長距離工作面帶式輸送機應用中部驅動技術的分析研究

馬香玲

（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054）

目前工作面帶式輸送機多采用阻燃整芯PVG/PVC 型輸送帶。為了滿足長距離工作面輸送機安全運行，結合國內PVG/PVC 輸送帶縱向拉斷強度和帶速水平，在帶式輸送機中采用中部驅動系統效果顯著，其可大幅度降低輸送帶張力[1-4]，有效地減小了輸送帶最大點張力，降低了輸送帶強度和自重，其對選擇經濟安全的輸送帶有著重要的意義。

本文結合陜西省黃陵建莊礦業有限公司建北煤礦（5.0 Mt/a）長距離工作面帶式輸送機設計項目，依據DT Ⅱ（A）帶式輸送機設計手冊，采用卸載式滾筒中部驅動技術，分析帶式輸送機各特征點張力，得出了中部驅動點位置的計算原則、方法和數學模型，滿足了長距離工作面帶式輸送機輸送帶的安全系數要求，實現了設備的可靠運行。

1 建北煤礦工作面帶式輸送機主要設計依據

根據礦井開拓要求，建北煤礦工作面長度L=3962 m，傾角δ=0°～2°，工作面峰值輸送量Q=2000 t/h，提升高度為H=138 m。

依據輸送量2000 t/h 及原煤粒度≤300 mm 要求，設計選用阻燃整芯輸送帶PVG2500（2500 N/mm）。按照原煤靜堆積角α=40°、動堆積角θ=15°、堆積密度ρ=900 t/m3、輸送帶上物料最大截面積S=0.151 2 m2進行輸送機設計選型計算。見表1。

表1 工作面帶式輸送機主要設計依據

2 中部驅動設計方案

2.1 中部驅動技術

中部驅動與頭部單點驅動原理相同，中部卸載式驅動滾筒趨入點和奔離點的輸送帶張力同樣滿足歐拉公式[5]，即滿足驅動滾筒不打滑要求。

滾筒卸載式中部驅動滾筒的輸送帶趨入點與奔離點的張力差為該滾筒需要輸出的圓周驅動力。采用滾筒卸載式中間驅動系統，輸送帶張力由輸送機尾部改向滾筒線性增大至中間驅動滾筒趨入點，再經該滾筒下降至奔離點后，又開始線性增加至下一中部驅動滾筒趨入點[6-7]。如此接力，由各中部驅動分擔整機的總圓周驅動力。滾筒卸載式中部驅動正是利用了這一原理，來達到降低輸送機輸送帶最大張力、延長輸送距離的目的[5][8][9]。

2.2 設計原則

1）中部驅動點數確定

對于帶式輸送機，理論上在負載一定的情況下，總圓周驅動力是一定的，滾筒卸載式中間驅動點設置越多，輸送帶最大張力就降低得越多[5][9]。然而根據煤礦井下工作面的生產要求，工作面需定期更換開采。作為工作面主運輸設備的工作面帶式輸送機需要被定期拆裝，為適應此種工況，方便快捷地拆裝設備，設計應盡量減少中部驅動點的個數，通常僅布置一個中部驅動點[1]。

2）驅動功率單元確定

由于滾筒卸載式中部驅動是輔助性驅動，應充分考慮發揮頭部主驅動裝置的作用，考慮帶式輸送機元部件小型化和通用化，一般各驅動單元取相同。為了簡化中間驅動系統，一般滾筒卸載式中間驅動只采用一個驅動滾筒[10-11]進行驅動。

2.3 布置方案

依據中部驅動技術原理和工作面帶式輸送機設計原則，根據黃陵建北煤礦工作面帶式輸送機設計參數，設計采用頭部集中雙滾筒3 個電機驅動+1個中部滾筒雙電機驅動方式，功率配比2:1:2，共5套驅動裝置。建北煤礦工作面帶式輸送機頭部2:1集中驅動+中部2 套驅動布置簡圖如圖1。

圖1 建北煤礦工作面帶式輸送機中部驅動布置簡圖

3 中部驅動位置數學模型確定與關鍵點張力分析

3.1 初定工作面帶式輸送機基本參數

根據黃陵建北煤礦工作面帶式輸送機設計依據，初定帶式輸送機基本參數為：機長L=3962 m，輸送量Q=2000 t/h，傾角δ=0°～2°，提升高度H=138 m，帶寬B=1.2 m，帶速V=4.5 m/s，托輥直徑159 mm，上托輥間距1.2 m，下托輥間距3 m，模擬摩擦系數f=0.028。建北煤礦工作面帶式輸送機主要計算參數見表2。

表2 建北煤礦工作面帶式輸送機主要計算參數

其中，上分支主要阻力：

下分支主要阻力：

FH2=[（qB+qRU）·f·cosδ-qB·sinδ]·g=0.2 N/m

3.2 圓周驅動力及電機功率計算

1）圓周驅動力計算

圓周驅動力為輸送機所有阻力之和[12]。即總阻力包括：主要阻力、附加阻力、特種阻力、提升阻力。

在確定帶式輸送機設計方案前期，對于大型帶式輸送機而言，附加阻力和特種阻力對總阻力影響較小，可暫不計入[13]。所以依據式（1）以及表2中主要計算參數，計算總阻力FU=419 162 N。

