帶式輸送機(jī)輸送帶安全系數(shù)的探討

王秀云

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng)110015）

帶式輸送機(jī)輸送帶安全系數(shù)的探討

王秀云

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng)110015）

從降低帶式輸送機(jī)輸送帶安全系數(shù)的必要性出發(fā)，分析了國(guó)內(nèi)外對(duì)帶式輸送機(jī)輸送帶安全系數(shù)的規(guī)定及存在的問(wèn)題，隨著接頭強(qiáng)度的增加和可控軟啟動(dòng)、制動(dòng)裝置的應(yīng)用，通過(guò)降低輸送帶安全系數(shù)達(dá)到減少工程項(xiàng)目投資，節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本的目的。

帶式輸送機(jī)；輸送帶；安全系數(shù)

0 引言

目前，在國(guó)內(nèi)外的礦山、建材、化工、糧食、冶金、電廠、港口碼頭等各個(gè)行業(yè)的大宗散狀物料輸送中，帶式輸送機(jī)、卡車(chē)和列車(chē)是主要輸送設(shè)備。帶式輸送機(jī)為連續(xù)輸送，而卡車(chē)和列車(chē)為間斷性輸送設(shè)備。帶式輸送機(jī)由于具有輸送距離長(zhǎng)、運(yùn)輸能力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、安全可靠且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等其他輸送機(jī)械不可比擬的優(yōu)點(diǎn)成為不可或缺的散狀物料輸送設(shè)備，特別是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，帶式輸送機(jī)在規(guī)格上已經(jīng)向長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高帶速、大型化發(fā)展。在礦山、輸煤廊道及輸送碼頭中，帶式輸送機(jī)小時(shí)輸送能力達(dá)萬(wàn)噸，單機(jī)機(jī)長(zhǎng)超過(guò)10 km；帶寬也已經(jīng)從1 400 mm以下逐漸應(yīng)用到1 600～2 200 mm[1]。

輸送帶是安裝在輸送機(jī)上用以承載和輸送物料的帶，輸送帶作為帶式輸送機(jī)最主要的部件，是帶式輸送機(jī)的承載構(gòu)件和曳引構(gòu)件，其價(jià)格一般占整機(jī)價(jià)格的30%～40%或以上[2]。如何合理地選擇輸送帶，降低輸送帶的造價(jià)，一直是設(shè)計(jì)研究者非常關(guān)注的課題，其中改善輸送帶的接頭制作技術(shù)從而提高輸送帶的接頭強(qiáng)度是一個(gè)重要有效的途徑。輸送帶的接頭對(duì)輸送帶的壽命起到關(guān)鍵的作用，接頭需經(jīng)受帶式輸送機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)、疲勞或耐久強(qiáng)度的考驗(yàn)。通過(guò)對(duì)接頭特性的研究，開(kāi)發(fā)有效的技術(shù)方法來(lái)提高接頭性能，降低輸送帶的規(guī)格，降低輸送帶的設(shè)計(jì)安全系數(shù)和降低輸送機(jī)成本。另外一個(gè)降低輸送帶安全系數(shù)的有效途徑是改善帶式輸送機(jī)開(kāi)機(jī)、停機(jī)時(shí)的啟動(dòng)、制動(dòng)性能。通過(guò)控制啟動(dòng)加速度、制動(dòng)減速度防止輸送帶張力及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力過(guò)大，過(guò)高的張力對(duì)輸送帶、輸送帶接頭、傳動(dòng)滾筒、從動(dòng)滾筒、減速器、聯(lián)軸器及軸、軸承等都會(huì)產(chǎn)生不良影響。保證帶式輸送機(jī)在各種工況下應(yīng)有可調(diào)、平滑、無(wú)沖擊的啟動(dòng)、制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的可控啟動(dòng)、制動(dòng)性能可以降低輸送帶的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

