基于長距離、高運量、大角度工況下大功率上行帶式輸送機的選型研究與應用

陳國強

（徐礦集團天山礦業有限責任公司，新疆 庫車 842000）

0 概述

徐礦集團天山礦業公司俄霍布拉克煤礦，是徐礦集團早期援疆項目，礦井工業儲量為10.5億t，原設計生產能力為90萬t/a，自2002年開工以來，隨著南疆經濟發展，市場對煤炭的需求擴大，礦井不斷改擴建，產量年年翻番，目前產能為400萬t/a,遠景產能1000萬t/a。隨著產能倍增，原主井皮帶機速度低、帶寬窄、運能小，功率低，成為生產制約瓶頸。因此選用主參數更大、技術先進、性能可靠的長距離、大運量、大功率的帶式輸送機，是企業提升產能，加快發展的迫切需要。

1 參數和機型確定

1.1 參數確定

年生產能力 1000萬t，年生產天數：300d，每天生產時間：15h。則：小時產量=年生產能力/年生產天數×每天生產時間=10000000/300×14=2222（t/h），考慮峰時產量，提升運量按每小時 2300t。 根據巷道寬4.8m，巷道一側預留安裝架空乘人裝置的空間，確定選用1.6m寬膠帶。

1.2 機型確定

根據多年礦井運用皮帶機的經驗，集中DTⅡ（A）型和DX型鋼繩芯帶式輸送機優點，決定將DTL型皮帶機作為研制主井原煤運輸提升設備。該型帶式輸送機屬于高強度帶式輸送機，適用于散狀物料大運量和長距離的運輸。

2 整機主要組成

整部帶式輸送機主要有驅動裝置、卸載傳動架、張緊車、滾筒、托輥、中間架、支腿、膠帶、逆止器、制動閘、電氣控制系統等組成。

3 設計計算

3.1 已知參數

（1）輸送傾角 α=16°；（2）輸送長度（斜長）：L斜=1491m；（3）輸送量：Q=2300t/h；（4）輸送物料：原煤 ρ=20°,γ=1t/h；（5）物料最大塊度：Xmax=0.300m；（6）輸送機簡圖如1所示。

圖1 輸送機結構簡圖

3.2 主要參數的確定

1）初選帶速 V=5.0m/s,初選帶寬B=1600mm，Q=3.6Svkρ=3.6X0.28X5X0.89X1000=4485.6t/h＞2300t/h，滿足要求。式中：Q——輸送量；S——物料的最大截面積㎡；V——帶速m/S；ρ——堆積密度㎏/m3；K——傾斜系數K=0.89。

2）按輸送塊度驗算：

初選帶寬：B=1600mm＞2X300+200=800mm，選ST3500S鋼絲繩芯阻燃輸送帶，每米帶重：qB=69.28kg/m。

3）承載分支選用3個φ194×600標準托輥組，其單位長度旋轉部分重量：qRO=45.2kg/m，上托輥組布置間距：Itz=1.2m；回空分支平托輥組選用1個φ194×1800標準托輥，單位長度旋轉部分重量：qRU=18kg/m，下托輥組布置間距：Itk=3m。

3.3 傳動滾筒圓周力和軸功率計算

1）圓周力計算

膠帶輸送機所輸送物料單位長度質量：

qG=Q/(3.6×V)=2300/(3.6×5.0)=127.78kg/m

取運行阻力系數：f=0.03；附加阻力系數：Cn=1.04。

圓周力FU

2）軸功率P

3）電機功率Pd

Pd=Kd×P/(ξ×ξd×η)=1.2×3265/(0.9×0.90×0.9)=5374.5kW， 式中，Kd——功率備用系數，取K=1.2；ξ——電壓降系數，取 ξ=0.9；ξd——多機功率不平衡系數，取ξd=0.9；η——傳動效率取η=0.9，選擇雙滾筒雙電機傳動，單機功率1500kW，總功率6000kW。

