BF皮带机煤流窜斗检测装置设计

赵振华

河北港口集团港口机械有限公司

1 引言

BF皮带机是下水煤码头翻堆线的第一条皮带机，目的是将煤炭从翻车机底层运输到转接塔[1]。为了保证煤炭质量及皮带不被杂质撕裂，需要在转接塔的BF皮带机头部安装除铁器对煤流进行除杂。煤流中的金属杂质在BF皮带头部抛料时会被上方的除铁器励磁吸引，顺着除铁器皮带被运输到料斗后面的除杂斗中[2]。由于除铁器的存在，料斗上方并不像其他的落料斗那样为封闭状态。如果翻车机司机给料量大或是卸难以控制流量的特殊煤种时，煤流会越过料斗进入后面的除杂斗中(见图1)。这样降低了货运质量，耽误现场生产效率，还需要定期对返场煤进行清理，增加了清煤工的工作强度。为了减少以上情况的发生，在料斗和除杂斗之间增加了窜斗检测装置，编写检测程序，添加上位机报警界面，提示司机减量作业。

1.落料斗 2.除铁器 3.除杂斗图1 除铁器、料斗、除杂斗示意图

2 解决方案

要实现窜斗检测装置设计，首先要通过计算避开料斗上方除铁器，确定检测装置安装位置，然后编写相关程序并在上位机添加报警界面。

2.1 检测装置结构设计

窜斗检测装置主要由固定架、煤流挡板、旋转轴、挡板配重、接近开关、限位挡片等部分组成。其中煤流挡板、挡板配重及限位挡片固定在旋转轴上，旋转轴通过固定支架安装在除杂斗上方，接近开关竖直固定在固定架上(见图2)。当有煤流越过料斗进入后面的除杂斗时，会首先撞击煤流挡板带动旋转轴转动，进而引起挡片转动，接近开关的信号改变上传到PLC，提醒司机减量作业。

1.旋转杆 2.固定支架 3.可调节配重 4.限位挡片 5.接近开关 6.挡板 7.杂物斗图2 窜斗检测装置设计示意图

2.2 检测装置设计计算

根据现场采集越过料斗后煤流的角度方向数据，可以计算出检测装置的挡板所需长度、接触煤流的角度及安装位置(见图3)。

1.抛料滚筒 2.防窜斗装置 3.杂物斗 4.落料斗图3 煤流越过料斗示意图

经过现场实际采集数据，挡板和连接杆各600 mm，挡板接触煤流的角度为30°，挡板和连接杆质量为3 kg，配重力臂为300 mm。根据挡板和配重力矩平衡，可以计算出检测装置配重的质量为3 kg。

越过料斗的煤流撞击挡板引起挡板发生定轴转动，配重同时随之转动，对整个碰撞旋转过程进行分析。

为了求得煤流撞击挡板后，检测机构旋转的最大角度，需要对整个撞击过程进行能量分析。定义如下物理量：煤流初始速度v0，撞击后煤流速度v1(未知)，撞击后挡板角速度ω0(未知)，挡杆长度l1，配重杆长度l2，煤流重量M，档杆质量m1，挡板质量m2，配重杆质量m3，配重质量m4，挡杆质量线密度λ1，挡板质量线密度λ2，配重杆质量线密度λ3，配重质量线密度λ4。

此结构可以看成质量离散分布的刚体，设其总转动惯量为J0，将整体转动结构分为4部分，分别为挡杆、挡板、配重杆和配重(见图4)，那么总转动惯量为：

(1)

图4 煤流撞击示意图

(2)

同理得到挡板的转动惯量为：

(3)

配重杆的转动惯量为：

(4)

配重块在配重杆的末端1/3处，其转动惯量为：

(5)

设煤流撞击挡板前动能为E0，煤流撞击挡板后动能为E1，撞击后挡板的瞬时动能为Ek0，根据能量守恒可得：

E0=E1+Ek0

(6)

根据能量守恒可得：

(7)

ΔEp=Ep1-Ep0

(8)

根据能量守恒定律得：

Ek0=ΔEp

(9)

因为：

ΔEp=m1gΔh1+m2gΔh2+m3gΔh3+m4gΔh4

(10)

式中，

(11)

(12)

(13)

(14)

通过上述公式，最终可求得θ≈13°。

通过挡板和配重势能的变化计算出轴旋转角度的变化，可以在转轴上制作挡片实现检测装置侧面接近开关的通断[3](见图5)。根据现场工况分析，选用直径为28 mm的接近开关，设计挡片宽度为40 mm，将限位安装在检测装置的固定架上，限位挡片处于竖直方向。因为煤流冲击时转动角度较小，所以L1≈28+40=68 mm，可以计算出限位挡片及连接杆长度L=L1cot13°=294 mm，正常状态下限位挡片应位于接近开关正前面，可以确定接近开关的安装位置。

图5 检测装置动作前后示意图

2.3 编写检测程序

通过对现场生产观察发现，在给料量大或者卸特殊煤种时，煤流会冲击料斗衬板。煤流在越过料斗进入除杂斗内时，会在短时间内撞击挡板数次。据此现象编写报警检测程序，并屏蔽了杂质撞击挡板发生误报的情况。

报警的条件是窜斗煤流撞击到挡板，传感器动作3次并且这3次的间隔在10 s内。由于煤流中的杂质可能会撞击挡板，但不会在短时间内连续撞击，所以为避免发生误报的情况，传感器动作1次后10 s内没有第二次动作，便会在重新计数并清除计时不发出报警。

2.4 上位机界面制作

现场接近开关传感器采集报警数据发送给变电所PLC，通过生产者消费者标签实现PLC数据传递给翻车机PLC，并在上位机上设计报警功能[4]，当煤流量过大发生窜斗时，上位机会弹出提示信息，提醒司机适当减量作业。

3 应用情况及实施效果

目前皮带机煤流窜斗检测装置已在秦皇岛煤五期的3条BF线上投入使用1年时间，运行过程中程序判定无误，运行稳定，很少出现误报、漏报等情况，在煤流窜斗时能够有效地提示司机进行减料作业。

4 结语

通过对除铁器机构存在的不足进行分析，对皮带机煤流窜斗检测装置进行改造，在料斗和除杂斗之间增加检测装置、编写检测程序、添加上位机报警界面，有效提示司机减量作业，避免窜斗情况的发生，提高了港口装卸效率[5]，对类似工程具有一定的参考意义。