带式输送机智控分煤系统的设计与应用

郭晓君

（霍州煤电集团亿隆煤业有限责任公司，山西 临汾 041600）

煤矿井下运输系统改造相对困难，无法迅速与煤炭生产能力相匹配，此时即便对地面运输能力进行提升，也无法提高整体运力[1-5]。亿隆煤业在生产过程中也遇到该问题，对主斜井的改造受到巷道条件和时间节点的影响，矿井生产能力提升受限。为解决这些问题，亿隆煤业提出设计主斜井分煤系统，使其能够利用现有的运输系统增加运力，从而解决运力不足。分煤系统的设计主要环节是建立三维模型，并进行有限元分析，从而设计合理的硬件设备，保证分煤系统的顺利实施和正常运行。

1 工程背景

亿隆煤矿初步设计时，其主井的带式输送机仅与上仓皮带巷的带式输送机搭配，初始设计运输能力4000 t/h。后来为确保上仓带式输送机设备正常运转，将运输能力降到3500 t/h。为防止上仓带式输送机出现问题导致输送中断，又在该带式输送机的一侧设计安装旁路带式输送机，能够在上仓带式输送机出现故障时临时使用。

在对井下综采系统进行改造提升采煤效率后，为确保主斜井运输能力匹配，至少要保证4500 t/h的运力。通过对主斜井带式输送机的改造，最终将运输能力达到4500 t/h。但是，在主斜井的带式输送机满负荷运转时，与其匹配运行的上仓带式输送机出现强烈振动，同时出现输送带跑偏、倾撒煤炭等问题。而且主斜井带式输送机通过上仓带式输送机转载煤炭过程中，一侧的旁路带式输送机无法联合运转。若采用旁路带式输送机单独转载，该带式输送机的地面转载煤场却不能提供与之匹配的存储能力，再增加带式输送机同样受到地面建筑的影响，同时提高运输系统的复杂性，降低其可靠性，增加能耗。

2 带式输送机智控分煤系统运行原理

通过上述分析，如果同时利用上仓带式输送机和旁路运输机进行煤炭运载，则需要在主斜井带式输送机机头卸载处增加智控分煤系统。系统包括智能电气部分、液压驱动部分以及斜闸门机械部分等。系统可以自动对煤炭运量进行监控，确定煤流量，采用智控手段，完成上仓带式输送机独立运输、旁路带式输送机独立运输或者两部带式输送机同时运输3 种模式的转换，从而解决上仓带式输送机抖动难题。主斜井带式输送机智能分煤系统如图1。

图1 主斜井带式输送机智控分煤系统模型图

2.1 智能电气部分

智能电气部分主要包括：可编程控制器、电子皮带秤、堆煤传感器、闸板位置传感器以及报警器等。可编程控制器内安装电源、电源开关、滤波器、继电器和西门子PLC 编程器以及触屏显示器。可输入、输出数字和模拟量信号，具有不同类型的接口，并可提供最多8 路电源，电气系统完全可以满足智控装置的需要。

PLC 编程控制器，可以提前设置煤流的运输方案，根据电子皮带秤对3 部带式输送机的运量测量，启动液压系统利用油缸对控制煤流的闸板状态进行控制，实现上仓及旁路带式输送机上煤流量的智能控制。为实现闭环管理，在闸板上安装状态监测装置，可以与PLC 发出的智能控制指令做对比，及时发现故障。PLC 控制器可以继续监控上仓及旁路带式输送机上的电子秤所测得的后续数据，及时调整煤流分运方案，做到精准可靠。

2.2 液压系统构成及原理

液压站和液压结构，包括电动机、高压油泵、液压油箱、电磁阀、液压油缸和高压管。液压系统可以为控制分煤闸的液压油缸提供足够的动力，以控制分煤闸的打开和关闭。液压站为双回路，一备一用，两套设备可以互相切换，从而增加了液压系统稳定运行的能力。液压系统的工作电压为380/660 V，能够提供的最大压力超过18 MPa，如图2。

图2 液压结构示意图

2.3 分煤闸结构

分煤闸包括斜闸板、斜闸板路径轨道、液压油缸、分漏斗及开叉溜槽等部分。利用连接件使斜闸板和斜闸板路径轨道以及液压油缸形成一体结构，固定在分漏斗上，并安装支架固定。液压油缸在PLC 和液压系统的控制下推动斜闸板在路径轨道上运行，实现闸门开闭。分煤闸机械结构如图3。

