膠帶運(yùn)輸機(jī)使用編織帶的技術(shù)研究及效果分析

閆 旭

(神華神東煤炭集團(tuán)公司皮帶機(jī)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

0 引言

目前大型煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)采用的運(yùn)輸技術(shù)是固定式膠帶機(jī)，屬于基礎(chǔ)建設(shè)工程的范疇，安裝后，很少改變膠帶機(jī)的結(jié)構(gòu)，因此主運(yùn)膠帶機(jī)通常選用的設(shè)備及部件富裕系數(shù)較高，安全性能很好，但是也存在不節(jié)能浪費(fèi)的現(xiàn)象。固定式膠帶機(jī)在原有基礎(chǔ)條件不變的情況下，想提高產(chǎn)能，提高效率就變得比較復(fù)雜，可操作余地較小，因此帶面類型的替換是節(jié)能降耗的一個(gè)研究方向。

1 使用編織帶替代鋼芯帶的意義

主運(yùn)膠帶機(jī)是礦井運(yùn)輸?shù)难屎硪溃鬟\(yùn)膠帶機(jī)的穩(wěn)定性也決定了礦井煤炭的產(chǎn)量，因此設(shè)計(jì)的時(shí)候通常較為保守，為實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，其帶面選用鋼芯帶，并提高其安全系數(shù)，通常安全系數(shù)達(dá)到10以上，但是鋼芯帶自身重量較大，又會(huì)增加一定的負(fù)載，這樣雖然保證了運(yùn)輸安全，但是也大大地提高了膠帶機(jī)的能耗。而目前膠帶機(jī)技術(shù)已經(jīng)有了突飛猛擊的發(fā)展，由過去的液力耦合器、CST發(fā)展到如今的變頻驅(qū)動(dòng)。變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的普及已經(jīng)有了較長的時(shí)間，但是使用單位并沒有充分的發(fā)揮變頻器在膠帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中的優(yōu)勢，例如其平穩(wěn)的啟動(dòng)/停機(jī)性能、較高的功率平衡度、準(zhǔn)確的膠帶機(jī)故障判斷能力，這些性能若充分利用，膠帶機(jī)帶面的選型是可以按照德國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)6以上去選取的，這樣可以大大地降低帶面的重量、成本以及能耗，因此，在采用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的膠帶機(jī)上，選擇一種重量相對較輕的帶面替代鋼芯帶具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。與此同時(shí)，為了進(jìn)一步降低帶面帶來的能耗損失，降低安全系數(shù)的同時(shí)，也可以選擇編織帶替代鋼芯帶，從自身重量上去解決設(shè)備負(fù)載大的問題。

2 實(shí)施中解決的重大技術(shù)問題

經(jīng)過深入研究、考察、論證與設(shè)計(jì)，決定選擇一個(gè)具有代表性的礦井進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該礦膠帶機(jī)長5 750 m，寬1.6 m，由8臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，原鋼絲繩帶面長度11 650 m，現(xiàn)將該帶面更換成編織帶。編織帶與傳統(tǒng)鋼絲繩皮帶相比，不僅具備強(qiáng)度高，抗撕裂等優(yōu)點(diǎn)，而且在保持帶體強(qiáng)度不下降的情況下，重量也減輕 30%～60%，由于采用了有機(jī)纖維，帶芯也不再受電磁干擾，同時(shí)還具備耐磨、阻燃、耐火等特性，因此非常適用于礦井和港口等現(xiàn)場的長距離物料輸送。在國家積極倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的大背景下，使用編織帶替代鋼絲繩帶面是一次有意義的嘗試。

2.1 膠帶機(jī)由液壓張緊升級為全自動(dòng)變頻張緊

由于編織帶相對于鋼絲繩帶面來說，其拉伸系數(shù)相對較高，鋼絲繩帶面的伸長率約為0.15%，而編織帶的伸長率為0.3%，這樣在膠帶機(jī)啟動(dòng)及運(yùn)行過程中，帶面會(huì)有較大的延伸，帶面延長的部分向儲(chǔ)帶倉里延伸，此時(shí)需要較快的張緊速度去保持膠帶機(jī)的張緊力，該膠帶機(jī)在用的張緊為液壓式張緊，其工作性能穩(wěn)定，張緊力大，但是油缸形成較短，張緊速度相對緩慢，因此，紡織帶面替換鋼絲繩帶面在此膠帶機(jī)上，有可能出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，因此需要對張緊部進(jìn)行改造。由于現(xiàn)場空間有限，增加油缸行程比較困難，所以選擇變頻張緊系統(tǒng)替代液壓張緊，變頻張緊是通過四象限變頻器驅(qū)動(dòng)張緊電機(jī)，然后連接減速器及卷筒實(shí)現(xiàn)張緊的裝置，四象限變頻器具有軟制動(dòng)功能，可以在松張緊的時(shí)候，將張緊力做功轉(zhuǎn)化成電能回饋到電網(wǎng)之中，并且可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速定距后制動(dòng)器抱閘的過程，使用效果穩(wěn)定可靠，張緊速度可由電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，應(yīng)用靈活性好，響應(yīng)速度快，因此用變頻張緊可應(yīng)對帶面更換后產(chǎn)生的問題。

