帶式輸送機斷帶保護裝置設計了偏心輪夾緊機構設計說明書

1、1 緒論 1.1 引言 皮帶運輸機又稱帶式輸送機， 是一種連續(xù)運輸機械， 也是一種通用機械。 工作過程中噪音較小，結構簡單。皮帶運輸機可用于水平或傾斜運輸。皮帶 運輸機由皮帶、機架、驅動滾筒、改向滾筒、承載托輥、回程托輥、張緊裝 置、清掃器等零部件組成。 隨著帶式輸送機技術的不斷完善與發(fā)展， 帶式輸送機己經成為散體物料 的主要運輸工具之一，因其能實現物料的連續(xù)裝卸運輸而且運輸距離長、輸 送能力大、電耗低、投資費用相對較低以及維護方便等特點，而廣泛應用于 港口、碼頭、冶金、熱電廠、露天礦和煤礦井下的物料運送。 然而作為煤礦運輸系統(tǒng)中的關鍵設備， 在使用過程中由于膠帶各點的受 力不均，滾筒轉動不靈

2、活等原因，膠帶易發(fā)生跑偏及打滑、斷帶等事故。一 旦發(fā)生斷帶故障時，由于重力和慣性的作用，斷裂的膠帶將與膠帶上的物料 一同迅速下滑將膠帶和物料一同堆積在輸送機的下方機頭處， 給帶式輸送機 的修復工作帶來很多的困難，帶來較大的經濟損失。帶式輸送機的橫向斷帶 事故時有發(fā)生。下面列舉一些資料中已公開的斷帶事故和統(tǒng)計數據。 (1) 1994年5月20日和7月31日。山東省七五煤礦 330采區(qū)鋼絲繩芯膠帶輸 送機在正常生產運轉中，連續(xù) 2次發(fā)生斷帶事故，雖未造成人員傷亡，但每 次均造成直接經濟損失約 9.8萬元。間接損失達 250余萬元。第一起事故，編 號為 88 12 8的硫化接頭運行到膠帶機頭以下 1

3、50 m左右一較大的變坡點 處時脫落斷裂。斷后的膠帶在載荷和膠帶重力分力作用下，逐漸加速，飛速 下滑，直至堆積到不能再下滑為止。下滑距離達 500余米。膠帶托輥支架沖 擊損壞 150余架。托輥損壞 60余只。打毀架空乘人裝置吊座 20余架。第二起 事故，編號為 94 5 2的硫化接頭運行到膠帶機頭以下約 200 m處發(fā)生脫落 斷裂。膠帶下滑距離達 550余米，情形與第一次事故基本相同。 (2) 淮北礦業(yè)集團公司朱仙莊煤礦，隨著機械化程度的逐步提高，原煤 產量也逐年增加，目前已超過 170萬t/d，而 85%以上的原煤需要強力輸送機 來運輸。 1996年以來朱仙莊煤礦陸續(xù)安裝并投入使用了 5部

4、ST型鋼絲繩芯輸 送機，輸送機膠帶總長達到 13200 m。隨著輸送機膠帶服務年限的增加 , 出現 了不同程度的老化現象，致使輸送機膠帶覆蓋層與帶芯之間粘合強度下降。 2002年底連續(xù)發(fā)生 5起輸送機膠帶接頭拉斷事故，直接影響了全礦的安全生 產。 (3) 大同煤礦集團公司現有主提升斜井膠帶輸送機 12部，暗斜井主運輸 膠帶輸送機 11部；斜井坡度為 1416度，膠帶寬度 11.4 m、機長4001100 m。從1989 1995年, 有7部主斜井膠帶輸送機發(fā)生斷帶事故，共影響生產近 400 h，影響產量達 30萬噸。斷帶事故不僅影響了生產和經濟效益，還嚴重 破壞了井下裝備，甚至威脅到職工的生命

