帶式輸送機的能耗優化研究

陳 煜

（大同煤礦集團機電裝備制造有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦生產對電能的巨大消耗一直是我國電力供應緊張的主要因素之一。散裝物料的運輸處理中，帶式傳輸機運輸處理效率高，是物料運輸處理的主要設備。由于輸送機選型與工作環境不協調以及運煤量易根據產煤量發生變化，導致輸送機在工作中不必要的能耗增多，比如輸送機的負載運行導致效率低下、過載運行導致能耗急劇增大。隨著煤炭行業逐漸向節能減排方向發展，針對輸送機的能耗優化成為煤礦節能減排的重要方向。帶式傳送機的能耗優化實質上就是通過優化結構參數、減小運行阻力，從而達到提高效率，實現降耗節能的目的。但是，因為煤礦生產條件復雜，更多的研究人員致力于通過外加的高效率電機來實現對傳送帶工作過程中能耗的優化，最常用的則是對電機速度的控制。該方法雖然可行，但是也增加了成本，導致了帶式輸送機維護管理的困難。為此，本文在分析輸送帶工作中阻力大小變化、帶速與運量之間的關系的基礎上，通過研究輸送帶參數對功率的影響，確定合適的參數，從而實現降低能耗。

1 帶式輸送機節能運行分析

帶式輸送機是由三相電機進行驅動的，帶動輸送帶在滾筒、軸承等支撐件上進行往復運動，實現對煤炭的運輸工作。但是，煤量太大會導致能耗越來越大、磨損越來越嚴重，煤量太小會導致效率低下、能源浪費。為了解決這個問題，必須了解輸送帶在工作過程中的具體情況，分別從兩個方面考慮：輸送帶運行阻力情況、帶速與運量的關系。

1.1 輸送帶運行阻力

輸送帶在工作中會受到各種各樣的阻力。阻力的存在會直接導致能耗的增加。一般將輸送機受到的阻力分為四大類：基本阻力、傾斜阻力、附加阻力、特殊阻力。

1）基本阻力主要是指煤與輸送帶以及輸送帶與托輥之間的摩擦力，這種阻力是導致整個系統能耗增大的主要因素，也是優化設計的重點。

2）傾斜阻力是由于起始地與目的地存在高度差而造成的，是物料重量的一個分量，是考慮輸送帶布置與裝載量的一個重要參數。

3）附加阻力是指在運輸過程中不可避免有外界因素造成的額外阻力，一般包括送料區的額外阻力、轉向過程中的阻力（局部阻力）、滾筒軸承運轉時的運轉阻力，該阻力是指導輸送機平臺搭建設計的主要參數，能夠為輸送機的設計提供思路。

4）特殊阻力是由于外接設備存在而導致的阻力，通常不予考慮。

1.2 輸送機帶速與運量的關系研究

由功率的計算方法可以看出，運量與運送速度直接影響了整個系統的功率，即能耗。圖1為運速、運量與功率之間的一般關系圖。可見，相同運量的限定下，輸送機的運送速度越高，所需的功率越大，消耗的能耗越多。相同功率限定下，運輸機運量越大，運送速度越慢。

因此運輸機運量、運速以及功率之間存在著相互制約的關系，設計時不能為了降耗而過度的降低運速，不但不會降低能耗，反而會增加生產成本。因此在選擇設計輸送機時，必須保證在輸送機正常工作條件下，適當的改變輸送帶的結構參數及材質，在運量、運速和功率之間達到一個平衡，使其在各種變化因素下能耗保持最低。根據實際情況，輸送帶的強度必須保持在一定范圍內，故帶速與運量必須滿足圖2所示關系：

而運速的調節也應該滿足下式：

式中：Q"為臨界運量，qm為運輸率。

2 輸送機結構參數對功率的影響分析

在輸送機設計的過程中，必須考慮輸送機功率大小和阻力的影響。為了在輸送帶自身做到最優化，必須分析各結構參數對功率的影響，使輸送機的能耗達到最優化。

2.1 帶寬對運行狀態的影響

帶式輸送機的帶寬通過物料大小確定。帶寬的不同直接影響了輸送機功率和阻力的變化。圖3為不同帶寬下的功率與阻力變化趨勢圖。從圖中可以看出，隨著帶寬的增加，運行阻力呈現了增長的趨勢，且增長速度越來越快。因為帶寬變大，輸送帶和物料單位面積上的質量增大，使得托輥上的阻力和輸送帶變形造成的阻力都變大，總的運行阻力變大。而驅動功率卻越來越小，因為阻力的增加導致輸送帶的速度變慢，并且速度變化的趨勢是大于阻力增大的程度的。如果從輸送機驅動功率考慮，應該選擇大帶寬的輸送機，并且在低速度條件下運行。但是在實際應用中，應該綜合考慮，不應該依據某一單個標準，還要考慮大帶寬帶來的其它問題，是整體成本最低才是我們追求的目標。

2.2 帶速對運行狀態的影響

在輸送機運輸的總量以及其輸送帶的寬度一定的情況下，輸送機的運行速度不同，物料在輸送機上增加的速率不同。這將導致托輥上面承受的阻力發生變化，輸送帶對下面部件產生的阻力也會發生變化，由于速度的變化，使得輸送帶上面的物料之間的阻力也將發生變化。

圖3 不同帶寬條件下運行阻力及驅動功率

圖4 不同帶速條件下運行阻力及驅動功率

圖4為變化帶速下阻力與功率的變化曲線，可以看出運行阻力會隨著帶速的增高而呈現下降趨勢。這是因為物料在單位面積上的質量變小，致使給托輥造成的壓力變小，由于速度變慢，致使物料內部之間的阻力變小。在輸送機帶寬確定的情況下，在滿足輸送量的情況下，通過選擇一個合適的速度以使輸送機的功率消耗達到最低。

2.3 覆蓋厚度對運行狀態的影響

覆蓋厚度是壓陷阻力的主要產生原因，壓陷阻力的存在直接影響了功率與運行阻力的大小。圖5為覆蓋厚度不同時阻力與功率的變化曲線，從圖中可以看出下覆蓋層厚度、運行阻力、驅動功率的變化趨勢是一致的。這是因為下覆蓋層的材質很大程度決定了壓陷的程度。一般黏性材料做成的下覆蓋層變形后不會立即反彈，造成大量能量損失，在厚度比較大的情況下，該現象更加明顯。由圖5可以看出運行阻力在不同的覆蓋層變化明顯，差值高達55 386.7 N。由此可以得出，覆蓋層材料的性質不但決定了其壽命，也影響著能源消耗。為此，研究新型覆蓋層材料對于輸送機節能有很大必要。

圖5 不同覆蓋層厚度下運行阻力及驅動功率

4 結語

從傳送帶自身優化節能出發，基于帶式輸送機運行狀態阻力及帶速與運量的關系，研究帶寬、帶速和輸送帶覆蓋厚度三個因素分別與運行阻力、驅動功率之間的關系，為輸送帶的節能設計優化提供理論依據。結合理論研究，依據節能要求，根據某礦的具體情況提出輸送機的設計方案，該方案的實施在滿足礦井要求的前提下，達到節能的目的。