線性摩擦驅動技術在帶式輸送機改造中的應用

劉 洋

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

越來越多的礦井在技術進行升級改造中，礦井主斜井帶式輸送機的運輸能力需要相應增加；再者某些企業隨著自身發展，也需要提高礦井產量。在這2種條件下，致使很多礦井已有的主斜井帶式輸送機不能滿足要求，要重新進行改造。

從使用情況來看，解決以上問題無非3種方式，第一種就是原有設備不予利用，全部重新改造。該方案改造時間長，投資大，改造期間礦井必須處于停產狀態；第二種就是采用中部驅動技木，該方式增加了輸送帶的彎曲和沖擊頻次，使輸送帶壽命縮短，且增加功耗，加之輸送帶清掃困難。中部驅動所需安裝空間較大，增加井巷施工，因而現場應用較少；第三種就是運用線性摩擦驅動技術(德國福伊特公司稱之為TT-drive)。

1 線性摩擦驅動技術

1.1 線性摩擦驅動帶式輸送機原理

布置方式：原有帶式輸送機承載段安裝在線性摩擦驅動帶式輸送機上帶面，線性摩擦驅動帶式輸送機頭尾滾筒被驅動，一端滾筒需要拉緊，如圖1所示。

圖1 線性摩擦驅動技術帶式輸送機

工作原理：線性摩擦驅動帶式輸送機與普通帶式輸送機原理不同，普通帶式輸送機是靠輸送帶與傳動滾筒的摩擦阻力，線性摩擦驅動帶式輸送機依靠承載帶和驅動帶的摩擦阻力將中間驅動裝置的動力傳遞給承載輸送帶。因此，線性摩擦驅動帶式輸送機牽引力是由承載帶上下分支的運行阻力及傾斜阻力和線性摩擦驅動帶式輸送機空載回程阻力組成。

1.2 牽引力計算

線性摩擦驅動的牽引力：

F驅=ω·L驅·g·[q′+q″+(qB1+ 2×qB2+qG)·cosβ] +(qB1+qB2+qG)·g·H驅

式中：ω—模擬摩擦系數；q′—上托輥轉動部分質量；q″—下托輥轉動部分質量；L驅—線性摩擦驅動帶式輸送機長度；H驅—線性摩擦驅動帶式輸送機提升高度；qB1—原帶式輸送機膠帶每米長度質量；qB2—線性摩擦驅動帶式輸送機膠帶每米長度質量；qG——每米物料的質量。

牽引段上分支承載部分的牽引力：

F牽=ω·L牽·g·[q′+(qB1+qG)·cosβ] +(qB1+qG)·g·H牽

式中：L牽—原帶式輸送機牽引長度；H牽—原帶式輸送機被牽引段提升高度。

頭部牽引上分支承載部分的牽引力：

F頭=ω·L頭·g·[q′+(qB1+qG)·cosβ] +(qB1+qG)·g·H頭

式中：L頭—原帶式輸送機頭部牽引長度；H頭—原帶式輸送機頭部牽引段提升高度。

帶式輸送機下分支回程阻力的牽引力：

F回=μ·L·g·[q′+qB1·cosβ]

式中：μ—下托輥回程摩擦系數。

帶式輸送機驅動力：

FU=F頭+F驅+F牽+F回

FU1=F驅+F牽

FU2=F頭+F回

1.3 功率分配

線性摩擦驅動帶式輸送機的驅動功率單元由頭部驅動單元和線性摩擦驅動單元2部分組成，線性摩擦驅動單元可以承載F驅或者F驅與F牽之后，其余均有頭部單位驅動。

1.4 優點分析

安裝位置靈活：線性摩擦驅動帶式輸送機安裝位置靈活，可以根據井下巷道情況的需要自由移動；用戶也可以根據張緊力調配的需要采用多條線性摩擦驅動帶式輸送機驅動，系統配置靈活，適應性極強，同樣用戶也可以增加線性摩擦驅動皮帶承載力范圍，來降低主驅動的驅動。

多驅動方式：可以采用多條線性摩擦驅動帶式輸送機，這樣可以大大減少頭部驅動的驅動力，進而將帶強大幅降低，可以采用PVG阻燃膠帶代替ST鋼絲繩芯膠帶，投資大大降低。

降低膠帶強度：隨著膠帶強度降低，可以降低膠帶彎曲應力，節省膠帶壽命，同時也有效節省滾筒使用壽命。低帶強的膠帶厚度更薄，每卷膠帶更長，致使帶式輸送機中接頭數量更少，運行可靠性更高；此外低帶強的膠帶膠頭接頭硫化工藝相對更為簡單方便。