帶有中部驅(qū)動(dòng)的膠帶機(jī)機(jī)頭張緊力F的作用是保證頭部驅(qū)動(dòng)不打滑的，經(jīng)計(jì)算和實(shí)踐證明張緊力F在≥60 kN的情況下，就可以保證膠帶機(jī)頭驅(qū)不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，這樣較低的張力控制有利于延長儲(chǔ)帶倉及張緊裝置的使用壽命，并提高安全系數(shù)。

圖1 變頻張緊示意圖

2.2 中部驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)打滑問題

在調(diào)試階段出現(xiàn)了膠帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)中部驅(qū)動(dòng)打滑的現(xiàn)象，經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)是由中部驅(qū)動(dòng)張力不足造成的。以前用液壓張緊由于存在過張緊的現(xiàn)象，其張力可以傳遞到中部驅(qū)動(dòng)，而現(xiàn)在改成變頻張緊，其張緊力設(shè)定是按照理論分析得出的準(zhǔn)確不打滑張力值，因此在此張力下打滑說明了原有膠帶機(jī)在布置上一直忽略了張緊力要選擇合適值的問題，出現(xiàn)中部驅(qū)動(dòng)打滑就提高機(jī)頭的張緊力，這種做法雖然可以實(shí)現(xiàn)解決啟動(dòng)打滑的問題，但過大的張緊力對整個(gè)膠帶機(jī)系統(tǒng)是有負(fù)面影響的，儲(chǔ)帶倉鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度需要提高很多，而且會(huì)帶來更大的安全隱患，所以通過這一點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)使用和配套存在的問題。通過研究膠帶機(jī)繞帶圖可知，膠帶機(jī)中部驅(qū)動(dòng)的不打滑張緊力是從前驅(qū)動(dòng)部的高張力區(qū)也就是載荷面?zhèn)鬟f過來的，因此可以考慮利用頭驅(qū)的驅(qū)動(dòng)力來給中部驅(qū)動(dòng)提供一定的張緊力，因此在膠帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)先啟動(dòng)頭驅(qū)，延時(shí)一段時(shí)間后等張緊力傳遞到中部驅(qū)動(dòng)時(shí)再啟動(dòng)中驅(qū)。此時(shí)間t是根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和帶面延伸估算的數(shù)值，通過現(xiàn)場幾次的啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)選擇了一個(gè)合理的值既保證膠帶機(jī)穩(wěn)定啟動(dòng)和運(yùn)行，又不會(huì)產(chǎn)生過張緊的現(xiàn)象。此種解決辦法還可以做到更加嚴(yán)謹(jǐn)可靠，就是在中驅(qū)動(dòng)部的低張力區(qū)，安裝一個(gè)壓帶滾筒，然后在滾筒的下面安裝壓力傳感器，根據(jù)壓力值去計(jì)算不打滑張力值，這樣就可以實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)中部驅(qū)動(dòng)張緊力的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的隱性打滑問題

調(diào)試正常后在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，某些運(yùn)輸情況下膠帶機(jī)中部驅(qū)動(dòng)位置有燒膠皮的味道，仔細(xì)觀察該膠帶機(jī)的7#/8#電機(jī)有隱性打滑的現(xiàn)象，一般情況下只有張緊力低才會(huì)造成打滑，但是通過研究確定中部驅(qū)動(dòng)的張緊力是足夠的，而該膠帶機(jī)的隱性打滑出現(xiàn)在前半部膠帶機(jī)有煤而后部膠帶機(jī)無煤的工況，因此需要分析此種工況下打滑的根本原因。

