１ 绪论
1.1引言
皮带运输机又称带式输送机，是一种连续运输机械，也是一种通用机械。工作过程中噪音较小，结构简单。皮带运输机可用于水平或倾斜运输。皮带运输机由皮带、机架、驱动滚筒、改向滚筒、承载托辊、回程托辊、张紧装置、清扫器等零部件组成．
随着带式输送机技术的不断完善与发展,带式输送机己经成为散体物料的主要运输工具之一，因其能实现物料的连续装卸运输而且运输距离长、输送能力大、电耗低、投资费用相对较低以及维护方便等特点,而广泛应用于港口、码头、冶金、热电厂、露天矿和煤矿井下的物料运送。
然而作为煤矿运输系统中的关键设备,在使用过程中由于胶带各点的受力不均,滚筒转动不灵活等原因，胶带易发生跑偏及打滑、断带等事故。一旦发生断带故障时，由于重力和惯性的作用,断裂的胶带将与胶带上的物料一同迅速下滑将胶带和物料一同堆积在输送机的下方机头处，给带式输送机的修复工作带来很多的困难,带来较大的经济损失。带式输送机的横向断带事故时有发生。下面列举一些资料中已公开的断带事故和统计数据。
（1）199４年5月20日和7月３1日。山东省七五煤矿３30采区钢丝绳芯胶带输送机在正常生产运转中，连续2次发生断带事故,虽未造成人员伤亡,但每次均造成直接经济损失约9．8万元.间接损失达25０余万元。第一起事故，编号为88—12—８的硫化接头运行到胶带机头以下１50 ｍ左右一较大的变坡点处时脱落断裂。断后的胶带在载荷和胶带重力分力作用下，逐渐加速，飞速下滑，直至堆积到不能再下滑为止.下滑距离达500余米.胶带托辊支架冲击损坏150余架。托辊损坏６0余只。
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打毁架空乘人装置吊座20余架。第二起事故,编号为94-5—2的硫化接头运行到胶带机头以下约200 m处发生脱落断裂.胶带下滑距离达5５０余米,情形与第一次事故基本相同．
（2)淮北矿业集团公司朱仙庄煤矿，随着机械化程度的逐步提高，原煤产量也逐年增加，目前已超过170万t／d，而8５%以上的原煤需要强力输送机来运输。1996年以来朱仙庄煤矿陆续安装并投入使用了5部ＳＴ型钢丝绳芯输送机,输送机胶带总长达到１3200 ｍ.随着输送机胶带服务年限的增加,出现了不同程度的老化现象,致使输送机胶带覆盖层与带芯之间粘合强度下降.2002年底连续发生５起输送机胶带接头拉断事故,直接影响了全矿的安全生产。
(３）大同煤矿集团公司现有主提升斜井胶带输送机１2部，暗斜井主运输胶带输送机11部；斜井坡度为14～1６度,胶带宽度１~1。4 m、机长４00～11０0 ｍ。从1989~199５年，有7部主斜井胶带输送机发生断带事故，共影响生产近400 h，影响产量达30万吨.断带事故不仅影响了生产和经济效益，还严重破坏了井下装备,甚至威胁到职工的生命安全。
(4）平顶山矿务局至19９6年有l7台钢丝绳芯胶带输送机在运行,其中有SQＤ-４40型上运大倾角胶带输送机、STＪ/4X28０5型钢丝绳芯胶带输送机（运量达1000ｔ/h)等等。共有10个矿使用钢丝绳芯胶带输送机,其中有8个矿发生过断带事故。发生断带事故的胶带输送机占总数的5８。82%。据不完全统计，截止1９9５年８月,全局共发生钢丝绳芯胶带断带事故16起,累计影响生产时间1706.2 h，影响产量20余万吨.其中15起断带发生在接头处,占断带总数的9３.75%。
以淮北矿务局某煤矿为例:该矿日产量在5000 t以上，一个采区的日产量也有2０0０ ｔ,停产1d,就会造成10０余万元的经济损失，若断带后皮带推倒皮带架子,损坏设备，将产生更大的经济损失,更严重可能引发人员的伤亡事故,将会给煤矿安全生产带来更大的负面影响。
