浅谈煤矿井下皮带机制动系统的智能化改进与设计(许良志)

浅谈煤矿井下皮带机制动系统的智能化改进与设计

许良志黄儒林

（安徽神源煤化工有限公司邹庄煤矿，安徽淮北 235123）

摘要：本文浅析井下皮带机在停机过程所存在的问题、皮带机制动装置类型与作用、制动装置的选择使用，以及智能制动系统的设计与应用。

关键词：煤矿井下；皮带机制动系统；智能化；改进

引言：皮带机在煤矿井下应用的比较多而广泛，它的传动则是通过驱动装置驱动滚筒与胶带之间的摩擦力传递的。伴随胶带的移动，物料就会从一端输送到另一端。该类输送机与其它类型的输送机相比，具有噪音小，耗电少，自重小，可有效提高输送速度的效果。缺点是不耐冲击。皮带机的制动装置上闸的延时时间很短，以较高的速度强行上闸时便会产生强烈的冲击，从而损伤机械部件或引发机械故障。如果停机上闸发生的断轴事故，其所造成的经济损失就大了。为解决这一问题，需要研究一种新的皮带机制动闸投入方案，使其具备定时上闸与测量带速上闸的双重功能，从理论上讲是能够有效避免因停机上闸而引发的机械事故。以此同时，随着国家对煤矿安全生产管理的规范，必须要求工作人员及时查询现场设备的安全测控信息，以掌握其可能实现的制动效果。近年来，国内专家对煤矿皮带机的关键技术进行研究，并开发了一些新产品。总体研究的结果是：与国外相比，机型偏小，带速普遍较低，但仍延用以往的静态设计法，主要用加大输送带安全系数的方法来提高其可靠性，使元器件的使用效果和寿命都有较大幅度的提高。

1 井下皮带机在停机过程所存在的问题

煤矿正常使用的皮带机，在停机过程中，只要按下停机按钮将电源断电即刻，经过短暂延时后工作闸断电上闸，带速在大约2.2m/s时闸瓦就已接触到了制动轮，实现制动。这样对机械部件造成很大的冲击。制动过程中，有时因延时不准而造成工作闸上闸过慢，发生逆转使机械式逆转保护器动作造成安全闸断电上闸。在出现事故需紧急停机时，只要扳动急停开关，主电源就断电，从而造成皮带机的所有制动器断电，工作闸和安全闸也同时上闸，闸死胶带机不运转。（1）上闸控制系统的问题。这种上闸控制系统中，原有的继电器则定时限延时上闸，

以致造成停机后的上闸时间固定，不能随运煤量的大小来改变，再加上机械式时间继电器延时不准（为安全起见，常将延时时间定得非常短），结果造成皮带机重载下正常停机时在较高的速度下强行上闸，其所产生的强烈冲击也会严重损伤机械部件或直接引发机械故障。（2）逆转存在的问题。煤矿井下环境条件恶劣，机械式逆转继电器很容易受环境等多种因素的影响，再加上是单个设置的，不能做到绝对的可靠。有的就曾发生过严重的逆转事故，从而造成了主电机烧毁、减速机损坏、巷道严重受损等，形成的经济损失很大。

2 皮带机制动装置类型与作用

1）制动装置类型。煤矿井下皮带机的制动装置，主要有逆止器和制动器两种。逆止器则是供向上运输的皮带机停车后限制其输送带倒退。而常见的有塞带逆止器和滚柱逆止器。制动器是供皮带机停车用的，它又可分为闸瓦制动器和盘式制动器两种。

2）逆止器的制动作用。井下最常见的逆止器则是塞带逆止器，该类逆止器结构简单，容易制造。在皮带机输送物料时，制动带则不起制动作用；皮带机倒行时，在摩擦力的作用下，此时制动带被塞入输送带与滚筒之间，因制动带的另一端是固定在机架上的，所以制动带与输送带之间的摩擦力能制止输送带倒行。但是，塞带逆止器有个缺点，那就是必须倒转一段距离才能制动，它一般只适用于功率不大的皮带机使用。而对于滚柱逆止器，其星轮装在双端输出减速器的外端，与输送带滚筒作同向旋转。皮带机向上运输时，星轮切口内的滚柱位于切口的宽侧，不妨碍星轮在固定圈内转动；一旦停车后输送带倒转时，此时星轮反向转动，滚柱被挤入切口的窄侧，当滚柱越挤越紧时则就将星轮楔住了，滚筒也被制动不能倒转了。

2）闸瓦制动器的制动作用。对于闸瓦制动器，通常都采用电动液压推杆制动器，其制动器装在减速器输入轴的制动轮联轴器上。当闸瓦制动器通电后，由电液驱动器推动松闸，失电时弹簧则抱闸，制动力也就是由弹簧和杠杆加在闸瓦上形成的。闸瓦制动器的结构非常紧凑，但制动副的散热性能却不好，一般不能单独用在下皮带机上。

3）盘式制动器的制动作用。对于盘式制动器，它是安装在电动机与减速器之间的一套制动装置，由制动盘、制动缸和液压系统所组成。而制动缸活塞杆端

部装有闸瓦，一般制动缸成对安装在制动盘两侧，闸瓦靠制动缸内的碟形弹簧加压，主要用油压松闸或调节闸瓦压力。液压系统则是由电磁比例溢流阀按控制信号调节进入制动缸的油压。盘式制动器的制动力矩是可调的，制动副的散热条件比闸瓦制动器要好的多。