在變頻器主從控制技術(shù)中，傳動(dòng)系統(tǒng)由幾個(gè)驅(qū)動(dòng)單元共同完成驅(qū)動(dòng)。根據(jù)使用工況的不同主要有2種耦合方式，一種為剛性耦合(如刮板機(jī))，所謂剛性耦合，即幾個(gè)不同的電動(dòng)機(jī)軸之間通過軸、鏈條、齒輪等硬連接方式進(jìn)行耦合，在這種情況下，只要其中一個(gè)傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)或幾個(gè)傳動(dòng)也將被動(dòng)運(yùn)行。

另外一種為柔性耦合(如帶中部驅(qū)動(dòng)的膠帶機(jī))中部驅(qū)動(dòng)只能帶動(dòng)其后部皮帶，無法將驅(qū)動(dòng)力傳遞到機(jī)頭部驅(qū)動(dòng)單元。

該膠帶機(jī)出現(xiàn)7#/8#電機(jī)打滑，主要發(fā)生在前半部膠帶機(jī)有煤，后半部膠帶機(jī)沒有煤的情況，這種條件下前后驅(qū)動(dòng)部的驅(qū)動(dòng)力是不一樣的，前半部膠帶機(jī)的1#/2#/3#/4#電機(jī)在當(dāng)前情況下輸出轉(zhuǎn)矩較大。而后半部膠帶機(jī)是空載的，5#/6#/7#/8#電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求相對較小。這種情況不得不考慮變頻器功率平衡的問題了，通過與變頻器廠家交流發(fā)現(xiàn)，廠家的控制方式是采用轉(zhuǎn)矩跟隨控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率平衡的，中部驅(qū)動(dòng)的5#/6#電機(jī)跟隨1#/2#/3#/4#電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平均值，7#/8#電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是前6部電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平均值，這樣情況在膠帶機(jī)滿載的時(shí)候是沒有問題的，因?yàn)闄C(jī)頭和中驅(qū)轉(zhuǎn)矩需求相差不大，8臺(tái)電機(jī)幾乎可以做到平均分配轉(zhuǎn)矩，但是當(dāng)后半部皮帶機(jī)沒有煤的時(shí)候，其轉(zhuǎn)矩需求很小5#/6#電機(jī)分擔(dān)轉(zhuǎn)矩后，剩下的7#/8#電機(jī)跟隨前6臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，此時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩過剩，這2個(gè)電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩跟隨(因?yàn)榭蛰d已經(jīng)不需要過多的轉(zhuǎn)矩了)，因此這兩臺(tái)電機(jī)就不斷地通過提高轉(zhuǎn)速提高摩擦力來補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)接近前6臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值，但是帶中部驅(qū)動(dòng)的膠帶機(jī)，屬于軟連接，所以即使7#/8#如何控制也不能將力傳遞到機(jī)頭，使其他驅(qū)動(dòng)電機(jī)降低轉(zhuǎn)矩輸出，因此造成了打滑現(xiàn)象。

最終解決辦法是將中部驅(qū)動(dòng)7#/8#電機(jī)的轉(zhuǎn)速限定在一定的區(qū)間內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)后部皮帶空載的狀況時(shí)對其進(jìn)行速度限制，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩跟隨不上時(shí)，提高轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象，也可以采用速度跟隨的控制方式，但是程序更改工程較大，所以采用速度限制的控制辦法解決該問題，進(jìn)而繼續(xù)完善程序。

在原鋼絲繩膠帶機(jī)時(shí)也有這種現(xiàn)象，但是當(dāng)時(shí)過張力的問題使系統(tǒng)控制，配套存在的問題掩蓋掉了一部分，經(jīng)過本次系統(tǒng)科學(xué)的調(diào)整，有效地提高了膠帶機(jī)的使用安全系數(shù)，同時(shí)各點(diǎn)張力科學(xué)的合理分布對延長帶面及相關(guān)部件的使用時(shí)間具有重要的作用，也可以提高膠帶機(jī)的整機(jī)使用壽命。

3 能耗分析

3.1 能耗理論分析

鋼芯帶面換成編織帶最主要的變化是單位重量的變化，型號為ST2500 B1 600(8+7.2+8)的鋼芯帶重量為65 kg/m，而編織輸送帶重量為45 kg/m，因此從降低運(yùn)輸重量的角度上分析，該膠帶機(jī)在更換帶面后其運(yùn)行阻力將有一定的降低。輸送機(jī)的主要阻力FH是物料及輸送帶移動(dòng)和承載分支及回程分支托輥旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生阻力的總和，可用式(1)計(jì)算。

FH=fLg[qRO+qRU+(2qB+qG)cosδ]

(1)