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目前国内已有多厂家研制了胶带输送机综合保护器，它们可有效地实现带式输送机在运行过程中的部分故障保护，但还无法完成带式输送机断带、飞车保护，加之输送机的断带、飞车事故在煤矿、电厂、水泥厂工作中时有发生，因此这一问题急需解决。
1。2国内外皮带的研究现状
上世纪五十年代以来,从运输谷物的帆布、木支座运输机到现在钢丝绳牵引运输机、波状挡边带式输送机、斗式等各种输送机，带式输送机技术得到了飞速发展。带式输送机不但在各大零部件的结构，性能以及整机管理方面有了很大的改善和提高外，在起制动动态特性的研究方面也有了重大突破,如德国、澳大利亚、美国、波兰、南非、日本等，相续对此进行了大量的理论和实验研究，在动态研究分析领域采用粘弹性流变力学理论对系统作了更接近于实际的假设分析,澳大利亚还对胶带横向振动问题进行了深入的研究。
2０世纪6０年代,前苏联在简化的力学模型上提出了第一个带式输送机非稳定状态运行期间动态分析的计算公式,1973年形成了动态分析方法,并开始实际应用。198４年3月Haｒrisoｎ 的博士论文“动态测量与钢丝绳芯带的分析”,论述了输送带弯曲理论和带式输送机起、制动时瞬时弹性力的分析方法。1984年，美国的 Noｒｄｅll 和 Goｚda 发表了第一篇关于质量－-弹簧模型的论文,题目是“起、制动时的瞬时张力和有限元法仿真弹力特性”。在国内,由于缺乏大型带式输送机的设计和使用经验,动态分析研究起步较晚。从80年代初，我国逐步进行了带式输送机动态特性研究，进行了带式输送机受料处的动载荷的研究；进行了输送带和带式输送机的动力学模型的研究；进行了带式输送机胶带的粘弹性及整机运动的动态过程的研究;进行了带式输送机在起、制动非稳定工况下的动态响应的研究以及恒张力自动张紧系统等研究。
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尽管对输送机起制动问题目前以做了大量的理论和实验研究,积累了一定的经验,但由于各国研究的发展状况不同，应用的客观条件不同，技术本身研究的深度和广度以及数学分析处理方法的种种不足，仍未提出一种切实可行的,能满足工程设计要求的方法.如下：
（1）由于实际胶带的组织是复合材料组成的三向异性体，要准确地描述其粘弹性动力特性是很困难的,即使理论上可以采用较好近似程度的复杂组合模型，但模型参数的试验测定和动态分析也会变的相当复杂，有时甚至难以实现，目前的研究均按 Vｏgｉt 模型处理,且以ＩSO/DP98５６标准测试.
另外,同一型号胶带动态参数的离散性很大,加之托辊支座和物料的联合作用，给动态分析带来了更大的难度，我国胶带厂生产的胶带多数没有给出动态参数或没有进行这方面的测试，也给胶带粘弹性模型的建立与其相应参数的测定带来了一定的困难.
(２)输送机回转系统均简化为沿胶带长度方向的一维粘弹性杆或简化为二维、三维粘弹性体来分析研究,关于驱动装置的力矩传递特性的抽象简化,相当于分析动态回转系统的外加激励,但是对起动装置的动特性研究较少,另外驱动装置特性曲线的计算机模拟和驱动滚筒打滑状态的判断方面研究也很少，这是对整个系统的动态分析都会带来不利的影响。
(3）离散模型的电模拟法，连续模型的波动法，仅对胶带动态特性作了近似的反映,计算工作量大,分析过程复杂。
（４)动态过程的控制分析未能同系统动态分析结合起来,这样就将研究成果的应用范围限制的很小,无法实现任意带式输送机系统动态过程控制。
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（5)横向弯曲振动的研究到目前还没有一套工程适用的无共振设计方法或程序.
(６)目前仅能对任意点的带速、驱动系统、张紧系统的响应进行测试,不能对任意点张力进行动态测试.
