带式输送机线摩擦驱动增压装置的设计与应用

董聪健

山西汾西矿业集团有限责任公司贺西矿 山西 吕梁 032300

带式输送机作为煤矿生产中长距离、大运量的主要机械设备，其在运行过程中的高效节能性能直接影响到煤矿企业的安全经济性[1]。目前带式输送机的设计偏保守，主要是在计算得到额定工作量的基础上，乘以一个安全系数作为最终的设计参数指标。该方式设计的带式输送机在实际运转时具有较大的额定工作量，应对设备空载和少载运行工况时不可避免出现能耗增加，从而导致输送机整体运输效率较低，不利于煤矿企业节能减排方针的实施。此外，从输送机设计结构方面而言，长距离输送需要较大的电机驱动功率和高强度的输送带，而输送机胶带目前常规使用的是国产整芯阻燃胶带。这类胶带整体机械强度性能较低，接头效率偏低，从安全性和经济性方面严重阻碍了长距离、大运量输送机的大规模投产使用[2-3]。

为解决这一技术难题，通过在普通带式输送机上增加几组同结构、缩小版的驱动装置组合使用，构成了线摩擦带式输送机。线摩擦带式输送机的主要优点在于它的驱动力来源于两方面：一是位于机头或机尾的驱动装置；另一方面是位于中间部位的多组驱动器。通过中间多组驱动器的协调作用，极大的降低了机头或机尾主驱动装置的电机功率，避免长时间处于高功率运行状态，从而达到降低能耗的目的[4]。此外，通过中间驱动器的增加，减小了物料在运输过程中的转载次数，空载和少载时缓解了胶带的强张力运行状态，延长了输送机胶带的使用寿命[5]。本文通过对线摩擦带式输送机中间驱动装置的设计，提高其增压装置的牵引力，进一步提高输送机的运输效率，降低能耗与设备维修成本，为类似煤矿井下运输提供借鉴。

1 线摩擦带式输送机的结构原理

1.1 线摩擦带式输送机的基本结构

线摩擦带式输送机是一种基于常规带式输送机结构研发设计的一种新型输送机，在常规带式输送机结构的基础上增加一组或几组同结构、缩小版的中间驱动器（辅机），机头或机尾为主驱动机，主驱动机上连接着承载带；中间驱动器为辅助驱动机，连接的是传动带。双机运行时实现“主-辅”双机协同驱动。线摩擦带式输送机的基本结构如图1所示。

1.2 线摩擦带式输送机的特点

线摩擦带式输送机在常规带式输送机的承载带下，沿承载带的延伸方向进行多点铺设辅助驱动器，通过承载带与传动带间的线摩擦形式进行动力传输。随着辅助驱动器的运行，线摩擦带式输送机的承载带张力呈现先减小后增大的趋势，承载带机械强度合理控制在其最大机械强度之下，承载带与传动带均处于弹性变形阶段，利于输送机进行长距离、大运量运输。

1.3 线摩擦驱动装置的布置

线摩擦带式输送机根据井下运输线路的变化，其布置方式一般分别直线段布置和曲线段布置。其中直线段布置时承载带与传动带间摩擦动力传输较为稳定；而曲线段布置根据其弯曲形式可分为两种，如图2所示。图（a）中为凹弧段，当承载带与传动带间的摩擦位置没有负载或是物料时，可由摩擦产生的传输动力就会非常小，对整个传送机运输是不利的；而图（b）中为凸弧段，当承载带与传动带间的摩擦位置承载物料时，由摩擦产生的驱动力与皮带初始张力会逐渐增加，在传送带凸弧位置会造成应力过高，皮带局部会出现过度磨损现象。因此，针对上述二者在使用过程中的特殊工况，需要对摩擦驱动器增设增压装置。

图2 带凸凹弧段线摩擦带式输送机

2 增压装置的设计

2.1 整机结构设计

通过在普通线摩擦带式输送机上增加一个重量信号获取器，根据重量信号获取器的实时数据反馈进行及时增减压力进行动力传输。整体结构设计如图3所示。在输送机运输过程中，重量信号获取器测得皮带上方物料的瞬时重量后，将数据传输至已经设置额定数值的控制器中，控制器将传输数值与额定数值进行对比。若数值出现偏差，控制器将信号继续传输至伺服机中，电机带动增压器进行增压或减压。同时，压力传感器接收压力信号后进行二次传输，再次将信号反馈回控制器中，实现数据的反馈并进行实时数据二次校验。

2.2 带边增压方式

根据上图3所示的线摩擦带式输送机增压装置整体设计图，提出一种带边增压方式，其结构模型如图4所示，该方式最主要的优点在于可根据井下实际运行工况进行增压调节。其工作原理是通过重量信号获取器得到皮带运输的瞬时重量与额定数值进行比较后，由控制器将信号传递至电机，电机带动传动杆由齿轮动力进一步传递。齿轮转动挤压两旁弹簧并推动金属管挤压承载带，使承载带向下方凹陷与传动带紧密贴合，增大二者间的摩擦力，实现增压过程。

3 增压装置仿真分析与应用

3.1 仿真模型建立与参数设置

利用ANSYS仿真软件建立线摩擦带式输送机数值计算模型，如图5所示。根据井下工况进行模型赋参，对托辊以及带边增压中的带边轮进行位移约束，具体如表1所示。此外，通过对现场输送机数据监测，传动带和承载带两端张力分别赋值24294N、25578N和49978N、 49323N。

表1 模型参数

图5 带边增压仿真模型

3.2 不同工况下总变形分析

线摩擦带式输送机在运行时主要有两种工况，一种为无载运输，另一种则为有载运输。根据两种不同的工况条件，利用仿真模型进行计算，不同工况条件下输送带的总体变形如图6所示。由图可知，采用带边增压方式后输送机在运行过程中，无载和有载两种情况均会导致带边轮和输送带接触的局部发生大变形，其中在无载时最大变形量约为0.018m，而有载时最大变形量约为0.022m。由此说明，带边增压方式可明显调整由于线摩擦形式带来的驱动力不足的现象，有利于输送机的运输。

3.3 现场应用

根据井下生产工作面生产能力对线摩擦带式输送机运输煤炭的重量进行计算，并在重量信号获取器进行设定（定值为560N）。线摩擦输送机运行时的监测数据，重量信号获取器测得皮带上方物料的瞬时重量后与设定值560N进行比较，由控制器将信号继续传输至伺服机中，电机带动增压器进行增压。在此过程中，无载和有载两种情况下，都能在重量信号获取器的作用下达到设定值，从而满足使用需求。

4 结论

（1）线摩擦带式输送机在凹弧段运输时，承载带与传动带间的摩擦位置没有负载，由摩擦产生的驱动力不足，影响传动效果；在凸弧段运输时，承载带与传动带间的摩擦位置由于负载作用，造成皮带张力增加，出现过度磨损现象，影响皮带使用寿命。

（2）对摩擦带式输送机增设增压装置后，增压器可根据皮带承载载荷大小自主调整承载带与传动带间的摩擦力，改善驱动力不足，延长皮带使用寿命，利于线摩擦带式输送机进行长距离、大运量运输。