12 采區(qū)集中運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)選型設(shè)計(jì)研究

李元堃

（寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750021）

帶式輸送機(jī)運(yùn)輸具有連續(xù)性的特點(diǎn)，被煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)普遍采用，本文以國(guó)能集團(tuán)寧煤分公司金家渠煤礦大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)為具體案例，對(duì)下運(yùn)工況帶式輸送機(jī)的運(yùn)量、功率、張力等進(jìn)行計(jì)算并選型，對(duì)同類(lèi)型帶式輸送機(jī)的選型具有重要的參考意義。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

金家渠煤礦為國(guó)能集團(tuán)寧煤分公司下屬主要礦井，礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)量4.0Mt/a，隨著礦井生產(chǎn)接續(xù)要求，金家渠煤礦委托寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院對(duì)礦井進(jìn)行12 采區(qū)接續(xù)設(shè)計(jì)，筆者為該設(shè)計(jì)主要參與者。

礦井12 采區(qū)集中運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)承擔(dān)12 采區(qū)主運(yùn)輸任務(wù)，12 采區(qū)設(shè)計(jì)產(chǎn)能2.0Mt/a，由上下運(yùn)輸環(huán)節(jié)擬定輸送機(jī)Q=1500t/h。

1.1 帶速帶寬及驅(qū)動(dòng)方式

輸送機(jī)帶速提高可減少帶寬及膠帶張力，進(jìn)而減小輸送機(jī)外形尺寸和井巷寬度，但帶速過(guò)大，托輥直徑加大，會(huì)增加更換托輥成本，過(guò)高的帶速膠帶的磨損也加劇，因此，結(jié)合國(guó)內(nèi)大型礦井帶式輸送機(jī)的使用現(xiàn)狀，綜合考慮選擇帶式輸送機(jī)的帶速為4.0m/s，帶寬B=1400mm。考慮井下安裝運(yùn)行環(huán)境惡劣、減少驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)以及采用先進(jìn)技術(shù)等綜合因素，設(shè)計(jì)采用變頻器+ 永磁同步變頻電機(jī)啟動(dòng)，確保井下煤炭運(yùn)輸安全可靠。

1.2 初定設(shè)計(jì)參數(shù)

輸送能力Q=1500t/h， 機(jī)長(zhǎng)L=1052m， 帶寬B=1400mm，傾角δ=-16°，下運(yùn)高差約-298m，帶速V＝4.0m/s，上托（ao=1.2m、λ 為35°）、下托（au=3.0m、λ 為10°）、輥徑均=194mm。

2 參數(shù)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)輸送能力

根據(jù)原煤在輸送帶上的動(dòng)堆積角15°、輸送機(jī)槽角35°及膠帶傾斜角度，對(duì)應(yīng)出k 為0.89、S 為0.21044 m2；v為帶速，4.0m/s；ρ 為物料松散密度；ρ=900kg/m3。

2.2 根據(jù)原煤的最大粒度核驗(yàn)輸送機(jī)的帶寬

式中，dmax為煤的最大粒度，按300mm 計(jì)。

2.3 圓周驅(qū)動(dòng)力、電機(jī)功率

圓周驅(qū)動(dòng)力：Fu=CFH+FS1+FS2+FSt

帶式輸送機(jī)運(yùn)行所受阻力（見(jiàn)圖1）；FH帶式輸送機(jī)的主要阻力，F(xiàn)S1特種主要阻力，F(xiàn)S2特種附加阻力，F(xiàn)St傾斜阻力，C 附加阻力系數(shù)，取1.085。

圖1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行阻力簡(jiǎn)圖

2.3.1 FH（輸送機(jī)主要阻力）

（35°槽角，Φ194×530 三托輥）

(10°槽角，Φ194×800 兩托輥)

f 取0.014；L 取1052m；δ 取-16°；g 取9.81m/s2；V 取4.0m/s；擬初選抗拉強(qiáng)度為ST2500 阻燃鋼芯帶。

2.3.2 FS1（特種主要阻力）

Fε=Cεμ0Ln(qB+qG)gcosδsinε， 托 輥 的 前 傾摩擦阻力；（導(dǎo)料槽摩阻）；Cε=0.43（槽系）；μ0=0.35（托輥與輸送帶間摩系）；Ln=1052m（前傾托輥安裝總長(zhǎng)度）；ε=1.5°（托輥前傾角）；μ2=0.6（物料與導(dǎo)料槽間摩系）；b1=0.9m（導(dǎo)料槽欄板寬度）；l=4.5m（導(dǎo)料槽欄板 長(zhǎng)）；（輸送能力）；經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)ε=6.08kN，F(xiàn)gl=0.22kN，F(xiàn)S1=6.08+0.22=6.3kN。