为改善输送带的耐磨、抗冲击、防断裂、阻燃和抗静电等性能,其相关研究主要采取了一系列材料作为芯体(骨架层）的覆盖层或涂层。
部分文献报道如下:
（1)管状高耐磨输送带:安徽天地人（集团)股份有限公司提供的该产品以尼龙帆布、钢丝绳等构成的芯体为骨架，以高弹性、高耐磨、高强度橡胶为工作面组成新型运输物件，主要用于输送粉状、颗粒状等易污染环境的物料.产品具有耐屈挠，抗冲击,附着力高等优点。经测试和使用,其硬度为(邵氏A)65±5度，磨耗量不大于0.２cｍ3/1。61,弹性不小于30％，扯断强度不小于20MPａ,扯断伸长率不小于４50%，布—布粘着力不小于10N/mm，胶－布粘着力不小于６N/mm。
(2）CＯNVＥYＯR BELT EＸＣELＬENＴ IＮ ＰＡＲＴIAL WEＡR ＲESISTANCＥ AND IＴSＣOMPOSIＴION（ＰＮ：ＪＰ200２30８410 PD:２002．10.23 PA:WATAＮABＥ HIＲOＡKＩ)：日本专利JP2002306410涉及一种增强橡胶输送带局部区域耐磨性的方法。该专利在输送带两端设置覆盖层，覆盖层采用橡胶混合烃作为主要成分与碳黑合成而呈现胶状特性,以遏制输送带表面的磨耗。
(3）分层阻燃输送带(申请号:02２7０298。9；申请日:20０2年1０月28日;公告日：2０03
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年11月1２日；专利权人：兖矿集团有限公司）：中国实用新型专利ZＬ0227029８。9涉及一种带式输送机分层阻燃输送带,特别适合于煤矿井下用的直经分层阻燃输送带.它由带芯织物分层及其浸渍糊料形成的阻燃弹性体、阻燃上覆盖层和阻燃下覆盖层构成。其覆盖层为硫化橡胶或者橡塑混胶层或者PＶC层或者聚氨脂层，带芯织物分层为多个,层间有阻燃的缓冲胶层。输送带具有抗拉强度高、相对拉伸模量高、伸长率低、耐动态疲劳、耐冲击、抗撕裂、使用寿命长等优点．
(４)PVC全塑阻燃输送带的研究:对PVC全塑阻燃输送带的骨架结构与材料、PＶC糊和覆盖胶进行了实验研究，确定了适宜的组成和配方.制备的PＶC全塑阻燃输送带阻燃、抗静电和强度大,符合MT147-9２标准要求。其技术指标为：表面电阻小于３。０×108Ω，表面摩擦生热不大于3２5oＣ,酒精喷灯燃烧自熄时间不大于3s，巷道丙烷燃烧试样全宽度未烧坏部分长度不小于250 mｍ。
（５)耐燃输送带聚氨酯涂层:江苏省煤矿研究所研制的涂层由热塑性聚氨酯弹性体为主要材料，与导电炭黑和磷酸酯类阻燃剂及溴系阻燃剂共同混炼成胶料,再与经过阻燃处理的整体编织带芯复合而成。它主要作为煤矿井下带式输送机的输送带用。与橡胶及聚氯乙烯输送带相比,它具有机械强度高、曲挠性好、耐磨（为天然橡胶的2~10倍）、耐撕裂(也为天然橡胶的2~1０倍）等优点,并且抗静电、阻燃。
总之,虽然带式输送机的理论和实验研究上积累了一定的经验,但仍然处在不断摸索、不断完善的过程中。
１。3皮带断带抓捕工具的研究现状
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为了防止胶带逆转、飞车和断带,国内外一些科技人员进行了一系列的有意尝试与研究,提出了一些解决办法:
(1)带下安装阻尼板
带式输送机正常运行时胶带被拉紧，胶带基本上是一条直线,下垂量很小，而断带后，由于托辊间距的存在，即使是高强度钢丝绳芯胶带也有很大的下垂量,基于这一特点,采用在胶带下面一定距离处安装阻尼板，断带时,由于胶带的自重作用及初始速度使得胶带迅速松弛，并与阻尼板接触,当阻尼板与胶带之间的摩擦力足够大时,可有效地阻止胶带下滑，这就是阻尼板的工作原理,如图1。１,阻尼板的防滑能力与阻尼板与胶带之间的摩擦系数有关，与阻尼板的几何长度、阻尼板与胶带间的距离以及胶带的倾角等因素有关。
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图 1。1 阻尼板法防断带示意图
(2)单向托辊摩擦制动