驅動單元小型化：在保證總功率不變的情況下，采用更小的驅動單位，從而使帶式輸送機元部件設計小型化、通用化，既改善零部件的加工條件，又方便運輸、安裝及維護。

布置緊湊：中途不增加轉運站，布置緊湊，占地小，減少帶式輸送機的受力，進而降低土建的投資。

改造方便：如果原有帶式輸送機必須靠提高帶速增加運量的情況下，只需要更換原有電機或者減速機即可，較重新更換設備節省大量投資。

能力可調：礦井達到服務年限后，隨著原煤可采煤量的降低，或者煤層開采條件的變化使得工作面采煤工藝放頂煤工藝轉向炮采工藝，都會導致系統運量減少，在此情況下也可拆除部分中部線性摩擦驅動帶式輸送機，使原有帶式輸送機能更有效適應各種因素變化，充分發揮設備的能力，減少能源的消耗和設備的浪費。

2 實例分析

例如新疆屯泰煤礦已有主斜井帶式輸送機，帶寬1.0 m，帶速3.15 m/s，輸送長度1 200 m，提升高度410 m，傾角20°，運量600 t/h，帶強St2500S，安全系數6.7，采用頭部雙驅，電機功率2×560 kW，整個系統內逆止器、制動器配備齊全；主機房內設有驅動間，卸載間雙層布置，二層頭部卸載，與一層轉載帶式輸送機搭接。目前整個系統完好，運行狀態良好。經計算分析此時最大張力為373 kN，最大滾筒受力613 kN。

由于礦井規模升級，為保證現有規模提升能力必須將主斜井帶式輸送機運量升級至800 t/h。結合礦方利益既要保證現有設備及現有主皮帶驅動機房內設施充分利用，最大限度減少工程量，節省投資，還要盡可能減少礦井停產時間，在此條件下采用線性驅動技術無疑是最佳選擇。以下對該礦井主斜井帶式輸送機進行分析。

帶式輸送機驅動力主要由上、下托輥運行阻力和傾斜阻力組成，由于本帶式輸送機傾角較大，因此下托輥阻力可忽略不計，只考慮承載段的摩擦阻力和傾斜阻力。

設計方案擬將增加300 m長的線性摩擦驅動帶式輸送機，暫定只承載自身和已有帶輸送機300 m長度的驅動力，設計擬增加一套線性摩擦驅動帶式輸送機，其帶寬1.0 m，帶速3.15 m/s，長度300 m，選用帶強PVG1250，安全系數10.7，電機功率2×200 kW。

2.1 驅動力計算

原有帶式輸送機驅動力：

F1=ω·L1·g·[q′+qB1·cosβ] +(qB1+qG)·g·H1=0.03×900×9.8×[10.38+27×cosβ]+(27+70.5)×9.8×308=253 kN

式中：L1—原帶式輸送機頭部牽引長度900 m；L2—線性摩擦驅動帶式輸送機牽引長度300 m；qB1—原帶式輸送機St2500S膠帶質量；qB2—線性摩擦驅動帶式輸送機PVG1250膠帶質量。

線性摩擦驅動所產生的驅動力：

F2=ω·L2·g·[q′+(qB1+qB2)·cosβ] +(qB1+qB2+qG)·g·H2=0.03×300×9.8×[10.38+(27+16)×cosβ]+(27+16+70.5)×9.8×102=93 kN

2.2 功率計算

電機功率計算：P1=1.4×253×3.15=1 116 kW<2×560 kW

電機功率計算：P2=1.4×93×3.15=408 kW

通過計算可以保證原有帶式輸送機保持不變。

2.3 效果分析

原有帶式輸送機設備保持不變，經計算其頭部最大張力為342 kN及最大滾筒合力為556 kN均小于之前600 t/h的受力，滿足正常使用要求，如圖2所示。

a-現有帶式輸送機增加800 t/h時受力曲線；b-現有帶式輸送機目前600 t/h時受力曲線；c-現有帶式輸送機增加800 t/h時引入線性驅動技術受力曲線圖2 膠帶機受力曲線

經過分析對于本礦井提高運力來講，增加一條小型帶式輸送機作為線性摩擦驅動的輔助動力源，即可在原有設備全部利用情況下，有效減少投資、且只需要短時間停產安裝機頭即可，給企業帶來不小的經濟效益。

2.4 驅動分析

由于線性驅動技術會增加電機數量，驅動分散，因此對系統驅動電機的功率平衡及軟啟動的分配也帶來相應問題。

目前變頻器在帶式輸送機上多采用一拖一運行，通過主從控制以及轉矩控制方式，將轉矩和轉速控制信號發送給PLC，PLC處理接收到的信號后進行運算處理，進而保證多臺電機的同時啟動以及功率平衡問題，就目前技術來講功率平衡可以達到97%以上。

3 結語

福伊特公司線性摩擦驅動技術開發了動態模擬軟件，針對不同領域，不同環境，只需輸入相應參數即可得出系統的設備配置參數，并能實現動態仿真模擬動畫。目前福伊特公司線性摩擦驅動技術在國外已被廣泛應用，但對于國內來講，隨著高產高效礦井的發展，國內皮帶機技術裝備大型化日益成熟，致使線性摩擦驅動技術在國內應用并不是很多，也并沒有得到認可?？晒P者認為對于運輸能力有提高要求的或帶式輸送機需要延伸的礦井，這種技術的確是一個很好的選擇。