动力学分析
当带式输送机输送带由于某种原因发生断裂，由于胶带特有的动力学特性，会引起输送带和所承受的物料在张力与重力作用下的回弹和下滑，造成严重事故。为实现对断裂输送带进行有效抓捕，防止断带后事故的进一步扩大，首先应对输送带的特性和断带后的行为进行研究。输送带是由纵向承载芯与橡胶覆盖层粘合而成的复合材料板，其纵向的力学特性表现出明显的黏弹性，由于皮带断裂前承受巨大的张力(一般是输送带正常运转时张力最大值的几倍，这也是输送带断裂的原因之一)，因此断带发生后，输送带并不是简单的重力下滑过程，必然还伴随着急速的回弹等情况，尤其是断口处，回弹现象十分明显。要设计断带抓捕器对其进行捕捉，首先必须对输送带的动力学特性进行研究，从而才能对断裂的输送带的运动情况进行准确分析，为断带捕捉器的设计提供依据。
图1 带式输送机断带保护装置总体技术路线示意图
2.2 倾斜运输胶带动张力分布及断带抓捕装置的力学设计
在倾斜运输过程中，输送带在不同工作位置所受的动张力不同，加上输送带本身具有黏弹性，使得输送带在运行过程中发生断带的位置机率不同，因此必须通过对输送带动张力分布特性的研究，提出断带抓捕装置的合理分布及抓捕制动力的设计依据。
要设计断带抓捕器实施可靠的抓捕，将断带事故造成的损失降到最小，面临着许多实际的问题，比如，抓捕器布置的位置、数量；抓捕器需具备的抓捕力大小等。要解决这些问题，需要对输送带的断带过程进行详细地分析，以指导抓捕器的设计与布置。
断带抓捕过程中抓捕器对输送带进行夹持，靠摩擦力制动。制动力的大小与输送带及物料的质量及下滑的速度等有关，通过对上运和下运带式输送机断带抓捕受力分析建立数学模型，为断带抓捕机构的设计提供重要支持。
2.3 胶带运行状态及断带感知技术研究
应用传感装置实时检测输送带的运行数据，并对采集到的数据进行特征分析。将分析后的结果与设定的正常状态和断带状态特征进行比对，若与断带特征相符则判定为断带事故发生。
2.4 集机电液一体化技术的断带保护装置研制
该带式输送机断带保护装置主要由抓捕系统、控制系统、感知系统、加压系统和液压系统等构成。
断带保护装置示意图如图2所示，其主要包括支撑杆、机架、上带上压机构、油缸、上带下压机构、下带楔子和下斜面几部分。输送机正常工作的情况下，断带保护装置各机构在图2实线所示位置。发生断带后油缸驱动上带上压机构、上带下压机构各旋转90°，达到图2所示虚线位置，将下滑的皮带夹住。
断带保护装置的工作原理如下：由感知系统对胶带的运行状态进行实时监测，并将数据实时传输到控制系统，控制系统内的PLC不断地进行数据分析并反馈给液压系统；一旦处理结果和断带数据耦合，控制系统立即向液压系统发出启动指令，抓捕系统随之启动，与胶带上下表面形成强大摩擦力，并牢牢抓住下滑的胶带，以此完成整个保护动作。
1-支撑杆；2-机架；3-上带上压机构；4-油缸；
5-上带下压机构；6-下带楔子；7-下斜面
图2 断带保护装置示意图
(1) 实现了基于多信号融合技术的断带信号实时在线监测，确保抓捕可靠。
(2) 控制方式采用自动、集中手动、本地手动控制模式，抓捕动作时间小于3 s。
(3) 满足了胶带力学性能要求，不会造成胶带撕裂的全横断面抓捕，抓捕制动力达到500 kN。
(4) 抓捕装置结构合理，便于现场安装使用和维护，满足井下空间尺寸要求。
(5) 装置在安装时不会对原有皮带系统造成损伤。
(6) 皮带系统在不同工况下运行(如验带、检修等)，设备均不会出现误动作。
(7) 断带情况下在抓捕器动作的同时，该装置报警并向皮带主电机控制系统发出断电信号。
本文提出的带式输送机断带保护装置采用整体式抓捕模式，为了实现可靠抓捕，将该装置同时布置在机头胶带张力最大的位置和输送机中部位置，一旦断带，立即报警停机，机头位置和中部位置同时进行抓捕，确保抓捕牢靠，防止事故恶化。目前，该装置在晋煤集团长平矿主斜井使用，使用效果良好，从未产生误动作，并且该装置为可拆装式，便于井下运输与安装，能够适应井下空间不足的特殊条件。
参考文献：
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[4]吕明春.带式输送机断带整体式制动装置的研发与设计.能源技术与管理,2013(5):98-99.
文章编号：1672-6413(2016)04-0095-02
收稿日期：2015-09-25；
修订日期：2016-04-23
作者简介：鞠亚航(1988-)，男，江苏沛县人，助理工程师，本科，主要从事煤矿机械与煤层气机械设计工作。
中图分类号：TH222
文献标识码：A
JU Ya-hang, ZHAO Kang-li, WANG Mu-xiang
(Jincheng Jinfei Electromechanical Co., Ltd., Jincheng 048006, China)
Abstract： Based on the and calculation of dynamic tension and the analysis of power trasmission mechanism of tilt belt conveyor under different conditions, the causes of the belt-broken fault are obtained. Combined with the specific conditions of the mine transportation, the design basis of belt-broken protection device is put forward. By use of belt-broken protection device and belt monitoring, the belt-broken prtection is realized.
Key words： belt conveyor; belt-broken protection; design
*2014年度山西省煤基重点科技攻关项目(MJ2014-09)
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