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此种制动,主要利用托辊反向逆止原理，如图1.２,当具有一定倾角的带式输送机正常工作时,托辊随之转动,胶带与托辊间为滚动摩擦,摩擦阻力很小,而当胶带断裂下滑时，由于托辊是单向的，所以托辊反向无法转动,胶带与托辊间为滑动摩擦，摩擦阻力增大，通过滑动摩擦力来实现制动。
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图 1．2 单向托辊防断带法
（3）自适应摩擦棘轮式断带保护器
摩擦棘轮式带式输送机断带保护逆止器是利用棘轮机构的反向制动原理实现断带保护，实际工作时逆止器成对地布置在输送带两侧,其一侧的结构如图1。3,由结构完全对称的上下两个组成部分，主要零件有支架、弹簧、加紧杆、摩擦式扇型棘爪、偏心凸轮、支撑轴和夹紧轮。
带式输送机正常工作时，输送带沿斜面向上运动,在摩擦力的作用下输送带驱动夹紧轮正向转动，夹紧轮相对于输送带作纯滚动。由于支承轴与夹紧杆之间装有滚动轴承，工作阻力很小．
当出现异常现象输送带断裂时,输送带及物料在重力作用下将沿斜面向下滑动，在摩擦力的作用
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下输送带要驱动夹紧轮反向转动。由于摩擦式扇形棘爪的升角小于金属之间的摩擦角,棘爪使夹紧轮反向自锁，不能转动,夹紧杆与夹紧轮成为刚性连接.输送带沿斜面向下滑动的摩擦力使上夹紧杆与夹紧轮一起顺时针摆动，使下夹紧杆与夹紧轮一起逆时针摆动，下滑力越大夹紧力也越大。由于夹紧制动动作是随着输送带下滑动作自动实现的,夹紧力的大小随着输送带下滑动作自动实现的,夹紧轮的大小随着胶带下滑力的大小而自动适应，无需其他控制就可实现自动断带保护,从而防止了输送带和物料下滑堆积与巷道,避免事故的进一步扩大。
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图 １。3 自适应摩擦棘轮式断带保护器
1—支架;２—弹簧;3—加紧杆;4—摩擦式扇型棘爪；5—偏心凸轮；６—支撑轴;7—夹紧轮
(4）ＧBZ型滚动下落胶带抓捕器
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抓捕装置主要结构如图1。4,当胶带正常运行时,抓捕辊高高举起,它们不与胶带接触，不影响物料的运输。只有特制的托辊位于胶带下面随胶带前进而转动。当胶带倒转或断带后胶带下滑时,特制托辊则跟着反转,反转时带动托辊轴一起倒转，倒转的轴则带动一个螺旋副运动,当达到我们控制的倒转长度时，则可推动抓捕辊的固定卡爪,使抓捕辊沿内装齿条的直槽快速旋转下落，继而滑入斜槽,并在倒转胶带的带动下继续沿斜面运动,因而把胶带紧紧的卡住在抓捕辊和基砧之间, 由于抓捕辊旋转下落，可以把胶带上的煤屑清除掉,使抓捕的更可靠。
(a) 正常状态抓捕器 (b) 抓捕状态抓捕器
图 1.4 GBZ型滚动下落胶带抓捕器
（5） 双向抓捕器
抓捕器由左右两个抓捕臂、两个单向抓捕辊和与其对应的带下单向托辊组成。工作状态如图1。5所示。
左侧单向抓捕辊允许转向与胶带运行方向相反，右侧抓捕辊允许转动方向与胶带运行方向相同,胶带正常工作时,左侧的抓捕臂与单向抓捕辊由电磁铁悬置，右侧抓捕臂与单向抓捕辊始终悬浮在胶
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带上,如图（a）所示。设带的运行方向为向右,当胶带发生断带时， 断带信号迅速由传感器传给控制系统，控制系体接到信号后,发出控制指令,迅速切断驱动电路和悬置磁铁电源,电磁铁掉电后，左侧抓捕臂和单向抓捕辊在重力作用下落下， 由于左侧抓捕辊的允许转向与带速方向相反，抓捕器与胶带产生较大的摩擦阻力，悬臂在摩擦阻力拖动下逆时针摆动, 逐步抓紧并卡死胶带,如图（b)所示.同理，当胶带发生逆转时， 右侧的悬臂立即在摩擦力的作用下，抓紧胶带.
(ａ) 正常状态抓捕器 (b) 抓捕状态抓捕器
图 １.5 双向抓捕器
比较，上述各种断带保护装置主要分为两大类：一类是使用单向托辊和阻尼板的摩擦制动的方法;另一类是采用抓捕原理的方法.