5、安全。 (4) 平頂山礦務局至 1996年有l(wèi)7臺鋼絲繩芯膠帶輸送機在運行，其中有 SQD-440型上運大傾角膠帶輸送機、 STJ/4X2805型鋼絲繩芯膠帶輸送機 ( 運 量達1000t/h)等等。共有 10個礦使用鋼絲繩芯膠帶輸送機，其中有 8個礦發(fā)生 過斷帶事故。發(fā)生斷帶事故的膠帶輸送機占總數的 58.82%。據不完全統(tǒng)計， 截止 1995年8月，全局共發(fā)生鋼絲繩芯膠帶斷帶事故 16起，累計影響生產時 間1706.2 h，影響產量 20余萬噸。其中 15起斷帶發(fā)生在接頭處，占斷帶總數 的93.75%。 以淮北礦務局某煤礦為例 :該礦日產量在 5000 t以上，一個采區(qū)的日產量 也有200

6、0 t，停產1d, 就會造成 100余萬元的經濟損失，若斷帶后皮帶推倒皮 帶架子，損壞設備，將產生更大的經濟損失，更嚴重可能引發(fā)人員的傷亡事 故，將會給煤礦安全生產帶來更大的負面影響。 目前國內已有多廠家研制了膠帶輸送機綜合保護器， 它們可有效地實現 帶式輸送機在運行過程中的部分故障保護，但還無法完成帶式輸送機斷帶、 飛車保護，加之輸送機的斷帶、飛車事故在煤礦、電廠、水泥廠工作中時有 發(fā)生，因此這一問題急需解決。 1.2 國內外皮帶的研究現狀 上世紀五十年代以來，從運輸谷物的帆布、木支座運輸機到現在鋼絲繩 牽引運輸機、波狀擋邊帶式輸送機、斗式等各種輸送機，帶式輸送機技術得 到了飛速發(fā)展。帶式輸

7、送機不但在各大零部件的結構，性能以及整機管理方 面有了很大的改善和提高外，在起制動動態(tài)特性的研究方面也有了重大突 破，如德國、澳大利亞、美國、波蘭、南非、日本等，相續(xù)對此進行了大量 的理論和實驗研究， 在動態(tài)研究分析領域采用粘彈性流變力學理論對系統(tǒng)作 了更接近于實際的假設分析， 澳大利亞還對膠帶橫向振動問題進行了深入的 研究。 20世紀60年代，前蘇聯在簡化的力學模型上提出了第一個帶式輸送機非 穩(wěn)定狀態(tài)運行期間動態(tài)分析的計算公式， 1973年形成了動態(tài)分析方法，并開 始實際應用。 1984年3月Harrison 的博士論文“動態(tài)測量與鋼絲繩芯帶的分 析”，論述了輸送帶彎曲理論和帶式輸送機起、制

8、動時瞬時彈性力的分析方 法。 1984年，美國的 Nordell 和 Gozda 發(fā)表了第一篇關于質量 - 彈簧模型 的論文，題目是“起、制動時的瞬時張力和有限元法仿真彈力特性”。在國 內，由于缺乏大型帶式輸送機的設計和使用經驗，動態(tài)分析研究起步較晚。 從80年代初，我國逐步進行了帶式輸送機動態(tài)特性研究，進行了帶式輸送機 受料處的動載荷的研究；進行了輸送帶和帶式輸送機的動力學模型的研究； 進行了帶式輸送機膠帶的粘彈性及整機運動的動態(tài)過程的研究； 進行了帶式 輸送機在起、 制動非穩(wěn)定工況下的動態(tài)響應的研究以及恒張力自動張緊系統(tǒng) 等研究。 盡管對輸送機起制動問題目前以做了大量的理論和實驗研究， 積