2.3.3 Fs2（特種附加阻力）

Fr=2.5Apμ3（清掃器摩阻）；Fn取0（犁式卸料器摩阻，無(wú)此設(shè)備取0）；A=0.01m2（清掃器與輸送帶接觸面積）；P 取10×104N m2（清掃器與輸送帶間壓力）；μ3取0.6。

2.3.4 FSt（傾斜阻力）

其中，qG=104.17kg/m（ 輸送機(jī)每米運(yùn)輸量）；H=-2 9 8 m（ 下 運(yùn) ）； 驅(qū) 動(dòng) 圓 周 力：FU=1.085×30.43+6.3+0.96-304.52=-264.24kN（Fu 為負(fù)值表示圓周力與輸送機(jī)運(yùn)行方向相反，電機(jī)提供輸送機(jī)勻速向下運(yùn)行的控制力，處于發(fā)電工況）。

傳動(dòng)軸功率計(jì)算：

2.4 輸送機(jī)張力計(jì)算

輸送機(jī)正常運(yùn)行須滿(mǎn)足兩個(gè)條件：輸送帶下垂度、不打滑（帶式輸送機(jī)各點(diǎn)張力簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖2）。

圖2 帶式輸送機(jī)各點(diǎn)張力簡(jiǎn)圖

2.4.1 下垂度要求

為限制兩托輥間輸送帶下垂度，輸送帶上任一點(diǎn)張力需大于Fmin（最小張力）。

h/amax取0.01（輸送帶可容許最大垂度）。

2.4.2 不打滑要求

驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶不打滑需滿(mǎn)足：

Fumax偉最大啟動(dòng)圓周力，經(jīng)計(jì)算為343.51kN。

輸送帶與傳動(dòng)滾筒的摩擦系數(shù)μ=0.30，設(shè)計(jì)采用雙滾筒驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾筒1 的圍包角φ1=185°，查表得euφ1=2.63；驅(qū)動(dòng)滾筒2 的圍包角φ1=220°，查表得euφ2=3.17；

由輸送帶不打滑條件得出：

考慮電機(jī)及配件的通用性，設(shè)計(jì)選用驅(qū)動(dòng)滾筒Ⅰ與驅(qū)動(dòng)滾筒Ⅱ的功率配比為2:1；根據(jù)功率配比，計(jì)算2號(hào)滾筒不打滑條件：

則：F3≥52.77kN

各特性點(diǎn)張力計(jì)算：

F4=F3-qBHg-fLg(qru+qBcosδ)-(Fs1+Fs2)/2=52.77-150.61-20.54-3.63=-122.01kN ＜0；（此處計(jì)算下帶面運(yùn)行阻力f 取0.03）。

張力為負(fù)值，不滿(mǎn)足皮帶4 點(diǎn)處下垂度要求，4 點(diǎn)處張力約等于5 點(diǎn)處張力，所以用5 點(diǎn)處滿(mǎn)足皮帶最小下垂度要求反推計(jì)算F3點(diǎn)處皮帶張力。

則：F3=F4+qBHg+fLg(qru+qBcosδ)+(Fs1+Fs2)/2=18.93+150.61+20.54+3.63=193.71kN。

F1=F5+(qB+qG)H g-f L g[qRO+(qB+qG)c o sδ]-(Fs1+Fs2)/2=22.03+455.14-28.05-3.63=445.49kN（ 此處計(jì)算上帶面運(yùn)行阻力f 取0.14）通過(guò)以上分析和計(jì)算可知，帶式輸送機(jī)的膠帶最大張力Fmax=445.49kN。選用ST2500 阻燃型鋼繩芯膠帶時(shí)的安全系數(shù)n=7.86，（帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范：鋼繩芯膠帶安全系數(shù)可取7 ～9）滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.5 電機(jī)功率

N=KPA=1.25×984.96=1231.2kW

式中，PA為軸功率，經(jīng)計(jì)算為984.6kW；K 偉電機(jī)功率系數(shù)，取K=1.25，下運(yùn)可取小值。

設(shè)計(jì)選用單臺(tái)電機(jī)功率450kW,共三機(jī)驅(qū)動(dòng)，總功率為1350kW。

2.6 制動(dòng)計(jì)算

根據(jù)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范向下輸送的帶式輸送機(jī)，必須裝設(shè)制動(dòng)裝置，現(xiàn)對(duì)本次選型帶式輸送機(jī)制動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)算。

2.6.1 輸送機(jī)制動(dòng)計(jì)算

式中，F(xiàn)B為停車(chē)所需制動(dòng)力）；aB為制動(dòng)減速度，取aB=0.1m/s2。

2.6.2 制動(dòng)力矩

式中，MB為制動(dòng)輪所需的制動(dòng)力矩，N·m；I 為制動(dòng)輪與傳動(dòng)滾筒的速比（采用永磁變頻同步電機(jī)取1）；D 為與制動(dòng)輪連接的傳動(dòng)滾筒直徑；η為制動(dòng)輪到傳動(dòng)滾筒的速比（采用永磁變頻同步電機(jī)取1）。