第一类方法是将皮带的上托辊按一定比例换成单向托辊，在下层皮带下方安放阻尼板。当皮带因断裂下滑或逆转时，因上托辊不可逆转,利用托辊对上层皮带的滑动摩擦阻力,使上皮带不能长距离下滑;下层皮带因松弛与阻尼板接触，因摩擦而制动．为了防止下层皮带的下滑要在皮带下面安放大量的阻尼板．这种方法需要将大多数或全部托辊更换为单向托辊,而单向托辊是非标准产品，价格较
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高,使用寿命短，一次性改造工程量大，且长期投资也较大。
第二类采用抓捕原理的方法又可分为两种.其一，主要是在胶带上、下侧设置抓捕装置,并配上传感装置、清煤装置和抓捕装置等组成抓捕器,当胶带断带时，胶带上、下侧的抓捕装置动作，把下滑皮带紧紧抓住。一般选用电机、液压执行元件驱动，在井下各种电器设备还要考虑防爆等问题,因此该设备造价昂贵,投资较大，工程量大，维护烦琐,很少在煤矿生产中应用,而且常常发生误动作，比如,在井下恶劣的环境下,传感器常常失效,若在正常的情况下传感器给出断带信号，则产生误动作,影响生产;一旦事故发生，没有检测到,抓捕将失败。其二,是利用皮带断带后下滑或逆转来触发相应的抓捕机构制动下滑的皮带。利用这种原理的设计方案仅国内就公布了十余项专利，但是实施起来均有很大的困难。
1。４本设计研究的主要内容
本设计对带式输送机的断带进行了分析,结合现有带式输送机断带保护装置,设计了偏心轮夹紧机构,整个系统由偏心轮机构、液压泵站、单片机检测控制系统组成。应用速度传感器与单片机对带式输送机断带进行动态检测控制，从而通过设计的液压系统控制偏心轮夹紧机构,尽可能有效及时地进行断带保护。
2 夹紧机构的设计
2。１断带的原因
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从目前大量的带式输送机断带事故分析可知,带式输送机断带原因大概有以下几种。
(1） 齿轮减速器损坏,液力耦合器喷液或电动机逆转。
(２) 输送带接头质量问题。输送带接头分为机械接头和硫化接头，机械接头的质量远不如硫化接头，所以现在已很少采用.就硫化接头而言,如果未按要求控制硫化温度和硫化压力,温度和压力在硫化板上分布不均，温度和压力的保持时间设定不合理，采用不合理的材料等对硫化工艺均有影响。
(3) 运输中因其它东西卷入而引起运输载荷突然增加。比如大块矸石或其它质量特别大的物体突然混在正在运输的煤中.
（4） 启动和停车时应力变化大。带式输送机的启动和停车也会造成输送带断裂，一般最好在空载下启动输送机。
(5) 输送带自身质量不过关,输送带服务年限过长,输送带长时间超负荷运输,日常维护不到位。
(6) 物料分配不均,输送带跑偏。带式输送机有空载段和超载段,使输送带受力不均。
为了防止由这些原因引起的断带事故,除了进行人为的检修和维护外,在输送机沿线上布置断带保护装置尤为重要。因为它可以避免突发事故,随时处于待命状态。在输送带正常工作时,它不影响物料运输，当断带事故发生时,布置的断带保护装置便马上动作，迅速抓住断裂下滑的输送带,减少事故损失。
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2。２断带抓捕器的性能要求
了解现场对断带捕捉器的性能要求是正确设计断带捕捉器的关键。断带捕捉器应有如下性能：
(1) 在断带或逆转时均起作用；
(2) 非断带或无逆转时不能误动作；
(3） 捕捉力应有足够的作用带宽，最好整个带宽捕捉.以使输送带在承压许可范围内．提高单台捕捉器的捕捉力;
（4） 在捕捉力施加时，应清除大部分物料;
(５) 捕捉力缓施.以便输送带的制动减速度不致过大。避免过大惯性力.造成二次断带;
(６） 结构力求简单。
2。3夹紧机构的组成部分及工作原理
夹紧机构采用偏心轮实现夹紧，整个机构主要由动作执行元件、单片机检测系统、液压系统组成。主要执行动作元件是偏心轮和液压缸.安装时整个偏心轮夹紧机构安装在带式输送机两边对称的机架上,安装保证偏心轮的两端面与胶带上表面垂直；胶带两边缘部分由偏心轮下方通过;偏心轮的中心线与托辊中心线重合。
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工作原理:当带式输送机出现断带故障时，通过安装在上运皮带下面的速度传感器检测出断带信号，由A/D转换器送入单片机，经单片机判断处理后发出动作指令,驱动滚筒电动机断电，同时液压系统中的电磁换向阀换向导通,驱动液压缸活塞杆伸出带动偏心轮转动,直至夹紧皮带。整个保护系统原理图如下图2．1:
4V1532 图 ２。１ 系统原理图
1－速度传感器；２-单片机控制系统;3—液压系统;
４—偏心轮夹紧机构；5—驱动滚筒电机
2.４夹紧机构所需理论夹紧力的计算
设计所选带式输送机的特征参数：
带宽：１00０ ｍm ;安装时最大倾角:20°;最大运输能力：6３０ t/h;输送长度：9０ｍ；运输
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物料:原煤;带速：1．9 ｍ/s。
输送带特征参数:
型号:钢丝绳芯胶带 GＸ-1000 mm；钢丝绳直径:4．5 mｍ；带厚:１６ mｍ;胶带每米质量:24。63 kg/ｍ。
根据带带式输送机最大运输能力计算公式，可计算出输送带上物料的最大横断面积。
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