煤礦帶式輸送機的本質安全設計初探

王茜， 韓剛， 韻婷婷， 趙曉霞

（太原科技大學 機械工程學院，太原 030024）

0 引 言

帶式輸送機是煤礦井下運輸系統的核心設備，其運行狀態直接影響到煤礦的安全生產。而本質安全設計主要是針對煤礦帶式輸送機在設計中存在的安全問題，構建本質安全設計體系，明確煤礦帶式輸送機（以下簡稱輸送機）在設計時要消除的安全隱患，保證其安全穩定運行。

1 機械設備本質安全

1.1 本質安全定義

機械設備本質安全是指在設計階段保證機械設備的安全性能，從根本上防止安全事故發生的技術措施。通常從兩方面來考慮：一是當操作者出現判斷失誤或者誤操作時，設備系統自帶的設施能自動保障其安全；二是當設備出現故障時，設備能自動識別并排除，能夠確保人身和設備安全［1］。

1.2 本質安全設計

本質安全設計既是一種實現機械設備安全的技術理念，也是傳統機械設計方法的延伸。要實現本質安全，就必須從機械設備的設計入手，在設計階段就要根據機械設備的使用情況，通過確定符合實際的載荷工況、滿足強度要求的材料、適合工程精度的設計計算方法、標準的工藝路線和控制手段等，在源頭上消除和控制危險源，而不是依賴附加的安全保護措施或管理措施去控制它們。

機械設備本質安全設計研究具有實際的意義，因為設計上達不到本質安全要求，就會引發一些安全問題，其中有些問題可以通過整改解決，但卻需花費不必要的費用，而有些問題不能通過整改解決，需要對輸送機進行重新設計或更換設備。但是如果我們在設計時能夠從本質安全角度出發，不但可以避免返工，節省投資，還可以提高設備的安全性能。

2 煤礦帶式輸送機本質安全設計體系的構建

2.1 機械設備本質安全設計體系的構建原則和方法

本質安全設計的原則：當機械設備、設施或者工藝可能發生故障或者問題時，通過設計者的構想，能自主處理或者阻止危險的發生，以保護操作者不受傷害，設備設施不受損壞［2］。

進行輸送機本質安全設計時，首先要通過安全分析，找到可能引起輸送機出現的失效或安全事故的危險源；然后再針對可能出現的各種危險情況，選擇消除、控制危險發生的最佳方法，并在設計過程中體現出來；最后將傳統設計方法和煤礦特殊環境結合，根據本質安全原則，建立本質安全設計體系。

2.2 煤礦帶式輸送機本質安全設計體系

以煤礦帶式輸送機為研究對象，基于本質安全設計原則，結合煤礦生產高溫、易爆、多塵、光線昏暗等特殊環境，進行輸送機本質安全設計的研究。

首先，按照分層分析的方法將輸送機的各個部件進行劃分，如圖1所示。然后再考慮輸送機各個關鍵部件可能出現的安全隱患，如：輸送帶打滑、跑偏、損傷，火災事故，減速器故障，滾筒筒皮開裂、滾筒軸竄軸等，找到引發危險的原因，并找到應對這些危險事故的設計方法，將其體現在設計過程中。最后對其進行整理，建立煤礦帶式輸送機本質安全設計體系，如圖2所示。

3 煤礦帶式輸送機幾個關鍵部件的本質安全設計

煤礦帶式輸送機不同于一般的帶式輸送機，它的工作環境特殊，因此在設計前要了解其工作環境和工作要求，廣泛汲取有益的經驗，使設計盡可能做到完美。下面重點分析輸送機幾個關鍵部件的本質安全設計。

3.1 輸送帶設計

圖1 煤礦帶式輸送機系統圖

圖2 煤礦帶式輸送機本質安全設計體系

輸送帶是帶式輸送機的主要部件，它在輸送物料的過程中主要起到牽引和承載的作用。輸送帶的設計選用是依據輸送機的工作線路的布置、輸送的物料特點和使用條件來確定的，它不僅對輸送機完成輸送任務至關重要，還影響著輸送機的滾筒、托輥和驅動裝置等其他機械部件的設計［3］，因此，選擇設計合適的輸送帶，成為輸送機設計的核心內容。

1）核算輸送能力Q和輸送帶寬度B。

式中：Amax為最大裝料斷面的面積，m2；V為輸送機運行速度，m/s；Cst為傾斜系數。

2）輸送帶帶寬的確定。

式中，Kr為輸送機裝料斷面系數。

3）帶寬的驗算。對于未經篩分的散裝物料，驗算公式為

對于經過篩分的散裝物料，驗算公式為

其中，Xmax為輸送物料平均塊度，mm。

4）輸送帶的選型。從本質安全的設計理念出發，結合煤礦井下高溫、易爆、易燃的工作環境，根據上述的計算結果，選用合適的耐高溫、阻燃型、難燃型輸送帶。煤礦帶式輸送機輸送帶的合理選擇對于減少設備投資，提高安全性都具有重要作用。

5）輸送帶強度校核。為保證輸送機的安全運行，在設計時，我們要對所用輸送帶進行強度校核，要求輸送帶的計算安全系數不小于許用安全系數，即：

輸送帶的計算安全系數等于額定張緊力與最大張緊力的比值：

式中：Ka為動載系數；η0為輸送帶接頭效率；m0為輸送帶基本安全系數；Cw為附加彎曲伸長折算系數。

3.2 驅動裝置的設計

驅動裝置是輸送機的動力來源，主要由電動機、減速器、聯軸器、傳動滾筒組成（如圖3）。電動機通過聯軸器、減速器帶動傳動滾筒轉動，依靠滾筒與輸送帶之間的摩擦力使輸送帶運動。在一些需要的情況下，驅動裝置中還應設有制動器、逆止器［4］。