3.4 輸送帶各點張力計算

1）輸送帶不打滑條件校核：

F2（S1）MIN≥FUmax/（eμψ-1）

FUmax=KA*FU=1.5X653077.25(N)=979616（N）。

傳動滾筒圍包角：ψ=200°+200°；傳動滾筒和輸送帶之間的摩擦系數：μ=0.35；F2（S1）MIN≥979616/（11.56-1）=92767（N）。

2）輸送帶下垂度校核：

F承MIN≥a0（qB＋qG)g/8X0.01=1.2X（69.28+127.78）X9.8/0.08=28967（N）；

F承MIN≥aUqBg/8X0.01=3X69.28X9.8/0.08=25460（N）。

3）各特性點張力計算：

①根據不打滑條件，傳動滾筒奔離點最小張力為92767（N）

S3min≥S2min－FⅡ=187883－172244=15639(N)。

②按垂度條件：

承載分支：

S5min≥[50 ×(q0＋q)×g ×ltz×cosα]/8=[50 ×(79.86 ＋54.24)×9.8 ×1.2 ×cos14.5]/8=9542.4(N)

回空分支：

S4min≥[50×q0×g×Itk×cos?]/8=[50×54.24×9.8×3×cos14.5°]/8=9649.14(N)

所以，按垂度條件應滿足：S4min=S5min≥9649.14(N)。

4）回空段上總運行阻力

F3=FH3＋FSt3

FH3=f×L×g×(qtk＋q0×cos?)＋g×q0×H3－4=0.03×1310×9.81×(31.52/3＋54.24×cos14.5°)=24263.82(N)

FSt3=g×q0×H3=9.8×54.24×(－1310×sin14.5°)=－174348(N)

F3=－150084(N)

S3min=S4min-F3

≥9649+150084=159733(N)

比較以上計算，取S3=159733(N)。

5）根據逐點計算法

S4=S3+F3=159733-150084=9649（N）

Smax=S1=S3+F=159733+344488=504221.2(N)

S1-S2=S2-S3

S2=(S1+S3)/2=331977(N)。

3.5 膠帶強度校核

1）膠帶許用安全系數[m]：

[m]=m0×Ka×Cw/η0=3.0×1.2×1.8/0.9=7.2

式中，m0——基本安全系數，取3.0；Ka——動載荷系數為1.2；Cw——附加彎曲身長折算系數為1.8；η0——接頭效率，取0.9。

2）膠帶實際安全系數：

m=Sn/Smax=4116000/504221=8.16＞[m]=7.2，Sn 膠帶破斷力，合格。

3.6 拉緊力和拉緊行程確定

1）拉緊力 T：T=2×S4=2×9649=19298（N）

2）拉緊行程 l：l=L×(ε+εt)+ln=1310(0.0025+0.001)+(3.5+1)=9m，

式中，L——膠帶機總長為1310m；ε——膠帶彈性繩長率和永久伸長率為0.0025；εt——膠帶載托輥組之間垂度率為0.001；ln——一個接頭長度再加1m；根據計算，選取拉緊行程為12m。

3.7 逆止力及逆止力矩

1）逆止力

FBN≥1.5（FStmax-FHmin）

FHmin=flg[qt+(2q0+q)cosβ]=0.02×1310×9.8×[36.83+（2×54.24+79.86）cos14.5°]=70343（N）

FStmax=gqH=9.8×79.86×1310×sin14.5°=256700(N)

∴ FBN≥1.5×（256700-70343）=279535.6（N）。

2）逆止力矩

FBN×1.6/2=224（kN·m）。

3.8 滾筒直徑

1）傳動滾筒直徑

D≥C0δ=150×0.00918=1.9（m），(其中 C0=150，δ=0.00918)

