带式输送机柔性断带抓捕装置的设计

杨广东

（山西焦煤西山煤电集团公司西曲矿掘进三队， 山西 太原 030200）

引言

输送带在长久工作时受其输送带本身质量差、连接处强度不足、启动、停止时瞬间的张力过大，长期受变载荷影响等因素影响极易发生断裂[1]。在大倾角的输送机系统中，一旦发生断带，输送带上的散料及输送带本身将在自身重力的作用下沿输送机机架下滑，如果不能及时对下滑的输送带进行制动，输送带及物料将会堆积在巷道底部，造成长时间的停产。因此，本文研究一种柔性断带抓捕装置，以在最佳的时间点对下滑的输送带进行制动。

1 输送带数学模型的建立

带式输送机的数学模型建立应本着简单、准确、适用的原则，由输送带的组成可知，输送带为一个巨大的黏弹性体，其主要表现在输送带在外来力量的作用下，其内部的应力和应变具有非线性的关系，且应力和应变的关系呈现一种滞后性。

在对输送带的基本特性进行分析后，本着简单、实用的原则我们选择将输送带的数学模型通过一个黏性元件和一个弹性元件组成的数学模型来模拟输送带所具有的黏弹性特性[2-3]，目前常用的表述黏弹性的数学模型主要包括Maxwell模型和Vogit模型，因为Vogit模型比Maxwell模型能够表现出更高的黏弹性特性，因此我们以Vogit模型作为选定的数学模型来建立输送带的数学模型[4]。

Vogit模型是由一个弹性的元件（弹簧）和一个黏性元件（阻尼器）构成，其结构如图1所示。

图1 Vogit黏弹性的数学模型结构示意图

Vogit模型的黏弹性数学转换公式可表示为：

式中：σ为输送带的所受的应力；E为弹性模量；ε为输送带在应力作用下的应变量；η为阻尼系数为输送带在应力作用下发生应变的速度。

对输送带施加恒应力σ=σ0H（t）可得出其在应力[5]作用下的响应值：

故其变形的柔量可表示为：

在数学模型上对其施加一个应变ε=ε0H（t）时，其在应变作用下的响应值σ（t）可表示为[6]：

其松弛模数可表示为：

2 断带抓捕装置整体结构设计

新型柔性断带抓捕装置应具有结构简单、动作迅速可靠、断带监测信息准确、抓捕安全、可靠等特点，基于以上要求，新型抓捕装置执行机构如下页图2所示，其主要由机械骨架、执行油缸及楔形块组成，在工作时，断带抓捕装置的信号监测系统对输送带的运行情况进行实时监测，当发生断带事故后，信号监测系统发出抓捕信号给断带抓捕装置的液压控制系统，由液压控制系统控制执行机构上的执行油缸执行抓捕动作，为了确保抓捕后的安全制动，该断带抓捕装置的执行机构采用了12°自锁结构，能够确保对输送带的可靠锁紧。

3 断带抓捕机构信号监测系统设计

断带抓捕机构能否执行抓捕动作完全依赖于信号监测装置对输送带运行状态的监测，因此信号监测装置的可靠性直接关系到输送机的抓捕机构能否正常工作，如果信号监测装置在输送机正常工作时发出了误动作的信号，则将直接造成安全运行事故，轻者造成机架被拉跨，重者则造成较大的人员伤亡事故，带来极具恶劣的影响，因此为确保信号监测装置对输送机运行状态判断的可靠性，我们选择了以PLC控制结构和编码器装置为核心的信号监测装置。

图2 断带抓捕结构示意图

如图3所示，在输送带系统上分布着5个编码器装置，1号编码器位于输送机的主滚筒上，用于监测输送带的正常运行速度，当断带事故发生在2号和3号位置之间时，2号编码器监测的输送带的运行速度增大，方向不变，3号编码器监测到的输送带的运行速度逐渐减小，方向先不变后相反，4、5位置的编码器监测到的输送带的运行速度逐渐增大，速度方向保持不变，这样利用各编码器监测到的速度情况与1号编码器内的速度情况进行对比，即可判断输送机系统是否发生了断带事故。

当断带发生在其他位置时可利用相同的原理，通过速度差值对比的方法来判断输送带的运行状态，这种新的差值判断法比之前常用的电流突变检测法、张紧力突变检测法、小车位置检测法等方案具有更高的可靠性，因为在输送机正常工作的过程中会经常受到一些外界因素，如载荷突变、紧急制动等的影响，传统的监测方案极易出现误报警的情况，而利用编码器组速度差值检测的方案则能完美的解决以上问题，实现对输送机运行情况的准确判断，避免断带抓捕装置的误动作。

图3 输送机运行状态信号监测装置

4 结语

这种柔性断带抓捕机构采用楔形块自动锁紧装置，很好地解决了传统断带抓捕装置在执行抓捕指令时对输送带造成二次伤害等难题，为确保输送机断带抓捕装置的可靠性和有效性制动提供了强有力的保障。