2）電動機功率計算

式中：PM為驅動功率，kW；K為電機備用系數，取1.2。

依據式（2）計算驅動功率PM=2263 kW。設計采用5 套驅動裝置，故單臺電機功率為453 kW，選用500 kW 電機。

采用永磁驅動時，驅動轉矩；

式中：T為電機驅動轉矩，N·m；n為電機轉速，55 r/min；PM為電機功率，取453 kW。

經計算T=78 657 N·m，選礦用隔爆型永磁同步變頻電動機TBVF-500/60YC，1140 V，額定功率500 kW，額定轉矩86 818 N·m，5 臺。

3.3 中部驅動位置確定數學模型及計算

1）中部驅動位置確定數學模型

如圖1，頭部驅動裝置的傳動滾筒2 奔離點處輸送帶的初張力為F2，使其先滿足傳動滾筒2 的歐拉公式 ，即為滿足不打滑時最小張力，傳動滾筒1趨入點輸送帶張力為F1。依據等功率分配法，則有

式中：Fe為輸送帶許用張力，N；F1為頭部傳動滾筒1 輸送帶趨入點張力，N；F2為頭部傳動滾筒2 輸送帶奔離點張力，N；FU為根據負載計算的總驅動力，即總阻力，N。

在中間驅動裝置傳動滾筒奔離點的輸送帶張力F8應滿足：

則有L1≤（F1-F8）/FH1（4）

式中：L2為中部傳動滾筒中心與頭部滾筒中心的距離，m；F8為中部傳動滾筒輸送帶奔離點張力，N；FH1為上分支主要阻力，N/m。

中部驅動裝置傳動滾筒趨入點輸送帶張力F7應滿足：

式中：F7為中部傳動滾筒輸送帶趨入點張力，N；F4為尾部滾筒輸送帶奔離點張力，N；L為頭部卸載滾筒中心與尾部滾筒中心線的距離，m。

則有L2≥（F4+FH1L-Fe）/FH1（5）

根據式（4）、式（5），中部驅動位置可在以下范圍內選取，即確定中部驅動位置的數學模型。

2）各特征點張力及中間驅動位置計算

根據工作面帶式輸送機設計參數，依據上述式子與中部位置確定的數學模型，計算各特征點張力，計算結果見表3。

表3 各特征點張力

依據各張力點張力數值，根據中部驅動位置計算模型式（6）計算，可得頭部滾筒中心與中部傳動滾筒中心的距離L1可取范圍為1558 m≤L1≤2588 m。

中部驅動裝置初步位置依據上述數學模型確定后，具體位置還應考慮工作面輸送機線路布置、安裝和供電便利等因素。圓周驅動力計入附加阻力和特種阻力，再采用閉環逐點張力詳細計算方法計算出各特征點的輸送帶張力。其中中部傳動滾筒奔離點最小張力必須同時滿足傳動滾筒不打滑條件和輸送帶承載分支垂度最小張力F承min要求。

建北煤礦工作面帶式輸送機經詳細計算后，逐點計算各特征點張力：

①F1=296 812 N ＜Fe=300 000 N，滿足輸送帶許用張力要求；②F2=45 315 N；③F1-2=129 147 N；④F3≈F4=47 187 N ＞F承min=23 470 N，滿足輸送帶垂度最小張力要求；⑤F7=291 953 N ＜Fe=300 000 N，滿足輸送帶許用張力要求；⑥F8=108 785 N＞F承min=23 470 N，滿足輸送帶垂度最小張力要求。

根據以上計算，各張力點均滿足輸送帶垂度最小張力要求和傳動滾筒不打滑條件，確定各特征點張力后，根據式（6）計算可得中部驅動位置在距機頭1567 m處。此位置為各特征點張力較優的位置。

3.4 關鍵點張力要求分析

1）目前國內工作面可伸縮帶式輸送機可用的阻燃整芯PVG 輸送帶成熟規格為PVG2500 N/mm，計算長距離復雜工作面輸送帶的許用張力Fe可采用該帶強計算。

2）依據負載計算總功率后，先初步確定主驅動和中部驅動的功率配比，且要充分發揮主驅動裝置的作用，考慮部件通用化。一般取等功率單元，主驅動功率是單個中部驅動功率的整數倍[10]。以此原則確定主驅動傳動滾筒奔離點的最小張力。

3）確定驅動單元數量和電機功率后，依據輸送帶最大張力不得大于許用張力，中部驅動輸送帶奔離點最小張力不小于輸送帶承載分支垂度最小張力要求，依此確定中部驅動的位置。

4 結語

1）在長距離工作面帶式輸送機中通過增設中間驅動裝置，均衡負載，分擔總功率，有效降低了輸送機最大點張力，從而使最大點張力滿足輸送帶的許用張力，滿足長距離工作面帶式輸送機的阻燃輸送帶PVG2500 縱向拉斷強度運行要求。

2）利用輸送帶傳動原理，確定優先發揮主傳動滾筒的驅動力原則，使得中部驅動傳動滾筒奔離點滿足承載分支垂度最小張力要求，以及滿足主傳動滾筒和中部傳動滾筒趨入點張力小于輸送帶許用張力，得出了長距離工作面帶式輸送機的中部驅動位置計算數學模型，為確定類似項目的中部驅動點位置提供參考和借鑒。