双层液压断带保护装置的设计与应用

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在目前的煤矿生产作业中.带式输送机是重要的运输设备.为满足不断发展的高产、高效矿井的生产需要，带式输送机正向长距离，大运量，高带速，大倾角方向发展。由于长期大运量.高负荷的运行和-些意外因素，金属物、矸石、皮带接头疲劳，都会造出皮带突然断带、断裂，尤其是大倾角的皮带运输机，-旦发生断带就会造成重大事故，甚至人员伤亡，后果极其严重。

煤矿安全规程明确规定：皮带运输机必须加装各类保护装置。”1.2 带式输送机断带分析皮带机主要用于主井提升和主运输巷道。其断带的原因主要可归类为过载或是在启动、急停时出现压死引起的接口疲劳，极少部分为皮带内在质量。

1.3 国内断带抓捕器现状目前国内生产的断带抓捕器都是采用抓捕器的契形块通过胶带在下滑过程中反向运动对输送机胶带两侧进行制动保护.每隔数十米安装-台。-条皮带机需要安装几十台，安装不方便，而且胶带的柔软性好 ，断带抓捕器在抓捕过程中很容易从契形块中挣脱出去，-旦抓捕不牢，则造成全部崩溃。

2 双层液压断带保护装置的设计2.1 抓捕方式的确定图 1如图-所示 .正常提升时.因张紧力较大所以胶带在两托辊间近似认为是平的。但当出现断带事故后，胶带张紧力消失，而且输送带具有柔性，从而在两个托辊之问必然呈凹状 ，在断带情况下.对于上运带来说，下滑胶带属于从零速度逐渐加速下滑 ，对于下运带来说 ，下滑胶带属于从正常运行速度的基础上逐渐加速下滑，由于煤与输送带具有摩擦力，下滑速度在-定范围内两者基本是同步运行.但当下滑速度越来越快时，皮带上煤则具有如图向上抛，从而会形成抛物线形式 ，即在横向上具有向上运动特性 。所以断裂的皮带和煤在下滑过程中，都存在上下波动。根据以上分析，设计成整体式抓捕结构可以瞬间制动，且不受输送带波动的影响。

2.2 双层液压断带保护装置抓捕机构的设计原理及受力点分析为了将克服下胶带面在断带中带来的负面影响 .本装置设置有上制动和下制动装置，液压缸 1控制上制动装置动作，液压缸 2控制下制动装置动作，能将输送带上运胶带与下运胶带同时制动。抓捕机构全部采用可拆卸整体式凸轮结构设计。

上横曩断带运行方向变形受力图2 抓捕机构示意图当输送机胶带发生横向断开时，处于上运胶带立刻反向滑行，而下运带则加速滑行 ，速度传感器-旦逆转超出设定值或下运带超出滑行速度则发出指令 ，电液换向阀得电.阀芯动作，液压缸向右推出带动制动横梁～输送带托起与上横梁形成反锁倾角，夹缀带滑行。所以上横梁越靠近右端.自锁越良好，但是克服(只有变形的余量越小)零部件变形的能力就越小，选取-个合适的比例就能兼顾两个方面。如何选取-个合适的比例非常关键 ，如图(三)所示是 solidworks对本装置受力点状况分析图。

图 3图(三)是制动横梁受到-个固定力时对轴与横梁所做的受力分析。当轴与横梁选取的位置不同时。受力也会不同。当轴中心距离最右端面 700mm处时，选择安全系数是 2.其最胁全系数是 0.00076。当轴 中心距离最右端面 600mm处时，其最胁全系数是0.0011，当轴中心距离最右端面500mm处时，其最胁全系数是 0.00066。因此选择轴 中心距离最右端 面600mm处时的位置比较合适 ，在最大安全系数相同的情况下。

2.3 双层液压断带保护装置液压系统的设计(1)设计要求。本设备为煤矿主斜井断带保护装置，如果1252013.NO.10Journal of Henan Science and TechnoLogy 机械 与 自动化意外发生断带事故，本装置靠速度传感器给出动作电信号，使得液压缸迅速动作，推动转动的制动块在两秒内完成制动。预选两液压缸内径 100ram，活塞杆径 55mm，工作压力 8.4MPa。要求两套方 向阀分别控制 上下两 油缸 ，两油缸行程分别为450ram，300mm。用差动回路或用蓄能器快速制动，时间越短越好。

图 41.油箱 ；2.空气过滤器；3.电磁卸荷阀；4.吸入过滤器 ；5液压泵；6.电机 ；7.油位温度计；8.单向阀；9.安全球阀；10.蓄能器 ；11.压力表 ；12、15电液换向阀；13.液压缸-；14.液压缸二；16.压力变送器根据液压系统所控制抓捕器机构的设计要求 ，由于两只液压缸要求迅速在 2s内伸出，普通单级的DN10通径以下的液压方向阀不能满足此要求，因此拟采用两只电液换向阀分别控制两只液压缸动作。