2.6.3 帶式輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)體上轉(zhuǎn)換到輸送帶體上的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)體的等效質(zhì)量

實(shí)在，k1為轉(zhuǎn)換系數(shù)（帶式輸送機(jī)上托輥旋轉(zhuǎn)質(zhì)量變換為輸送帶體上的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)等效質(zhì)量），取0.9。

2.6.4 帶式輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)體上旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)換到輸送帶體上的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)體的等效質(zhì)量

2.6.5 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)輸送機(jī)各點(diǎn)張力選擇驅(qū)動(dòng)及改向滾筒后查表得各滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及所選電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后經(jīng) 計(jì) 算 得mD=72630kg； 帶 入qB、qG、qRU、qRO、L 參數(shù)得mL=238183kg； 所需制動(dòng)力FB=(238183+72630)×0.1+264240=295.32kN； 所 需 制 動(dòng) 力 矩MB=(295.32×1.25)/2=184.58kN·m； 根據(jù)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，所選制動(dòng)裝置的制動(dòng)力矩不得小于帶式輸送機(jī)所需制動(dòng)力矩的1.5 倍，得出所選制動(dòng)裝置M ≥1.5×MB=276.87kN·m。

2.7 拉緊力及拉緊行程

拉緊裝置設(shè)在卸載滾筒沿皮帶運(yùn)行反方向100m 處。

2.7.1 拉緊力

拉緊滾筒處皮帶張力如下：

F6=F4+qBg L s i nδ+f L g（qru+qBc o sδ）=22.03+13.93+1.96=37.92kN； 拉緊滾筒拉緊力≈37.92×2=75.84kN。

2.7.2 拉緊行程

式中，lSp為拉緊滾筒的拉緊行程；ε0為輸送帶的彈性伸長(zhǎng)系數(shù)以及永久伸長(zhǎng)綜合系數(shù),鋼絲繩芯取0.0025；ε1為托輥組間的輸送帶屈撓率，鋼絲繩芯取0.001；lN為輸送帶安裝附加行程；對(duì)于鋼絲繩芯lN=lu+0.5；lu為輸送帶接頭制作的總長(zhǎng)度(查表得1.77m)。

3 選型結(jié)果

帶式輸送機(jī)選型主要技術(shù)參數(shù)為：帶寬B=1400mm，運(yùn)量Q=1500t/h，帶速V=4.0m/s，長(zhǎng)度L=1052m，傾角δ=-16°，提升高差-298m（下運(yùn)）。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：隔爆永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)3 臺(tái)，單機(jī)功率450kW，功率配比2：1。

膠帶：St2500 阻燃型鋼絲繩芯膠帶2115m。

制動(dòng)裝置：KPZ-1600/375 一套， 制動(dòng)盤(pán)直徑1600mm，制動(dòng)力矩375kN·m。

液壓拉緊裝置：ZLY-01-100 型自控液壓拉緊裝置，拉緊小車(chē)最大拉力為100kN，拉緊行程8m，圖3 為12采區(qū)集中運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)布置圖。

4 結(jié)語(yǔ)

下運(yùn)帶式輸送機(jī)的傾斜運(yùn)行阻力與輸送機(jī)的運(yùn)行方向同向，計(jì)算其圓周驅(qū)動(dòng)力時(shí)應(yīng)取負(fù)值，當(dāng)運(yùn)輸距離與垂高達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，傾斜阻力會(huì)大于主要阻力和特種主要阻力加特種附加阻力之和，其結(jié)果是圓周驅(qū)動(dòng)力為負(fù)值，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元提供帶式輸送機(jī)勻速向下運(yùn)行所需的控制力，電動(dòng)機(jī)為發(fā)電運(yùn)行工況。

計(jì)算皮帶各點(diǎn)張力時(shí)，應(yīng)先按照滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)滾筒在不打滑條件下能提供所需的圓周驅(qū)動(dòng)力的情況計(jì)算驅(qū)動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)張力大小，并逐點(diǎn)計(jì)算至最小張力處，分析最小張力處張力是否滿(mǎn)足皮帶最小下垂度要求，如滿(mǎn)足則按驅(qū)動(dòng)滾筒提供所需圓周力不打滑條件，計(jì)算皮帶最大張力；若條件不滿(mǎn)足，則需按最小張力處張力滿(mǎn)足皮帶最小下垂度要求逐點(diǎn)反推算出驅(qū)動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)處張力，繼而計(jì)算出皮帶的最大張力。