連續皮帶機的關鍵參數分析

喬偉杰

（陽煤集團三礦， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著現代化礦井的建設，礦井運輸方式獲得了巨大的發展，皮帶運輸逐漸成為礦井主要運輸方式，相應的皮帶運輸帶來許多技術難題[1-3]。許多學者對皮帶運輸相關問題進行了研究，并取得了一定的成果，并對皮帶的動態特性進行研究，大大提高了皮帶的工作效率及安全性[4-7]。基于前人的研究，本文以新界煤礦為工程背景，針對長距離皮帶運輸的關鍵參數進行分析。

1 工程概況

新界煤礦主斜井選取連續皮帶出渣機作為主要運輸方式，主斜井下坡的坡度為6°，井筒斜長約為6 320 m，井筒明槽段的長度約為150 m，埋深的最大值約為640 m。井筒開挖面的直徑約7.3 m，支護襯砌后井筒直徑約6.4 m，管片的長度為1.5 m，一個管片作為一環，推進一環產生的渣土體積約為63 m3，推進一環需要的時間大約需要20～40 min，運輸渣土的路面寬度約為3.5 m。考慮到井筒掘進時產生渣土的體積以及施工的場地需求，連續皮帶出渣機輸送長度需要留有一定富裕系數，最大輸送距離約6 245 m。皮帶運輸材料為掘進后留下的渣土，渣土的容重2.4 t/m3。皮帶運輸機包括卸載裝置、卷帶裝置、夾帶裝置、放帶裝置和儲帶及張緊裝置等附件，由于需要在隧道外部安裝這些附件，增加了皮帶機在地面的長度，需要在地面預留長度為130 m的距離。

2 皮帶機的關鍵參數分析

連續皮帶機驅動形式包括三種，分別為：頭部集中布置驅動裝置、頭部和中間分別布置驅動裝置以及多級皮帶輸送機搭接。三種驅動形式各有其優缺點，適用于不同的地質及生產條件，當運輸距離較長時頭部集中布置驅動裝置可能造成動力不足，需要改進相應的設備，成本較高且運輸過程不穩定，所以不采用該種方式布置皮帶驅動裝置。而多級皮帶搭接這種方式在皮帶搭接處需要的空間較大，而井筒直徑相對較小，不能滿足多級皮帶搭接，也不適用于主斜井運輸。綜合考慮各方面的因素，選擇頭部和中間分別布置驅動裝置的方式來布置皮帶，輸送機搭接可選用強度低的輸送帶，輸送帶規格降低，成槽性好，可保證大運量要求。

皮帶運輸距離越長，其遇到的阻力也越大，阻力主要來自四個部分，第一部分是由承載分支和回程分支托輥帶來的旋轉阻力以及輸送帶和物料帶來的摩擦阻力組成主要阻力，第二部分是由單個位置的摩擦阻力和慣性阻力組成的附件阻力，另外兩個阻力分別為特種阻力和傾斜提升阻力。井筒掘進長度約為6 320 m，相應的皮帶最長延伸到6 245 m，托輥自身旋轉的阻力、托輥與皮帶間的阻力及物料與皮帶間的阻力都會影響皮帶的運輸，運輸距離增加時，所需要的動力也更大。在長距離運輸過程中，皮帶容易跑偏，如果沒有及時進行糾正，可能造成物料灑落和托輥磨損等危害，嚴重時還會引發皮帶脫離托輥，造成較大事故。傾斜提升阻力主要是由于地形具有坡度，本礦井條件下井筒的坡度為6°，皮帶運輸機將掘進留下的渣土從640 m井下運輸到地面，皮帶和渣土的自重較大帶來的阻力也較大，皮帶運輸時遇到的阻力越大，皮帶受到的張力也越大，大大降低了皮帶運輸機各個部件的強度，影響皮帶的使用壽命。

2.1 輸送帶參數確定

2.1.1 輸送帶帶速確定

參照《DTII（A）型帶式輸送機設計手冊》可以得到皮帶運輸機的單次循環最大出渣量為510 t/h，同時根據礦井實際條件，渣土的最大粒徑取300 mm，運輸長度為6 320 m，傾角為6°。根據輸送帶設計手冊可知，帶速取值為1.25～4 m/s之間，同時考慮本礦井井筒傾角為6°運輸距離大約為6 320 m，對輸送帶提出更高要求，參照不同類型渣土帶速表，初步確定帶速為2.5 m/s。

