矿用带式输送机胶带收卷装置的设计与研究

孙 冰

（晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司， 山西 大同 037000）

引言

在物料输送领域，以带式输送机、斗式提升机和螺旋输送机为代表的机械设备在物料运输和人员及设备搬运过程中发挥着重要的作用。近年来，随着煤矿建设机械化进程的发展，带式输送机已经成为目前国内煤矿普遍使用的一种物料输送设备。带式输送机在长时间运行过程中胶带非常容易造成表面磨损和内部钢丝绳的断裂，导致皮带承载能力下降，引起断带事故[1]，根据煤矿安全操作规程和设备运行维护规程相关要求，需要对胶带进行定期更换。

传统的换带过程主要是由人工进行，通过大量的人力抽出旧带并安装新带，整个过程需要的人力比较多，工人劳动强度比较大，同时由于采用人工在换带的过程中非常容易造成人员伤亡事故[2]。为此，对带式输送机胶带收卷设备以及控制系统进行相关的研究具有重要的意义[3]。

针对传统的人工换带主要是采用电动机进行收卷或人工收卷存在卷取不完全、收卷不及时、卷带效率低等问题，本文采用模块化和集成化理念设计了一种带式输送机卷带机；卷带机随着半径的增加，卷带过程中会出现张力不稳定的情况，影响卷带机的正常工作，为此对卷带机收卷控制过程进行了相关的研究。

1 卷带机结构设计与参数化建模

根据煤矿井下带式输送机的实际应用工况，要求胶带的收卷装置满足以下的设计要求：自身结构简单，体积尽可能小，能够适用于煤矿井下不同运输系统的卷带需求；卷带装置结构需要满足井下防爆、防尘、防潮湿等要求，以及煤矿井下特殊的环境要求；结构设计需要考虑充分的维修空间，便于工人进行维修更换易损件；能够满足煤矿带式输送机的卷带任务。

根据胶带自身的结构特点，利用SolidWorks 2019 设计了卷带机各个零部件结构并进行了总体装配，设计了如图1 所示的带式输送机胶带收卷装置，其主要包括驱动部分和执行部分。

图1 胶带收卷装置结构组成示意图

如图1 所示为胶带收卷装置结构示意图，卷带机主要由轴承座、卷带芯轴、机架、卸荷辊、减速器等部分组成，其中通过电动机驱动减速器和齿轮传动系统，卷带芯轴转动将输送带收卷在芯轴上，结构简单，卷取量大，能够根据需要收卷胶带的长度自动调节容带量。

2 卷带机收卷过程分析

通过电动机驱动减速器和传动系统，将动力传递给芯轴，芯轴转动将最初卡在芯轴上的皮带收卷，随着芯轴的转动皮带的缠绕层数会逐渐增加，随着层数的增加导致缠绕芯轴直径增大，而芯轴的角速度恒定，根据速度公式，将会导致线速度增加[4]，对于胶带柔性件而言就会出现胶带的张力变化，在缠绕初期比较紧，缠绕后期将会出现松带，尤其是当层数增多时将会导致卷带机胶带的张力波动，为此对卷带机张力控制进行研究。如下页图2 所示为设计的芯轴夹紧机构示意图。

图2 芯轴结构示意图

卷带机收卷过程为：电动机将旧胶带在芯轴上缠绕，等到输送带在芯轴上成卷后，将棘轮机构中的棘爪与棘轮分离，伸缩板会由于拉伸弹簧作用缩回至卷轴筒，将夹紧的输送带松开，然后旋转卷轴，由于存在一定楔角，当转动一定角度后芯轴会自动与输送带分离，此时将卷轴抽出即可。胶带本身属于刚柔结合体，外层为橡胶层，内层为钢丝绳，在实际卷取过程中需要比较大的卷曲力，随着卷带层数的增加，直径会越来越大，外围线速度会增加，导致胶带张力不平衡，易对芯轴产生冲击，为此需要对卷带机胶带张力进行控制，实现恒速卷带，保证卷带过程的平稳性。

3 芯轴缠绕胶带张力抑制研究

卷带机胶带受到直径的变化造成输送带张力的波动，为了分析卷带机胶带收卷过程中的动态张力，利用计算机仿真模拟软件搭建仿真分析模型。首先对卷带机收卷过程进行了模型的简化，对卷带机整体结构进行分析，搭建了如图3 所示的卷带机仿真分析模型和配套的电气控制系统。

图3 卷带机数值模拟仿真分析模型与配套电气控制系统

如图3 所示卷带机主要由输送带、导向托辊、卸荷托辊、卷带芯轴、张力检测传感器、纠偏托辊等部分组成，通过在仿真模型中添加驱动和运动副实现各个模块的相对运动。卷带机的控制系统是包括了三相异步电动机、变频器、PLC 控制器、显示器模块和传感检测模块组成，传感器主要包括有张力检测传感器和压力检测传感器，张力检测传感器主要布置在辊轮的两侧，通过实际输送带对辊轮的压力间接测量出输送带的内部张力，压力传感器主要布置在卸荷辊轮弹簧的下方，主要用于测量收卷半径引起的实际线性张力变化，最终利用PLC 控制器处理后，控制变频器对三相异步电动机进行了PI 控制。显示模块通过与传感器连接，最终显示张力和实际张力的变化曲线，设定参数后进行仿真分析，可以得到如图4 所示求解曲线。

图4 速度张力仿真分析结果

如图4 所示为仿真得到的结果可以得出：在初始状态时胶带张力为0，随着电动机驱动芯轴角速度逐渐增大，收卷张力开始从0 增大到预定的收卷张力值，在仅仅0～4 s 时出现超调与波动，最大的波动幅值在第2.5 s 时，超调增幅为9.2%，随后快速稳定在张力值5 N。通过速度曲线可以看出，角速度随着收卷层数的逐渐增加，角速度呈现出逐渐减小的趋势，主要受到收卷层数的增多导致半径增大，旋转速度相对会降低。当运行在第18 s 时，受到下方辊轮的作用产生突然的无规律性波动，此时的张力出现迅速波动，张力的突变会触发张力检测传感器，最终实现快速停机，避免过载造成电机发热过大甚至烧毁电动机，从而实现对电动机的过载保护。

4 结语

为了解决当前煤矿带式输送机在实际换带过程中存在的工人劳动强度大、生产效率低、耗费时间长、劳动力成本较大等问题，本文设计一种用于矿用带式输送机卷带机，包括对卷带机的总体方案设计，对控制系统进行了研究和仿真分析，最终实现卷带过程高效作业。现场应用表明：该套卷带机可以代替人工完成长距离输送带的收卷任务，收卷过程平稳高效；采用该套卷带机可以将卷带时间缩短，证明了本套方案设计的合理性和可行性，具有一定的经济价值。