3 皮带机制动装置的选择使用

煤矿井下使用的皮带机，其在制动器的选择使用上，一般应考虑以下问题：

1)克服惯性。由于皮带机在起动、运行、停车制动时，都具有机械惯性特性。制动器通过克服皮带机的机械惯性才能够准确的停车。由于制动力矩和电机力矩的作用及性质不同，因而制动器的选择使用不应根据电动机的功率进行配备。对于制动器的制动力矩只要能克服机械惯性力，就能使皮带机由额定带速逐渐减速停车。

2)大倾角运输问题。倾角较大的运输皮带机停止供电时，胶带则会发生逆转。为了制止这种逆转，现在的上运皮带机大多采用逆止器来克服逆转力矩，以防止下滑。

3)大型皮带机要求平稳起动制动。一般制动停车时减速度大小为：a=-(0.1～0.3)m/s2。如果是采用制动停止的皮带机，因停车的减速度大小与制动器力矩大小成正比关系。制动力矩过大，减速度就过大，制动时间过短，也容易引起胶带振动，设备运转还不稳定，甚至皮带可能在传动滚筒上打滑，甚至机件损坏等。根据这些因素，在制动器的选择上应根据各皮带机的具体情况进行计算。正常情况下，皮带机在停车制动时，是由主电动机断电数秒后才给制动器上闸的。假如是上运输送机，当主电动机断电后会引起皮带倒转，但采用制动器作为逆止装置时，不宜全部延时制动，应先将工作制动器上闸，以给出所需制动力矩较小时，即可上安全制动器来制动。

4 智能制动系统设计与应用

1）方案的设计。①主体方案。鉴于单片机具有体积小、功能强、灵活方便等许多优点，因此根据以往制动闸测控系统中所存在的问题，则可以采用单片机组成的皮带机测控方案。即利用单片机组成的控制系统来处理光电编码器变换过来的转速信号，然后再利用单片机的输出信号去控制继电器输出，从而达到根据带速发出适时上闸指令的要求，并能设置逆转保护与机械式逆转保护的并联作

用。同时，还能利用数显式时间继电器完成各种时间参数的相互配合，使整个方案可以做到双重化设置，其可靠性更高了。按此要求所设计的原理流程图，见如图1所示。②测速控制方式。该控制方案用跳闸继电器、真空接触器、延时继电器、中间继电器来组成定时上闸控制电路，其编码器连同其它部分组成测速上闸的单片机系统。这里利用了光电轴编码器输出的A、B两相信号来完成对带速以及皮带是否倒行的检测。假如工作闸出现故障，那么在第一时间内没有闸住皮带，以致皮带发生了倒行，此时单片机会根据判向电路的信号使安全闸动作，从而避免事故的发生。其单片机根据测得的带速与设定的告警值，通过比较来决定是否上闸，这样有效克服了传统的定时上闸的盲日性。在此基础上，为进一步提高可靠性，可采用定时主闸系统与测速上闸系统相互配合，从而做到重载时测速系统上闸，轻载时定时系统上闸，并且定时时间可以根据输送量的大小而变化，做到跟随调节。③功能与效果。装置具有定时上闸与测速上闸双重功能，其定时上闸只作为后备。而在定时上闸控制中，当按停机按钮后，跳闸继电器得电，使高压真空接触器跳闸，常闭接点闭合，其数显延时时间继电器得电，于是延时后接点闭合，从而使中间继电器得电，同时发出上闸的指令。此测速上闸系统采用双重设置，它由光电轴编码器采集转速信号，输出信号经判向电路后，再进入测速系统。测速单元输出信号控制输出继电器，再由输出继电器控制中间继电器，发出相应的上闸指令。测速上闸系统的双重设置，也就是在皮带机机头的两端各安装一套8051测控系统，这样可以保证当一套系统发生故障时，另一套系统仍能保证安全可靠地上闸。系统通过定时系统与测速系统的可靠配合，并通过灵活多变的数字显示可为工作人员提供良好的人机界面，从而大大提高了系统的工作效率，并实现了煤矿皮带机的安全与智能化运行。

2）应用效果评判。本方案设计方案在某处运行证实，其基本与设计目标要求一致。通过具体测试，部分数据如下，其基本为正常状态的结果：①轻载时带速与时间：稳定运转带速：3.5m/s；定时6s上闸状态：带速：1.2m/s：上闸时间：6s。①重载时带速与时间：稳定运转带速I：3.2m/s；智能制动上闸时的状态：带速I：0.5m/s；上闸时间：4s。此制动方案时，皮带机抱闸时速度由原来的2.3m/s 左右降到了0.4m/s左右，从而大大降低了对胶带及制动闸的冲击性。除此之外，由于具有良好的人机界面，现场操作更加方便。采用此设计方案，皮带机的人工机械制动变成了智能化制动，比较适应了新时代发展的要求。

结束语：通过对原皮带机制动系统中采用的同定延时上闸方式的弊端，改进设计采用了测速上闸方式，它能够根据带速的大小上闸，从而避免了上闸产生的冲击及其对设备的危害，并实现了智能化在皮带机制动系统中的应用。

参考文献

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