9、累了一 定的經驗，但由于各國研究的發(fā)展狀況不同，應用的客觀條件不同，技術本 身研究的深度和廣度以及數學分析處理方法的種種不足， 仍未提出一種切實 可行的，能滿足工程設計要求的方法。如下： （1）由于實際膠帶的組織是復合材料組成的三向異性體，要準確地描 述其粘彈性動力特性是很困難的， 即使理論上可以采用較好近似程度的復雜 組合模型，但模型參數的試驗測定和動態(tài)分析也會變的相當復雜，有時甚至 難以實現，目前的研究均按 Vogit 模型處理，且以 ISO/DP9856標準測試。 另外，同一型號膠帶動態(tài)參數的離散性很大，加之托輥支座和物料的聯 合作用，給動態(tài)分析帶來了更大的難度，我國膠帶廠生產的膠帶多數

10、沒有給 出動態(tài)參數或沒有進行這方面的測試， 也給膠帶粘彈性模型的建立與其相應 參數的測定帶來了一定的困難。 （2）輸送機回轉系統(tǒng)均簡化為沿膠帶長度方向的一維粘彈性桿或簡化 為二維、三維粘彈性體來分析研究，關于驅動裝置的力矩傳遞特性的抽象簡 化，相當于分析動態(tài)回轉系統(tǒng)的外加激勵，但是對起動裝置的動特性研究較 少，另外驅動裝置特性曲線的計算機模擬和驅動滾筒打滑狀態(tài)的判斷方面研 究也很少，這是對整個系統(tǒng)的動態(tài)分析都會帶來不利的影響。 （3）離散模型的電模擬法，連續(xù)模型的波動法，僅對膠帶動態(tài)特性作 了近似的反映，計算工作量大，分析過程復雜。 （4）動態(tài)過程的控制分析未能同系統(tǒng)動態(tài)分析結合起來，這樣就將

11、研 究成果的應用范圍限制的很小，無法實現任意帶式輸送機系統(tǒng)動態(tài)過程控 制。 （5）橫向彎曲振動的研究到目前還沒有一套工程適用的無共振設計方 法或程序。 （6）目前僅能對任意點的帶速、驅動系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)的響應進行測試， 不能對任意點張力進行動態(tài)測試。 為改善輸送帶的耐磨、抗沖擊、防斷裂、阻燃和抗靜電等性能，其相關 研究主要采取了一系列材料作為芯體（骨架層）的覆蓋層或涂層。 部分文獻報道如下： （1）管狀高耐磨輸送帶：安徽天地人 （ 集團）股份有限公司提供的該產 品以尼龍帆布、鋼絲繩等構成的芯體為骨架，以高彈性、高耐磨、高強度橡 膠為工作面組成新型運輸物件，主要用于輸送粉狀、顆粒狀等易污染環(huán)境的

12、物料。產品具有耐屈撓，抗沖擊，附著力高等優(yōu)點。經測試和使用，其硬度 為（邵氏 A）655 度，磨耗量不大于 0.2cm3/1.61，彈性不小于 30%，扯斷 強度不小于 20MPa，扯斷伸長率不小于 450%，布- 布粘著力不小于 10N/mm， 膠- 布粘著力不小于 6N/mm 。 （2）CONVEYOR BELT EXCELLENT IN PARTIAL WEAR RESIST ANCE AND ITSCOMPOSITION （PN：JP2002308410 PD：2002.10.23 PA： WATANABE HIROAKI ）：日本專利 JP2002306410涉及一種增強橡膠輸送 帶

13、局部區(qū)域耐磨性的方法。該專利在輸送帶兩端設置覆蓋層，覆蓋層采用橡 膠混合烴作為主要成分與碳黑合成而呈現膠狀特性， 以遏制輸送帶表面的磨 耗。 （3）分層阻燃輸送帶（申請?zhí)枺?02270298.9；申請日： 2002年 10月 2 8 日；公告日： 2003 年 11 月 12 日；專利權人：兗礦集團有限公司） : 中國 實用新型專利 ZL02270298.9 涉及一種帶式輸送機分層阻燃輸送帶，特別適 合于煤礦井下用的直經分層阻燃輸送帶。 它由帶芯織物分層及其浸漬糊料形 成的阻燃彈性體、阻燃上覆蓋層和阻燃下覆蓋層構成。其覆蓋層為硫化橡膠 或者橡塑混膠層或者 PVC 層或者聚氨脂層，帶芯織物分層為

