主运带式输送机底部积煤清理装置及控制系统设计

申闪光，苗强

(潞安集团 王庄煤矿, 山西 长治 046031)

0 引言

在带式输送机运输原煤的过程中，受输送带跑偏、载荷不均匀或输送带上附着煤尘不能及时得到清理等因素影响，输送带沿线经常有大量煤尘散落或堆积在输送带底部，极难清理干净，容易造成底部输送带磨损、拌卡和托辊的损坏等不利后果，缩短了托辊和输送带的使用寿命，因此，积煤必须及时清理。现在的清煤工作主要以人力清理为主，清理过程不但耗时、耗工、耗力，还因各限制条件及因素制约，清理效果往往不佳。为此，王学泽[1]针对带式输送机输送带表面的煤泥设计回煤清扫装置，将设计的清扫装置与胶带表面接触，利用耐磨、阻燃且抗静电的尼龙丝进行自动清扫；试验结果显示，该装置的回煤清扫率可达88%以上。石晓磊[2]设计硬质合金刮板清扫器，安装于带式输送机滚筒前部，通过对清扫器重块的调整，改变清扫器对输送带的压力，进而达到清扫回煤的目的。由于压力调整不当，该方案可能会造成对输送带的损伤并需要进行二次清扫。武雪威[3]针对输送带运输系统的输送带粘煤问题，设计基于永磁直驱员配置的目的，同时也提高了输送带运输系统的生产效率。自清煤滚筒实现了带式输送机内侧清煤的自动化，达到了降低人员劳动强度、减少人员配置。刘耿[4]等设计了自动清理箕斗积煤的机械装置，主要由破拱器、小车装置以及控制元件组成；试验结果表明，该清煤装置清煤效果良好，但经长时间运行后，该清煤装置需要进行人工清洗。徐志广[5]设计了一种微型胶带运输送机机尾清煤器，以风为动力，驱动滚筒转动，并依靠摩擦力将机尾的积煤清出。该机构结构紧凑，消除了积煤隐患。以小型推车、小型提升机为积煤清理装置的核心部件，分析其机械结构以及控制原理。

1 机械结构设计

主运带式输送机底部积煤清理装置，包括放置在主运带式输送机底部可行走的小型推车、设置在主运带式输送机底部外侧的提升机以及设置在主运带式输送机一侧并可以沿轨道行走的驱动装置，如图1所示。

1-小型推车；2-提升机；3-液压动力站；4-主运带式输送机；5-轨道。图1 主运带式输送机底部积煤清理装置整体结构

轨道沿主运带式输送机设置，驱动装置为小型推车和提升机提供动力。该积煤清理装置采用开放式的集铲、运、推、提一体化底煤清理装备，适合于含有铁丝、棉纱、油质、硬矸的积煤清理，比传统的封闭式清煤系统环境适用性更强[6]。由于输送带底部空间狭小，一般设备无法伸入并彻底清理积煤，小推车充分借鉴蟹爪式凿岩机的蟹爪结构，中部加微型输送带，采用推斗往外推，这样可以在不转弯的情况下将犄角的积煤通过铲斗输送带转运到推斗，可以最大限度地完成积煤清理。同时采用履带行走，充分适应煤矿复杂地形。

1.1 小型推车

小型推车主要是将主运带式输送机底部积煤推到宽敞的行人侧路面，便于清理，机械结构如图2所示。主运带式输送机架间底部空间非常狭小，小型推车两端的铲斗、推斗设计为可以向上抬升的结构，蟹爪铲斗端可以通过蟹爪将不便清理的积煤输送至中间输送带上，然后输送到推斗一端，再由推斗推出外面，这样小型推车就可以在不掉头的情况下在狭小的空间内清理积煤。另外推斗做成可调节高度的结构，可在蟹爪铲斗工作时抬起，避免中部输送带输送的积煤埋压推斗，同时有利于通过大块矸石。铲斗、推斗做成可调节高度的结构还便于小车在狭小空间转弯，躲避底部障碍物。小型推车的行走，转弯等由管路外接手动阀组连接，便于远距离操控。