2）改向滾筒的直徑

3.9 各滾筒合力

1）F合Ⅰ=S1+S2=504221+331977=836198（N）≈384t

2）F合Ⅱ=S2+S3=331977+159733=491710N≈49t

3）F合Ⅲ≈2S3=320000N=32t

4）F合Ⅳ=T=2S=19298N≈2t

5）F合Ⅴ=113.7kN≈11.4t

3.10 卸載滾筒筒皮厚度計算

3.11 卸載滾筒軸的校核

計算參數 B=1600，V=5m/s,F合I=1700kN，

軸承中心距 L=185cm，滾筒直徑D=1600,受力如圖2所示。

圖2 卸載滾筒受力圖

1）根據輪處轉角確定d0

其中E彈性摸量=2.1×106，取d0=36cm

2）根據軸承處的轉角選d1

3）軸的強度計算、校核d0處的彎曲應力[δ]=500kg/cm24）軸的鋼度計算

3.12 滾動軸承的選擇計算

fT：溫度系數 fT=1，工作溫度 T≤100℃

fh：速度系數 fh=0.896

fh：壽命系數 fh=3.98，按Ln=50000小時

fF：負荷系數 fF=1.3，輕型沖擊

選 SKF 23288cA/w33，動負荷11400kN，靜負荷9700kN。

4 主要技術特征參數確定

根據上述計算確定該皮帶機型號DTL160/230/4×1500S。參數如下：（1）輸送量 2300t/h；（2）輸送長度 1491m；（3）膠帶速度 5m/s；（4）輸送機傾角16°；（5）傳動滾筒直徑 φ2000mm；（6）改向滾筒直徑 φ1800，φ1600；（7）托輥直徑 φ194mm；（8）輸送帶規格 ST3500 帶寬1600mm；（9）主電機型號 Z710-400，功率 4×1500kW，轉速 680r/mim，電壓 750 V；（10） 減速器型號：ML2PSF140， 速比 i=14；（11） 盤型制動器型號KPZ-III-1800/258.7；（12）逆止器型號：DSN1000，逆止力矩 330kN.m；（13）張緊裝置：機尾重錘車。

5 卸載架傳動的校核

從圖1和以上計算可以看出，機頭架即作為卸載架也作為傳動架之一，受力是整部輸送機中結構受力最大的，合張力達近85t。其受力已超過DX型定型部件的最高值。結合多年的設計經驗和機架受力設計繪制出新的卸載傳動架圖。由于鋼結構的強度及鋼度校核是一項很復雜的計算進行機架強度及鋼度校核，委托中國礦業大學，運用最新的ANSYS軟件技術，對機架進行了靜力分析，得到機架應力及位移大小，從而進行了科學可靠的強度及鋼度校核。根據分析報告和提出的改進措施，做了改進，使得機架結構更合理，強度更高。

6 改進型元部件的選用

在設計過程中，不僅對受力較大的主要元部件進行計算、驗算、校核、選型，同時對所需選用的所有元部件，都從性能、強度、壽命、方便安裝、維修等方面考慮，反復比較，更科學合理的選用，使整機性能更優良。

在兩個主傳動滾筒上安裝了測速編碼器，配合PLC控制的使用，對整機進行動態監測與監控。讓每個元部件都方便安裝和維修，提高安全可靠性，延長使用壽命。在滾筒與減速器之間的聯軸器上采用了脹緊聯結套聯接，克服了傳統的鍵聯接可能出現的滾鍵現象，大大提高了減速器和滾筒使用壽命，而且拆裝相當方便，減小了安裝和維修的勞動強度，節省了安裝時間，同時使大扭矩傳遞時更可靠。

為了提高安裝精度，將電機、減速器、制動器置于一個整底座，使得整個驅動與傳動滾筒聯接同心度更高，安裝更方便。在電機與減速器的聯接上，選用了蛇形彈簧聯軸器，其是在兩半聯軸器的凸緣上加工出特定形狀的齒，齒槽之間嵌有彎曲的彈簧片，工作時，通過彈簧片傳遞轉矩，其外形尺寸小，減震效果好，性能更可靠。

7 應用效果分析

該機于2013年8月俄霍布拉克煤礦主斜井順利安裝、調試，經過空載運行、負載運行，正式投入生產，通過對該機測試，各項性能參數均達到設計要求，同時由于選用了性能穩定的調壓直流電機軟啟動，可以能很好地控制起動加速度使得整機啟動、運行平穩，無沖擊；雖然帶速達到每秒5m，該機在輕載、半載和滿載時，無論是起動、運行、制動、靜止狀態，都能使物料在輸送帶上保持穩態運行；制動和逆止動作靈敏可靠；滾筒托輥運轉靈活；受力近百噸的卸載架結實穩固；控制系統操作方便；各種保護運行正常，實現了大功率的帶式輸送機運輸。目前已實現運輸原煤30000t/d,為實現1000萬t/a的生產能力提供了運輸保證。