14、多個，層間有 阻燃的緩沖膠層。輸送帶具有抗拉強度高、相對拉伸模量高、伸長率低、耐 動態(tài)疲勞、耐沖擊、抗撕裂、使用壽命長等優(yōu)點。 （4）PVC 全塑阻燃輸送帶的研究： 對 PVC 全塑阻燃輸送帶的骨架結構 與材料、 PVC 糊和覆蓋膠進行了實驗研究， 確定了適宜的組成和配方。制備 的 PVC 全塑阻燃輸送帶阻燃、抗靜電和強度大，符合 MT147-92 標準要求。 其技術指標為：表面電阻小于 3.0 108，表面摩擦生熱不大于 325oC，酒精 噴燈燃燒自熄時間不大于 3s，巷道丙烷燃燒試樣全寬度未燒壞部分長度不小 于 250 mm 。 （5）耐燃輸送帶聚氨酯涂層：江蘇省煤礦研究所研制的涂層由熱塑

15、性 聚氨酯彈性體為主要材料， 與導電炭黑和磷酸酯類阻燃劑及溴系阻燃劑共同 混煉成膠料，再與經過阻燃處理的整體編織帶芯復合而成。它主要作為煤礦 井下帶式輸送機的輸送帶用。與橡膠及聚氯乙烯輸送帶相比，它具有機械強 度高、曲撓性好、耐磨（為天然橡膠的 210 倍）、耐撕裂（也為天然橡膠 的 210 倍）等優(yōu)點，并且抗靜電、阻燃。 總之，雖然帶式輸送機的理論和實驗研究上積累了一定的經驗，但仍然 處在不斷摸索、不斷完善的過程中。 1.3 皮帶斷帶抓捕工具的研究現狀 為了防止膠帶逆轉、飛車和斷帶，國內外一些科技人員進行了一系列的 有意嘗試與研究，提出了一些解決辦法 : （1）帶下安裝阻尼板 帶式輸送機正常

16、運行時膠帶被拉緊，膠帶基本上是一條直線，下垂量很 小，而斷帶后，由于托輥間距的存在，即使是高強度鋼絲繩芯膠帶也有很大 的下垂量， 基于這一特點， 采用在膠帶下面一定距離處安裝阻尼板， 斷帶時， 由于膠帶的自重作用及初始速度使得膠帶迅速松弛，并與阻尼板接觸，當阻 尼板與膠帶之間的摩擦力足夠大時，可有效地阻止膠帶下滑，這就是阻尼板 的工作原理， 如圖1.1，阻尼板的防滑能力與阻尼板與膠帶之間的摩擦系數有 關，與阻尼板的幾何長度、阻尼板與膠帶間的距離以及膠帶的傾角等因素有 關。 圖 1.1 阻尼板法防斷帶示意圖 （2）單向托輥摩擦制動 此種制動， 主要利用托輥反向逆止原理， 如圖 1.2，當具有一定

17、傾角的帶 式輸送機正常工作時，托輥隨之轉動，膠帶與托輥間為滾動摩擦，摩擦阻力 很小，而當膠帶斷裂下滑時，由于托輥是單向的，所以托輥反向無法轉動， 膠帶與托輥間為滑動摩擦，摩擦阻力增大，通過滑動摩擦力來實現制動。 圖 1.2 單向托輥防斷帶法 （3）自適應摩擦棘輪式斷帶保護器 摩擦棘輪式帶式輸送機斷帶保護逆止器是利用棘輪機構的反向制動原 理實現斷帶保護，實際工作時逆止器成對地布置在輸送帶兩側，其一側的結 構如圖 1.3，由結構完全對稱的上下兩個組成部分，主要零件有支架、彈簧、 加緊桿、摩擦式扇型棘爪、偏心凸輪、支撐軸和夾緊輪。 帶式輸送機正常工作時，輸送帶沿斜面向上運動，在摩擦力的作用下輸 送帶