對于大型的煤礦帶式輸送機，在空載運轉時，電動機處于發電運行的狀態，動態響應較大，若直接啟動就會使輸送帶振蕩劇烈，易導致斷帶或對驅動裝置的各組成部分的壽命造成致命的影響。由于起車時，啟動加速度過大，變速過快，會降低輸送帶的張力和各承載部件的動載荷。為了保持平穩的起動力矩，保證輸送機安全平穩地運行，我們要選用合理的驅動方式。

目前，改善煤礦帶式輸送機啟動條件的主要手段是可控軟啟動技術。軟啟動技術可以在一定的啟動時間內，控制啟動加速度，保證輸送機按所要求的加速度曲線平穩地啟動，并達到額定的運行速度，同時可以把電動機的啟動電流和輸送帶的啟動張力控制在允許的范圍內［5］，達到煤礦帶式輸送機平穩啟動的目的。

目前，采用的軟啟動方式有機械軟啟動、機電軟啟動、電氣軟啟動，而我們最常用的可控軟啟動方式為CST，下面為CST的選用計算。

1）驅動裝置的布置。對于一般的中小型的煤礦帶式輸送機，我們一般選用單滾筒驅動，當水平、上運和正功率的下運時，驅動裝置應設在頭部；當下運負功率時驅動裝置設在尾部。然而，對于運輸距離長、運量大的煤礦帶式輸送機我們一般采用雙滾筒或者多滾筒驅動。

2）圓周力計算。其一般計算公式為

式中：FH為輸送線路上的主要阻力，N；FN為輸送機上各部件的附加阻力，N；FSt為輸送物料的傾斜阻力，N；FS為特種阻力，N。

2）軸功率計算：

式中，FU為傳動滾筒圓周力（運行阻力的總和）。

3）計算速比：

4）CST的計算功率：

式中，Sf為CST服務系數，通常取1.25～1.40。

最后，根據計算出的結果確定CST的規格。

基于本質安全設計理念，對帶式輸送機的驅動裝置進行合理的選型與設計，以提高煤礦帶式輸送機的安全性能。

3.3 拉緊裝置的設計

拉緊裝置在煤礦帶式輸送機系統中有著舉足輕重的作用，它影響著整個輸送機的穩定性和可靠性，主要是用來保證輸送機起動、制動、正常運轉時所需要的張力。所謂“拉緊”，就是指能夠吸收輸送帶的伸長和為輸送帶提供張緊力［6］。

要保證輸送機的正常運行，輸送帶的最小張力必須要滿足以下兩個條件：1）傳動滾筒所傳送的圓周力可以保證輸送帶不出現打滑現象；2）輸送帶在兩組托輥間的下垂度不能夠大于許用的垂度值［6］。

現如今，隨著輸送機不斷向著長距離、大運量、高帶速的方向發展，液壓拉緊裝置已成為煤礦大型帶式輸送機優先選擇的配套拉緊裝置之一，如圖4所示。這是因為液壓自動拉緊裝置具有響應快、拉緊力大，拉緊行程大，可自動調節拉緊力大小，容易實現集中控制，可靠性高，工作穩定等優點［7］。具體的設計過程如下：

1）拉緊裝置的拉緊力計算。通過逐點張力法計算得出尾部滾筒上奔入點與奔離點的張力S入和S出，求出拉緊裝置的拉緊力T：

2）拉緊行程的計算：

式中：l為拉緊行程，m；ξ為輸送帶伸長率；La為安裝行程，m。

3）確定拉緊滑輪的倍率m，拉緊裝置中鋼絲繩上的拉緊力T1的計算公式為

4）確定連接在拉緊液壓缸上的滑輪數n，液壓缸上的拉緊T2的計算公式為

若液壓缸上沒有連接滑輪，而是直接通過鋼絲繩將拉緊滾筒與液壓缸連接，則液壓缸上的拉緊力就等于拉緊裝置的拉緊力T。

5）分別根據鋼絲繩的拉緊力T1和液壓缸上的拉緊力T2確定鋼絲繩型號和液壓缸型號。然后，再根據拉緊行程l和液壓缸的行程距離確定液壓裝置的位置。

4 結 語

在科技迅速發展的今天，煤礦企業對安全生產有了更多的需求。本文結合煤礦特殊的環境條件及工作要求，對煤礦帶式輸送機在設計、安裝、使用過程中可能出現的安全事故進行了分析，并且找到引起各種事故發生的原因，再根據本質安全設計原則和方法，建立了本質安全設計體系。根據文中所建立的本質安全設計體系，采用本質安全設計的方法對煤礦帶式輸送機的各個部件進行安全合理地設計，從根本上提高生產運輸設備的安全性能。

［1］ 史明川，孫傳輝，尹航.淺談船舶電氣故障的檢修方法［J］.農家科技，2014（ 2）∶312-312.

［2］ 黃紅齊.淺談如何實現化工機械的本質安全［J］.港口裝卸，2011（ 3） ∶16-17.

［3］ 魏朝福，許曉曦，金寶龍.帶式輸送機中降低輸送帶安全系數的必要性［ J］.山東煤炭科技，2009（ 4）：156.

［4］ 金寶龍，王汝秀，韓孟群.淺談煤礦用帶式輸送機的幾種啟動形式［ J］.城市建設理論研究（ 電子版），2012（ 23）.

［5］ 隋華.CST可控軟啟動系統在主井帶式輸送機中的應用［J］.科技情報開發與經濟，2005（ 21）∶271-272.

［6］ 楊道和.帶式輸送機的張緊技術及其應用［J］.煤炭技術，2007（ 9） ∶129-130.

［7］ 胡坤.帶式輸送機綠色設計關鍵技術與應用研究［D］.合肥：安徽理工大學，2012.