图3 分煤闸示意图

井下采煤时，煤炭从主斜井运至分煤闸，斜闸板在液压油缸的推动下顺着斜闸板路径轨道行进，达到控制系统指定的开合度。斜闸板全部打开后，主斜井带式输送机上煤流全部卸载至上仓带式输送机上；斜闸板全部闭合后，主斜井带式输送机上煤流全部卸载至斜闸板上，再流入旁路运输机上；当斜闸板处于其他位置时，煤流通过斜闸板的分流，一部分进入上仓带式输送机，另一部分进入旁路带式输送机分别转运。调整斜闸板的打开角度，能够控制上仓带式输送机和旁路带式输送机的运量，使其达到一定的比例，实现两条带式输送机的共同运载。设计时将斜闸板的倾角定为40°，确保其顶部能够保存一些煤体，从而减轻落煤对斜闸板的冲击。

3 装备设计和有限元分析

3.1 斜闸板设计

斜闸板是整个分煤装备中主要的格挡部件，需要承受煤体强大的冲击力和摩擦力，必须有足够的屈服强度和耐磨性，在恶劣的工作环境下还必须能够顺利开合。

按照溜槽口的大小，将斜闸板的规格设计为3500 mm×2200 mm，主材料面板使用厚度为30 mm 的Q345 高强钢板，正面按照300 mm 规格牢固焊接高强钢板加强耐磨性能，背面焊接2200 mm×100 mm×20 mm的横向筋13道及纵向筋2道，在斜闸板的中部为液压油缸预留出安装位置，利用单板销轴进行连接。闸板下侧设计为直角，配合斜闸板运动轨道下侧的角形结构使用，斜闸板上侧与运动轨道上侧槽钢形成吊挂式支撑结构。斜闸板结构如图4。

图4 斜闸板设计结构示意图

3.2 斜闸板路径轨道设计

斜闸板的路径轨道起到控制斜闸板运行轨迹的作用，同时受到斜闸板的重力和煤流的冲击力，自身运动过程中也要承受摩擦力，要确保设计强度。轨道使用厚20 mm 的Q345 高强钢板及槽钢加工，轨道面倾角40°。轨道的下侧焊接钢板角形轨道配合斜闸板使用，这种结构能够有效承受闸板重量和冲击力，同时不易积煤。上侧设计为筋板槽钢轨道结构，配合斜闸板上侧的矩形槽，控制斜闸板运行轨迹，同时卡住斜闸板。斜闸板轨道结构如图5。

图5 斜闸板轨道结构示意图

3.3 斜闸板及运行轨道有限元分析

斜闸门是分煤系统的核心部件，为确保其具有足够的寿命且能够在恶劣环境下长时间正常运行，需对其结构和受力情况进行有限元分析。

斜闸门自重为3.5 t，因其还要受到物料的冲击，按2 倍自重计算载荷，即将70 000 N 加载到直角形轨道及槽钢轨道上宽度为2.2 m 的区域。通过有限元分析，其所受的最大应力达到57.9 MPa，远小于Q345 高强钢板350 MPa 的屈服强度，安全系数超过6 倍，能够满足要求。有限元应力云图如图6。

图6 斜闸门有限元分析应力云图

4 实际应用

亿隆煤业主斜井带式输送机智控分煤系统改造实施之后，能够向上仓和旁路带式输送机单独卸载或者向上仓和旁路共同卸载，运输能力达到4500 t/h，可以远程控制或现场控制，同时实现精确计量，突破了运输能力瓶颈，完成智能分运。

该系统投入使用后，大大提升了主运输系统的运输能力，解决了制约矿井高效生产的重要瓶颈问题，使煤炭产量增加约2400 t/d，每月增产近6 万t，每月增收近3000 万元，有较高的经济效益。该系统主要零部件具有较高的屈服强度和安全系数，能够在复杂、恶劣的工作环境下保持长时间正常、安全运转，大大减少维护、维修工作量，具有较高的安全效益和社会效益。

5 结语

对亿隆煤业主提升系统存在的问题进行分析，提出智控分煤系统设计。该系统包括电气控制部分、液压系统部分和分煤斜闸门机械结构。为确保主要部件能够满足恶劣环境运行需要，对斜闸板及运行轨道进行了三维模拟和有限元分析，确保其具有足够的强度，使装置能够长期正常运行。设备顺利投入生产后完成了向上仓和旁路带式输送机独立卸载或向2 台带式输送机同时卸载的功能，有效解决主提升系统运力不足的情况。