2.1.2 由運量確定輸送帶寬度

帶式輸送機的帶速、寬度和輸送能力之間的關系可用式（1）表示：

式中：Q1為單次循環最大出渣量，t/h；K為貨物斷面系數，410；B為輸送帶寬度，m；v1為輸送帶帶速，m/s；γ為輸送料容量，t/m3；c為皮帶機傾角對輸送量的影響系數，取0.98；ζ為速度系數，取0.90。

2.1.3 由渣土最大粒徑確定輸送帶寬度

根據輸送帶滿足最大顆粒的粒徑，可得到式（3）：

式中：dmax為運送顆粒的最大粒徑，取300 mm。最后輸送帶寬度為根據運輸量和運料粒徑決定的最大值，即最后得到輸送帶的寬度為800 mm。

針對前面確定的輸送帶寬度，根據帶速進行寬度校核，

式中：Qn為輸送帶理論運輸量，t/h；S為輸送帶運載的貨物最大橫截面積，取0.042 m2；v為輸送帶帶速，2.5 m/s；k為傾斜輸送機面積折減系數，由傾角表取0.94；γ=2.5 t/m3。

計算得Qn=889 t/h。

根據上面計算結果可知皮帶實際輸送量小于理論輸送量，從而可以確定所選擇的帶速2.5 m/s滿足皮帶運輸要求，帶寬和速度都合理。

2.2 皮帶阻力及各點張力的計算

2.2.1 皮帶總阻力計算

每米輸送帶運輸的貨物質量為：

參照帶寬與輥徑表可知承載分支每組托輥旋轉部分的質量qz為10.23 kg，回程分支每組托輥旋轉部分質量qr為8.65 kg，最后計算得知承載分支托輥組單位長度旋轉部分質量為，回程分支托輥組單位長度旋轉部分質量為kg/m，式中az和ar分別為承載分支托輥間距和回程分支托輥間距，其值分別為1.5 m和3 m。

根據前面求出的質量，進行皮帶主要阻力的計算，具體如式（7）所示：

式中：f為阻力系數，取0.03；L為輸送帶長度，m；L′為承載分支水平段長度，為130 m。

輸送帶額外阻力包括清掃器和卸料器所產生的阻力，計算如式（8）：

式中：Fe為特種阻力，N；Fq為清掃器帶來的阻力，480 N；Fx為卸料器帶來的阻力，1 200 N。

計算得Fe=2 400 N。

皮帶提升時所承受的阻力通過式（9）計算：

從而得出皮帶運輸的總阻力包括上面所計算的三種阻力，總阻力計算式如下所示：

式中：J為附加阻力系數，J=（L+1 000）/L。

2.2.2 各點張力Sn計算

由于驅動裝置按照1∶1功率配比，總動力等于總阻力，根據歐拉公式計算各點張力，計算如下所示：

式中：FL1、FL2為機頭第一和第二驅動滾筒圓周力，N；μ2、φ2為機頭第二驅動滾筒的摩擦系數和包角；Si為i處的張力。

2.3 中間驅動裝置位置確定

中間驅動裝置安裝位置，輸送帶工作中由于磨損以及其他安全要求，必須具有一定富裕系數保證皮帶正常運行，必須滿足式（15）：

最后得到皮帶最大張力為

式中：m為輸送帶安全系數；σs為輸送帶強度，N/mm；[m]為輸送帶許用安全系數，取7。

經計算可知輸送帶長度達到3 265 m時，輸送帶強度不能滿足運輸要求，可能發生事故，綜合考慮相關因素確定中間驅動裝置安裝于距離機頭3 000 m處。

3 結論

針對新界煤礦主斜井長距離皮帶運輸的特點，選取采用頭部和中間布置驅動裝置的皮帶運輸方式，根據本礦井條件，分別計算皮帶的寬度、阻力以及各點張拉力，得到了皮帶的寬度為800 mm，皮帶運行速度為2.5 m/s，皮帶中間驅動裝置位于3 000 m處，皮帶的最大張力值為268.54 kN，皮帶的運行阻力系數為0.04。