由于液压抓捕器不是连续工作的机构 .只是在皮带发生断带时，通过传感器发出电讯号才动作的装置，液压泵源将长期处于不工作的状态下。因此，液压泵不需要长期工作，以便节省能源并延长液压泵的工作寿命。自然，电机也不需要通电工作。而且，当抓捕器在得到讯号需要启动液压缸夹紧皮带时，动作迅速，而液压泵的启动与升压需要-定的时间，根本满足不了迅速升压 向系统供应-定压力的压力油要求.也就无法由泵与蓄能器同时向系统供油。因此 ，可以得出结论 ，抓捕器夹紧皮带时，只能由液压蓄能器单独向两只液压缸供油。

为了蓄能器充油与维护的需要 ，在蓄能器的进口安装-只安全球阀，即能达到开关蓄能器进油口的目的，又能起到安全保护蓄能器的作用。

因为液压系统正常的工作压力范围在 14MPa-16MPa之间，属于中压系统，为了使泵在空载下启动，在液压泵的出口设计-只电磁卸荷阀，此阀的作用是在泵启动时，电磁铁并不通电，处于压力卸荷状态，电机与泵为空载启动，启动电流较小，起到保护电机的作用。当电机转速稳定后，启动正常，电磁铁通电，溢流阀起作用，泵出口的压力逐渐升高，达到蓄能器的充液压力后 ，才向蓄能器充液。

液压泵出口处的单向阀起到正向供油，反向截止。防止蓄能器的高压油反流入泵 ，引起泵的反转破坏。

压力变送器的作用是为了防止液压系统在长期工作情况下，由于液压系统不可避免的内部泄漏 ，蓄能器的压力会出现逐渐降低的现象，为了保证蓄能器正常工作压力。而设置的。当蓄能器出口的压力降低到-定程度时，压力变送器发出电讯号启动油泵电机.向蓄能器补油，当补油完成 ，压力达到额定工作126压力后油泵电机停止工作。

2.4 PLC控制方式及可靠性分析当带式输送机胶带-旦反向滑行时，监测装置将感应信号传送至PLC，再由PLC发出指令控制电磁阀动作，从而控制液压缸迅速进行制动，由于液压断带保护装置采用电控装置 自动控制、多点监测(有速度传感器和行程开关)，即使在无人值守的情况下，也能实现断带保护，大大提高了安全及可靠性。

3 液压断带保护装置的应用现以ZDB-400/120带式输送机用断带保护装置为例进行分析。

3.1 已知参数输送机长度 ：L1200m 带宽 ：B1200mm 制动力 p-400KN。

3.2 安装台数及位置的确定根据对煤矿断带事故发生的调查及受力分析显示，输送带断裂-般发生在离传动滚筒较近的位置，其断裂处99%发生在输送机运输总长的-半(距传动滚筒中心)以内，以传动滚筒中心为起点，距 150m处安装-台保护器，安装方式见表 1。

表 1输送机长度 L≤450 450 L≤800 800(L≤1200安装台数 1 2 33.3 1200米高强度皮带计算输送量 ：1000t/h；带速 ：3.15m/s；倾角：20。；长度 ：1200m；矿用钢丝绳芯阻燃输送带 ，型号：ST2500；带宽：1200mm。

每米物料 的重量 ：lO00t/h3600s/h÷3.15m/s×1000kg/t88.18Kg。

在不考虑任何下滑阻力的条件下每米最大下滑力 f：Fmax(88.1 836.8)xsin20。42.75Kg/m。

当出现断带时.由动载荷计算公式，qP(1a/g)/LP(19.8/9.8)/1.21.67P。

式 中：q-动载荷 ；P-总下滑力 ；L-带宽 ；a-加速度(9.8m/s"2)；g-重力加速度(9.8m/s2)。

断带后所需制动力为：F断带502.7x21005.5KN。(取 2倍安全系数)由表 1可知 1200米输送机选用3台保护器，因此单台断带保护器制动力F单：F单1005.53335.2KN<400KN。符合要求。

3.4 当输送带断带且立刻被制动住，建立力学模型(b)(8)图 5 受力情况机械与自动化2013.NO.10Journal of Henan Science and Technology把机体看成整体时，受力情况如图(五)所示。

(1)机架抗弯强度计算1)制动横梁正应力强度计算(如图 b所示)。

制动横梁截面积为 0.03 ，选用钢 Q235A，许用应力101a's/ns240/1.5160MPa(ns为安全系数)，由式 盯P/A，得抗压强度 cr394KN/O.03id13.1MPa<160MPa，符合要求。

