顺槽带式输送机卷带装置的设计与动力学分析

王 渊

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿， 山西 吕梁 033102）

引言

顺槽带式输送机是综采工作面根据采煤进度实时收缩输送带的带式输送机。鉴于当前顺槽带式输送机收卷输送带的操作存在效率低、安全系数低的问题，本文特设计一款适用于综采工作面顺槽带式输送机收卷输送带的装置。

1 卷带装置总体设计方案

本文所研究带式输送机输送带的类型为整芯输送带，其对应的型号为PVC1250S。本文所研究带式输送机的关键参数如表1 所示。

表1 带式输送机关键参数

带式输送机卷带装置的主要任务是完成顺槽带式输送机输送带的收卷任务，进而减小卷带作业人员的劳动强度，提升卷带工作的安全性，为提升综采工作面产煤效率的提升奠定基础。顺槽带式输送机卷带装置的结构如图1 所示。

1.1 卷带装置液压控制系统的总体设计

液压系统作为顺槽带式输送机卷带装置的控制中心，且带式输送机卷带装置的大部分动作均是由液压系统控制完成的，其主要由液压泵站、输送油路组成。为了提升带式输送机液压系统的利用率，要求卷带装置和张紧装置共用一个液压泵站[1]。

根据控制需求，卷带装置液压系统可在自动和手动两种工作状态下工作。其中，基于手动状态控制系统中的换向阀实现对系统各个动作的控制；自动状态主要是针对卷带装置的出带任务，为确保在出带过程中避免输送带搭落的情况，此时张紧装置为输送带提供一定的张紧力[2]。

图1 顺槽带式输送机卷带装置结构组成

1.2 卷带装置电气控制系统的总体设计

对于综采工作面而言，要求工作面所有电气设备均满足防爆性能的要求。鉴于PLC 控制系统在恶劣环境工作的可靠性和稳定性，顺槽带式输送机卷带装置的电气控制系统是基于PLC 实现的[3]。且卷带装置电气控制系统所选用具体PLC 的型号为S7-CPU224X。

2 卷带装置关键部件的校核

顺槽带式输送机卷带装置的关键部件为出带装置，出带装置的主要任务是完成对输送带的卷曲工作。本文所研究的顺槽带式输送机100 m 输送带全部收入卷带装置后其质量全部负荷于卷带装置的举升梁和中心回转架上。因此，卷带装置的举升梁和中心回转架强度是确保整个卷带装置可靠性和安全性的基础[4]。本节基于ANSYS 软件对举升梁和中心回转架的强度进行校核。

2.1 举升梁的校核

根据顺槽带式输送机卷带装置举升梁的实际尺寸基于SolidWorks 建立三维模型，并将三维模型导入ANSYS 软件中，根据举升梁普通碳钢属性特点对ANSYS 模型中的材料属性进行设置，待完成网格划分和添加载荷约束后开始仿真。仿真结果及其材料许用值对比如下页表2 所示。

如表2 所示，卷带装置完成收卷任务后，100 m输送带传递至举升梁的最大应力为1.68×108N/m2接近于其材料许用最大应力2.8×108N/m2；而举升梁的最大位移12 mm 远远超过普通碳钢的最大位移2 mm。为确保举升梁及其整个系统的安全性，需对举升梁结构进行优化。具体优化措施如下：

1）将支撑举升梁的钢结构的尺寸从原先的120 mm×60mm×10mm增大为140mm×80mm×15mm；

2）将卷筒的直径从原先的40 mm 增大为60 mm；

3）为举升梁中间位置加设加固筋板。

对优化后举升梁重新建模后采用同样的外部载荷和网格数进行仿真，仿真结果如表3 所示。

表2 举升梁强度校核

表3 优化后举升梁的强度校核

经仿真分析可知，优化后举升梁的最大应力比其所选材料的需用应力小一个数量级，且其最大位移也小于其选用材料所允许的最大位移。所以，优化后举升梁的强度满足实际生产的需求。

2.2 中心回转架的校核

同样，根据中心回转架的实际尺寸基于SolidWorks 软件搭建三维模型，并将模型导入ANSYS 软件中，经网格划分和添加载荷后得出如表4 所示的仿真结果。

表4 回转中心架的强度校核

回转中心架的材料同样为普通碳钢。经仿真可知，在实际工况下回转中心架的最大应力和最大位移，均远小于其选材的最大许用应力和最大位移。所以，回转中心架的强度满足实际生产的需求。

3 卷带装置的工业性试验

文中第2 节主要完成了对卷带装置中关键部件举升梁和回转中心架强度的校核，并未验证所设计的卷带装置是否能够达到降低作业人员劳动强度的目的。为此，基于所设计的卷带装置搭建工业性试验平台，主要对其能否与综采工作面顺槽的完美匹配和在同等工作量下作业人员的参与人数和完成时间进行对比。现场试验时必须严格遵守各项规章制度和整个卷带系统的工作流程。经现场试验可知：

1）顺槽带式输送机卷带装置机械部分能够与张紧装置完美配合，且与现场其他设备的匹配性良好；

2）针对本文所研究顺槽带式输送机的100 m 输送带的收卷任务，采用优化设计后的卷带装置参与的作业人员的人数由原先的6 人缩减为当前的2 人，且消耗时间由原先的3 h 缩减为当前的0.5 h，大大地降低了作业人员的劳动强度，提升了卷带的效率。

4 结论

实际生产中顺槽带式输送机的卷带任务需消耗大量的人力、物力，且其操作过程的安全性一直被质疑。卷带装置的顺槽带式输送机的应用能够有效地解决上述问题。实践表明，卷带装置的应用能够将参与收卷输送带任务的人员由原先的6 人缩减为当前的2 人，且消耗时间由原先的3 h 缩减为当前的0.5 h。