式中：f—模擬摩擦系數(shù)，根據(jù)工作條件及制造安裝水平?jīng)Q定，一般可按表查取；L—輸送機(jī)長度(頭尾滾筒中心距)，m；g—重力加速度；qRO—承載分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分重量，kg/m；qRU—回程分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，kg/m；qG—每米長度輸送物料質(zhì)量，kg/m；qB—每米長度輸送帶質(zhì)量，kg/m；β—輸送機(jī)的工作傾角。

由公式(1)可知，輸送帶的重量qB是影響整機(jī)運(yùn)行阻力的重要因素，在運(yùn)量和運(yùn)送長度確定的條件下，輸送機(jī)的水平運(yùn)行阻力主要取決于模擬摩擦系數(shù)f、帶面質(zhì)量qB、托輥旋轉(zhuǎn)質(zhì)量qRO和qRU、帶速v等，本次研究的主要變化是帶面質(zhì)量qB，摩擦系數(shù)f可能在更換帶面后出現(xiàn)一定的變化但是需要運(yùn)行一段時(shí)間后取數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

重載3 000 t/h運(yùn)量時(shí)阻力下降=54.9/577.6=9.5%；重載3 500 t/h運(yùn)量時(shí)阻力下降=54.9/632.2 =40/388=8.7%；重載4 000 t/h運(yùn)量時(shí)阻力下降=54.9/686.8=40/419=8.0%。

需要說明的是以上數(shù)據(jù)是根據(jù)鋼芯帶重量65 kg/m，編織帶面重量45 kg/m的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的，而實(shí)際使用中鋼芯帶已經(jīng)出現(xiàn)磨損，且重量降低明顯，編織帶是新帶面沒有磨損，因此以上計(jì)算僅作為理論依據(jù)，與實(shí)際結(jié)果會(huì)存在一定差距。

3.2 實(shí)際能耗分析對比

能耗記錄分析：選取帶面更換安裝前后10 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，取每日設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的平均轉(zhuǎn)矩和平均電流，參數(shù)見表1。

表1 膠帶機(jī)換帶面前后運(yùn)行參數(shù)

注：鋼芯帶時(shí)間為2017年6月20日～6月28日，編織帶時(shí)間為2017年7月4日～7月16日；圖2各運(yùn)行時(shí)間與之相同。

a-平均電流及轉(zhuǎn)矩百分比趨勢圖；b-運(yùn)量趨勢圖圖2 運(yùn)行趨勢圖

趨勢曲線分析：平均電流、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)量趨勢如圖2所示。由曲線帶面更換前后，膠帶機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流變化不大，但有升高的趨勢，從2017年7月4日至7月16日的平均電流為328.53，較更換前6月20日至6月28日提高10.70%，轉(zhuǎn)矩提高13.03%，前后兩段時(shí)間的日平均煤量分別為：45 542 t/日，45 036 t/日，煤量變化不大，噸煤耗電量見表2。能耗提高的原因可能與煤量統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確，或芯帶面磨損單位重量較輕且壓線阻力較低有一定關(guān)系。

空載能耗分析：由于重載時(shí)影響數(shù)據(jù)的因素較多，比如每天煤量沒有準(zhǔn)確值，對比的時(shí)間不同帶面的瞬時(shí)煤量也無法確定，這些原因都影響測量的準(zhǔn)確性，唯有空載時(shí)對比才是最能直接地體現(xiàn)出膠帶機(jī)在不同帶面下所消耗功率的差別，見表3。由該表可以看出當(dāng)皮帶空載時(shí)平均電流升高0.7%，轉(zhuǎn)矩升高4.4%，因此編織帶在空載時(shí)不節(jié)能，與鋼芯帶相比，其帶面重量降低了30.8%，但卻并沒有節(jié)能，其原因有以下幾點(diǎn)：①鋼芯帶是舊帶面，磨損較嚴(yán)重，其現(xiàn)在每米的重量與編織帶接近，因此編織帶沒有了重量降低的優(yōu)勢；②編織帶是新帶面，其自身覆蓋層較厚，且在受力時(shí)壓陷幅值較大，因此壓線阻力相對較大。

表2 噸煤耗電量

表3 空載能耗

4 結(jié)語

在膠帶機(jī)得到不斷發(fā)展革新的今天，大膽的嘗試和突破固有技術(shù)愈發(fā)重要，膠帶機(jī)運(yùn)輸技術(shù)節(jié)能水平的提高，可有效地為綠色礦井建設(shè)提供良好、穩(wěn)定、安全的技術(shù)支撐。