2)支腿抗弯强度的计算如图所示，当制动装置将断裂胶带制住而处于平衡状态时.由平衡方程有∑M0 MDMBMC-MF0由于 MDqL1H1 MBqL2H2 MCqL2H3 MEFH4P2P整理得，q192KN，MD148KN，MBMC286KN。

经分析，前、后支腿的受弯曲应力相等且最大，所以只需计算前、后支腿的抗弯强度。

由于每条支腿 由两条 25b槽钢组成 ，其截面系数为 2×282cm 3，许用剪应力 T为许用应力 的 0.6倍 ，即 160x0.696MPa。得出：TMB，WX286KN.rd2x282cm 350.7MPa单支腿为50.7/225.35MPa<96MPa，符合要求。

4)制动横梁支承轴的剪切强度的计算轴的剪切力等于制动横梁正应力 F1Fxsin80。394KN由于轴是对称布置，则轴-端承受的力为 P1/2197KN，轴的截面积为 "rd 3.14x0.055 20.0094m2，由式 crP/A得，rQ/Al97KN/0.0094m221MPa。

选用 45号钢 ，许用应力[r]crs/ns355/1.5236.6MPa(ns为安全系数)，许用剪应力 T为许用应力[ ]的 0.6倍 ，即 236.6x0。

5)螺栓选用计算由受力图(a)可知，当制动平衡时，上横梁受到正压力 N2，N2NIF1xSIN80。

(2)油缸的校核上油缸用于提升上制动横梁及20米内的胶带和物料重量 。而下油缸用于提升下制动横梁及 20米内胶带重量，所以油缸主要克服制动横梁的重力、胶带和物料的重力及活动关节的摩擦阻力 ，制动横梁从水平位置被提升时其拉力最大，制动横梁由水平位置被提升至40。时，活塞杆承受的弯矩力最大 ，油缸的拉力为重力加上摩擦阻力，由 fuG，U取 0.1，得出：上制动横梁的重力 G1为 377KGx9.83694.6N。

在 20。坡时 G物20x每米胶带物料 自重xcos20。20x(88。

在 2O。坡时 G物20x每米胶带物料自重xcos20。20x36.8xcos20。667Kg6777.8N。

根据杠杆比原理，上油缸活塞杆受到的初始拉力为 F2(G1G物摩擦 阻力 )x(L1/2)/300(230303694.62672.5)X(952/2)/30046643.4N。下油缸活塞杆受到的拉力为 F3(G2G物摩擦阻力 )×(1L1，2)，200(6777.82940971.7)x(694/2)/20018546.3N。

预选油缸内径 qlOOmm，活塞杆 55mm，则上油缸有效面积为 A1订fD -d2)/454cm ：下油缸有效面积为 A2rD'2/478.5cm"2：上油 缸活塞杆行 程为 3.14x2x300x80。/360。

418mm0.418m：下油缸活塞杆行程为 3.14x2x200x80。/360。

由于油缸要求在 2s内制动，所以油缸完成制动行程必须大于 2s，预设油缸完成制动行程为 1.5s，则上油缸活塞杆速度为0.418x60/1.516.72m/min。下油缸活塞杆速度为 0.279x60/211.16m/min。

2)抗弯强度的计算TM/W F2xL1/W 46643.4NxO.23m/0.0163m 3：6.58MPa<142MPa。

L1-制动横梁在提升至40。时活塞杆伸出液压缸的长度 ：w-活塞杆抗弯截面模数。

3)油缸压力的计算几何流量(L/min)[有效面积(cm2)x活塞速度(m/min)/10。

上油缸流量4x16.72)/1092.88Umin：下油缸流量f78.5x11.16)/1087.6L/min。

上油缸液压功率热 当量46643.4Nx16.72m/rain780KJ/min：下油缸液压功率热当量18546.3Nxl1.16m/rain207KJ/min。

由公式液压功率热当量 (KJ/min)流量 (L/rain)×压力(1f'5Pa)/10，得：上油缸压力(780x10)/92.8884xl###5Pa8.4MPa：下油缸压力(207x10)/87.623.6xlf'5Pa2.36MPa4 结论与建议首先感谢焦作市新立康输送机械有限公司能够给我提供这样-个平台，使我对液压断带保护装置从理论数据的研究到实践应用得到充分的认识」作市新立康输送机械有限公司是- 家专业生产和开发胶带输送机的厂家，公司新开发的附属产品-液压断带保护装置.作为煤矿井下带式输送机配套使用的- 种保护装置 ，对矿井的安全保护和预防具有非常重大的意义，它保护着人民的生命和财产 ，减轻事故造成的影响，同时还是-种辅助工具。应广范推广使用。