18、驅動夾緊輪正向轉動，夾緊輪相對于輸送帶作純滾動。由于支承軸與夾 緊桿之間裝有滾動軸承，工作阻力很小。 當出現異常現象輸送帶斷裂時， 輸送帶及物料在重力作用下將沿斜面向 下滑動，在摩擦力的作用下輸送帶要驅動夾緊輪反向轉動。由于摩擦式扇形 棘爪的升角小于金屬之間的摩擦角，棘爪使夾緊輪反向自鎖，不能轉動，夾 緊桿與夾緊輪成為剛性連接。 輸送帶沿斜面向下滑動的摩擦力使上夾緊桿與 夾緊輪一起順時針擺動，使下夾緊桿與夾緊輪一起逆時針擺動，下滑力越大 夾緊力也越大。由于夾緊制動動作是隨著輸送帶下滑動作自動實現的，夾緊 力的大小隨著輸送帶下滑動作自動實現的， 夾緊輪的大小隨著膠帶下滑力的 大小而自動適應，無需

19、其他控制就可實現自動斷帶保護，從而防止了輸送帶 和物料下滑堆積與巷道，避免事故的進一步擴大。 o 3 4 2 1 5 6 7 圖 1.3 自適應摩擦棘輪式斷帶保護器 1支架； 2彈簧； 3加緊桿； 4摩擦式扇型棘爪； 5偏心凸輪； 6支撐軸； 7夾緊輪 （4）GBZ型滾動下落膠帶抓捕器 抓捕裝置主要結構如圖 1.4，當膠帶正常運行時， 抓捕輥高高舉起， 它們 不與膠帶接觸，不影響物料的運輸。只有特制的托輥位于膠帶下面隨膠帶前 進而轉動。當膠帶倒轉或斷帶后膠帶下滑時，特制托輥則跟著反轉，反轉時 帶動托輥軸一起倒轉，倒轉的軸則帶動一個螺旋副運動，當達到我們控制的 倒轉長度時，則可推動抓捕輥的固定卡

20、爪，使抓捕輥沿內裝齒條的直槽快速 旋轉下落，繼而滑入斜槽，并在倒轉膠帶的帶動下繼續(xù)沿斜面運動，因而把 膠帶緊緊的卡住在抓捕輥和基砧之間， 由于抓捕輥旋轉下落，可以把膠帶 上的煤屑清除掉，使抓捕的更可靠。 圖 1.4 GBZ 型滾動下落膠帶抓捕器 (5) 雙向抓捕器 抓捕器由左右兩個抓捕臂、 兩個單向抓捕輥和與其對應的帶下單向托輥 組成。工作狀態(tài)如圖 1.5所示。 左側單向抓捕輥允許轉向與膠帶運行方向相反， 右側抓捕輥允許轉動方 向與膠帶運行方向相同，膠帶正常工作時，左側的抓捕臂與單向抓捕輥由電 磁鐵懸置，右側抓捕臂與單向抓捕輥始終懸浮在膠帶上，如圖 (a) 所示。設 帶的運行方向為向右，當膠帶

21、發(fā)生斷帶時， 斷帶信號迅速由傳感器傳給控 制系統(tǒng)，控制系體接到信號后，發(fā)出控制指令，迅速切斷驅動電路和懸置磁 鐵電源，電磁鐵掉電后，左側抓捕臂和單向抓捕輥在重力作用下落下， 由 于左側抓捕輥的允許轉向與帶速方向相反， 抓捕器與膠帶產生較大的摩擦阻 力，懸臂在摩擦阻力拖動下逆時針擺動， 逐步抓緊并卡死膠帶，如圖 (b)所 示。同理，當膠帶發(fā)生逆轉時， 右側的懸臂立即在摩擦力的作用下，抓緊 膠帶。 b) 抓捕狀態(tài)抓捕器 比較，上述各種斷帶保護裝置主要分為兩大類：一類是使用單向托輥和 阻尼板的摩擦制動的方法；另一類是采用抓捕原理的方法。 第一類方法是將皮帶的上托輥按一定比例換成單向托輥， 在下層皮帶