(a) 主视图

1.2 小型提升机

提升机放在主运带式输送机宽敞的行人侧，靠履带行走提供的推力将小型推车推出的积煤推在铲斗上，再由蟹爪将积煤耙到中部输送带上，输送带将积煤提升到一定高度后，积煤通过簸箕自溜到主运带式输送机上，完成积煤清理，机械结构设计如图3所示。

(a) 主视图

在进行小型提升机机械结构设计时，需考虑其横向刚度[7-8]，即该小型提升机钢丝绳在提升积煤的重力以及钢丝绳本身重力作用下，当提升钢丝绳受到横向作用力F时，钢丝绳产生横向偏移y，F与y的比值定义为该小型提升机钢丝绳的刚性系数K，即为横向刚度，公式为：

(1)

根据钢丝绳两端受力分析以及受力平衡原理可得式(2)：

(2)

式中：Q为提升机下端积煤重力，ρ为钢丝绳单位长度质量，L为钢丝绳悬垂长度，L1为钢丝绳横向受力长度。

由式(1)和式(2)可知，该小型提升机钢丝绳的横向刚度为：

(3)

且最小横向刚度为：

(4)

在设计小型提升机时，选取的参数为：L为10 m；d为25 mm；ρ为14.21 kg/m；破力总合P为509 kN；下端悬垂重力最大为80 kN。

1.3 驱动装置

驱动装置用于为小型推车、小型提升机提供动力源，并完成动作控制，如小型推车铲斗的升降、蟹爪的正反转、中部运输输送带的启停等。与传统驱动装置相比，该积煤清理驱动装置采用铅酸蓄电池直接为驱动装置的直流电动机供电，可省去繁琐的接线，更加有利于设备的维修和维护。

2 控制系统设计

主运带式输送机底部积煤清理装置的控制系统在驱动装置完成，控制系统如图4所示，由遥控模式或本地控制模式完成对小型推车以及提升机的控制。在遥控发射器面板设计有控制小型推车以及小型提升机的控制按钮，利用使能键作为区分，另还设计有急停按钮。遥控发射器以WiFi、CAN通信方式将控制指令发送给遥控接收器。PLC控制器以CAN通信模式读取遥控接收器的数据，完成逻辑处理功能并驱动相应的外部元器件动作。小型推车/小型提升机由泵站电动机/运输电动机进行驱动。泵站电动机主要为控制铲斗、推斗等提供液压动力，由PLC控制器控制电液开关阀通断进而完成对液压执行元件的动作。运输电动机用于驱动输送带，PLC控制器对输送带采用恒速控制模式。

图4 主运带式输送机底部积煤清理装置的控制系统设计

3 应用现状

使用该积煤清理装置后，减少了主运带式输送机底部积煤对托辊、输送带的磨损，延长了主运带式输送机机械部件的使用寿命。有效预防了输送带的跑偏、打滑故障，提高了主运带式输送机机的生产效率。省去清煤工，提高了工人劳动环境的安全性。目前煤矿主运带式输送机底部积煤清理大都是人工拿大铁锹清理，依据3 000 m长的主运带式输送机计算，每班安排2名专职清煤工，外加检修班5个检修工清煤，3班共计11人。

若应用该设备只需要1人即可完成操作，大大减少人工使用成本，为矿井实现自动化添砖加瓦。从经济角度计算，以每人每月7 000元计算，每部输送带每月可节省77 000元，一年节省924 000元。

目前，王庄煤矿共计10部输送带，总节省人工成本9 240 000元，经济效果非常明显。同时，由于该套装备高效的清理效率，可以在输送机突发拥煤时造成大量积煤外溢的情况下，快速高效地清理拥煤，进一步提高生产效率以及煤矿安全指数。

4 结论

设计并实现了主运带式输送机底部积煤清理装置的机械结构以及控制系统，解决了积煤产生的主运带式输送机故障频发，机械磨损严重的问题，改善了主运带式输送机的运行环境，延长了各机械部件的使用寿命，具有较好的经济价值和社会效益。