大傾角下帶式輸送機設計的關鍵技術研究

薛海飛

（山西潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046102）

與傳統運輸機相比，大傾角下帶式輸送機有助于縮短巷道的開拓周期，節省基礎設施的建設成本，促進運輸設備功能的充分發揮，但大傾角帶式運輸形式存在物料下滑、制動加速度等問題，容易威脅礦井安全生產[1-2]。我國常見的帶式輸送機下運角度通常為-25°，與國外相比差距較大。受上、下運輸送力學原理差異性的影響，在傾角大于25°的前提下，隨著傾角的提升，控制的難度會隨之增大。若不能對運帶式輸送機進行優化設計，會導致嚴重的后果。以常村煤礦為例，矸石為該煤礦的主要運輸物料，堆積密度約為1.8t/m3，運距為153m，最大傾角為-31°，運量為400t/h，最大塊度為300mm，在國內極為罕見。基于此，探索大傾角條件下運帶式輸送機設計的關鍵技術十分必要。

1 大傾角下運帶式輸送機設計的目的

本設計的目的在于解決大傾角運輸機輸過程中物料下滑、飛矸以及能耗大的問題，旨在形成下運帶式輸送機運行安全性的保障。本次下運帶式輸送機設計的總體構想如下：

1）由于矸石容易滑落，加之輸送傾角較大的影響，因此，應將輸送帶的速度維持在1.6m/s為宜。與此同時，受下運帶式輸送機長度短的影響，加之功率較小，應采用機尾單傳動方式，并利用重錘小車拉緊。

2）為了避免因矸石進入滾筒，對下運帶式輸送機的使用壽命產生不良影響，應將一級毛刷清掃器和二級震動清掃機加裝在卸料處，將空段清掃器安裝在尾部滾筒附近，如圖1所示。

圖1 下運帶式輸送機側型布置圖

3）分別將60°深槽托輥組和平行托輥組作為承載托輥和回程托輥，深槽托輥參數結構圖見圖2，具體參數見表1。

圖2 深槽托輥參數結構圖

表1 托輥參數表

4）由于帶式輸送機的破碎機能夠處理的矸石最大塊度小于300mm，結合帶寬的計算公式B=2×αmax+200=800mm，可將鋼見繩芯輸送帶的帶寬確定為1000m。圖2陰影部分與物料在托輥組堆積的截面積相近，設定為0.16m2，傾斜折減系數計算公式如下：

根據計算，帶式輸送機的選型見表2。

表2 輸送帶選型

2 驅動系統與電控系統設計

2.1 驅動系統設計

基于滿載的工況下，ST800帶式輸送機的長度較短，傾角較大。假設摩擦因子值為0.012，附加阻力系數值為1.58，圓周驅動力為-55082.7N，則傳動滾筒軸和電動機的功率可分別依據式（1）和式（2）進行計算：

其中：kd代表電動機備用系數，取值1.2，η為傳動效率，取值0.98，ξ代表電壓降系數，取值0.92，ξd為多機不平衡系數，取值1。通過計算可得，傳動滾筒軸和電動機的功率分別為80.8kW和103.2kW。

本次驅動系統設計選用了YBBP-315M-4型變頻電動機，其功率約為132kW，并選用四象限變頻交流器和直徑為630mm的DTII04A5164S型傳動滾筒。與此同時，為了形成制動安全性的保障，應結合以下公式對制動力矩進行計算：

據此可選用制動力矩為40kN·m的自冷盤式制動器。

2.2 電控系統設計

PLC是電控系統運行的核心構件，制動泵電動機、電動機轉速、帶速傳感器、電流傳感器、油壓傳感器和綜保裝置式電控系統的主要構件，電控系統構成見圖3。

圖3 電控系統示意圖

1）電動機的轉速和帶速是電控系統的重要物理參數，在電控系統中，設計有電動機轉速和帶速檢測單元，負責將以上兩個物理參數轉化為模擬電信號。

2）綜保裝置設計的目的在于實施檢測輸送機運行狀況，及時識別打滑、超溫、急停和撕帶等故障。

3）借助于控制盤式控制器，能夠參照相應的比例，將油壓控制在0.5到1.0MPa。

3 啟、制動控制系統設計

將上載荷作為參考依據，可將啟、制動控制系統運行狀態劃分為發電工況和電動工況。

1）與傳統輸送機相同，電動工況下的輸送機在啟動時只需松開制動閘，在確保輸送帶不動的前提下，結合變頻器的加速曲線點擊軟啟動。在制動時，應首先將電動機的轉速降低到1500r/min以下，切斷主機電源，促進油壓降低，逐漸減速停車。

2）基于發電工況下，帶式輸送機大多基于滿載運行狀態，此時可緩慢松開制動閘，輸送帶呈現向下的加速運動，借助于速度傳感器對電動機的轉速和帶速進行測定，若轉速達1500r/min，投入主電動機。基于發電工況的制動操作，需要確保電動機轉速高于同步轉速，先依據相應比例減小閥電流值，降低油壓，促使輸送帶發生減速，在轉速接近1500r/min時，逐步降低控制油壓，在制動速度達0.1～0.3m/s2后，可實施停車操作。

4 超速和打滑保護系統設計

1）超速保護：若電動機的負載超過相關標準要求，會導致轉速增加，存在超載運行的風險，面對這種情況，應立即停止加載，待轉速恢復正常后，再進行相應的加載操作。針對超速I（停止或者減少加載對應的轉速），給煤機會自動發生斷電，待轉速恢復正常后再自動啟動給煤機。若輸送機的電動機轉速接近臨界值1500r/min，表明下運式輸送帶處于超載運行狀態，應發送停車信號，以上工況也可被定義為超速II。

2）打滑保護：由于托輥與輸送帶的摩擦力降低，會導致輸送帶與托輥之間發生滑動，且托輥的表面線速度明顯低于輸送帶的帶速，稱之為打滑I。一旦發生打滑I，會導致輸送帶在摩擦的作用下發生磨損，嚴重的還會又發瓦斯爆炸等事故。因此，應合理設置輸送帶的速度，若超出最大標準，給煤機可自動進行斷電。若因運輸帶卡死而發生打滑，則稱之為打滑II。打滑II極容易引發撕帶故障，一旦遭遇這種情況，應立即停車。

5 上鋪帶裝置設計

在帶式輸送機上，上鋪帶裝置的設置目的在于覆蓋物料，并輔助輸送帶運行，防止物料發生脫落，增加托輥與運輸帶的摩擦力，防范飛帶事故的發生。上鋪帶裝置如圖4所示。

圖4 上鋪帶裝置結構圖

6 應用效果分析

解決皮帶超速保護、啟動制動控制及物料下滑是大傾角巷道帶式輸送機設計選型的關鍵問題，常村煤礦設計方案從根本上解決了上述問題，自該礦-30°大傾角帶式輸送機自2017年8月設計投入使用以來，沒有出現物料下滑現象，且節能效果較好，取得了良好的運行效果，具有較強的應用可行性，充分驗證了該設計的合理性。

7 結 論

1）常村煤礦-30°大傾角帶式輸送機采取設置合理皮帶速度，在帶式輸送機上加裝上鋪帶裝置等措施有效解決超速保護和物料下滑問題。

2）通過運行效果可知：該輸送機在常村煤礦運行中沒有出現物料下滑現象，節能性能明顯優化，具有較強的應用可行性。