22、下 方安放阻尼板。當皮帶因斷裂下滑或逆轉時，因上托輥不可逆轉，利用托輥 對上層皮帶的滑動摩擦阻力，使上皮帶不能長距離下滑；下層皮帶因松弛與 阻尼板接觸，因摩擦而制動。為了防止下層皮帶的下滑要在皮帶下面安放大 量的阻尼板。這種方法需要將大多數或全部托輥更換為單向托輥，而單向托 輥是非標準產品，價格較高，使用壽命短，一次性改造工程量大，且長期投 資也較大。 第二類采用抓捕原理的方法又可分為兩種。其一，主要是在膠帶上、下 側設置抓捕裝置，并配上傳感裝置、清煤裝置和抓捕裝置等組成抓捕器，當 膠帶斷帶時，膠帶上、下側的抓捕裝置動作，把下滑皮帶緊緊抓住。一般選 用電機、液壓執(zhí)行元件驅動，在井下各種電器設備

23、還要考慮防爆等問題，因 此該設備造價昂貴，投資較大，工程量大，維護煩瑣，很少在煤礦生產中應 用，而且常常發(fā)生誤動作，比如，在井下惡劣的環(huán)境下，傳感器常常失效， 若在正常的情況下傳感器給出斷帶信號，則產生誤動作，影響生產；一旦事 故發(fā)生，沒有檢測到，抓捕將失敗。其二，是利用皮帶斷帶后下滑或逆轉來 觸發(fā)相應的抓捕機構制動下滑的皮帶。 利用這種原理的設計方案僅國內就公 布了十余項專利，但是實施起來均有很大的困難。 1.4 本設計研究的主要內容 本設計對帶式輸送機的斷帶進行了分析， 結合現有帶式輸送機斷帶保護 裝置，設計了偏心輪夾緊機構，整個系統(tǒng)由偏心輪機構、液壓泵站、單片機 檢測控制系統(tǒng)組成。 應用

24、速度傳感器與單片機對帶式輸送機斷帶進行動態(tài)檢 測控制，從而通過設計的液壓系統(tǒng)控制偏心輪夾緊機構，盡可能有效及時地 進行斷帶保護。 2 夾緊機構的設計 2.1 斷帶的原因 從目前大量的帶式輸送機斷帶事故分析可知， 帶式輸送機斷帶原因大概 有以下幾種。 (1) 齒輪減速器損壞，液力耦合器噴液或電動機逆轉。 (2) 輸送帶接頭質量問題。輸送帶接頭分為機械接頭和硫化接頭，機械 接頭的質量遠不如硫化接頭，所以現在已很少采用。就硫化接頭而言，如果 未按要求控制硫化溫度和硫化壓力，溫度和壓力在硫化板上分布不均，溫度 和壓力的保持時間設定不合理，采用不合理的材料等對硫化工藝均有影響。 (3) 運輸中因其它東西

25、卷入而引起運輸載荷突然增加。 比如大塊矸石或 其它質量特別大的物體突然混在正在運輸的煤中。 (4) 啟動和停車時應力變化大。 帶式輸送機的啟動和停車也會造成輸送 帶斷裂，一般最好在空載下啟動輸送機。 (5) 輸送帶自身質量不過關，輸送帶服務年限過長，輸送帶長時間超負 荷運輸，日常維護不到位。 (6) 物料分配不均，輸送帶跑偏。帶式輸送機有空載段和超載段，使輸 送帶受力不均。 為了防止由這些原因引起的斷帶事故，除了進行人為的檢修和維護外， 在輸送機沿線上布置斷帶保護裝置尤為重要。因為它可以避免突發(fā)事故，隨 時處于待命狀態(tài)。在輸送帶正常工作時，它不影響物料運輸，當斷帶事故發(fā) 生時，布置的斷帶保護裝置便馬上動作，迅速抓住斷裂下滑的輸送