1 輸送帶安全系數(shù)的定義及存在的問(wèn)題

1.1 輸送帶安全系數(shù)的定義

DIN22101德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸送帶的安全系數(shù)的規(guī)定有一個(gè)發(fā)展變化過(guò)程。1942年實(shí)施的DIN22101—1942標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全系數(shù)是用輸送帶的最大張力T1和整個(gè)輸送帶寬度的抗拉強(qiáng)度計(jì)算出的，安全系數(shù)為10或更高，成為一個(gè)特別安全的推薦值。DIN22101—1982標(biāo)準(zhǔn)中鋼絲繩芯輸送帶安全系數(shù)的定義為鋼絲繩芯輸送帶的拉斷強(qiáng)度與輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸送帶張力的比值，根據(jù)該定義，鋼絲繩芯輸送帶的安全系數(shù)可折算為6.7～9.5，最小值為6.7。文獻(xiàn)資料對(duì)于最小安全系數(shù)6.7的計(jì)算組成解釋為主要由以下4個(gè)方面組成[3]：①設(shè)定帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸送帶張力為1；②設(shè)定帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)輸送帶的動(dòng)張力為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)張力的1.4倍；③設(shè)定帶式輸送機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中輸送帶的拉伸、變形、老化及磨損等總計(jì)為2.4倍；④假設(shè)輸送帶接頭的疲勞強(qiáng)度在脈動(dòng)循環(huán)10 000次之后為輸送帶額定強(qiáng)度的36%。

由以上4點(diǎn)得到的輸送帶最小安全系數(shù)為6.7。

1.2 存在的問(wèn)題

近幾十年來(lái)，國(guó)外的設(shè)計(jì)咨詢(xún)單位、立法機(jī)構(gòu)和研究單位經(jīng)過(guò)對(duì)輸送帶安全系數(shù)和輸送帶接頭的研究和測(cè)試，認(rèn)為德國(guó)該標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于鋼絲繩芯輸送帶安全系數(shù)的規(guī)定不合理。

1）設(shè)定啟動(dòng)時(shí)輸送帶的動(dòng)張力為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)張力的1.4倍不盡合理。該啟動(dòng)張力相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行的帶式輸送機(jī)而言為較少發(fā)生的周期性增加量，不應(yīng)作為連續(xù)疲勞因素考慮。

帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置廣泛使用軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)裝置使得輸送機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)加速度緩慢而可控，啟動(dòng)平穩(wěn)，這就使得啟動(dòng)的動(dòng)張力較沒(méi)有采用軟啟時(shí)大大減小。按現(xiàn)行驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用條件下，帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)輸送帶的動(dòng)張力為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)張力的1.4倍可以降低為1.1～1.3，可取1.25。

2）輸送帶的靜載荷和瞬間峰值載荷取決于輸送帶的接頭強(qiáng)度，而不是輸送帶綱繩的最大抗拉強(qiáng)度。輸送帶接頭動(dòng)態(tài)承載能力的增加會(huì)直接和輸送帶的“工業(yè)給定”的最小允許安全系數(shù)有關(guān)，任何接頭動(dòng)載荷承受能力的提高都將直接導(dǎo)致由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小的，可允許的輸送帶安全系數(shù)的降低。

隨著帶式輸送機(jī)接頭技術(shù)和接頭結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，接頭強(qiáng)度占36%的限定過(guò)于保守。通過(guò)改善鋼絲繩芯輸送帶橡膠和鋼絲繩特性、接頭結(jié)構(gòu)、接頭長(zhǎng)度、接頭尺寸控制技術(shù)和制造方法等可以改善輸送帶的安全系數(shù)。使用有限元分析方法預(yù)先指出接頭區(qū)域橡膠和鋼絲繩的應(yīng)力變化，可以估計(jì)接頭的多種方式和類(lèi)別，這樣就改善了接頭的動(dòng)態(tài)特征和減小了輸送帶的安全系數(shù)[4]。例如漢諾威大學(xué)對(duì)Palabora輸送帶的接頭疲勞強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，其改進(jìn)的輸送帶接頭強(qiáng)度能可靠地達(dá)到50%，這較之前36%的接頭疲勞強(qiáng)度提高了14%。

由以上2點(diǎn)可以得出輸送帶最低安全系數(shù)可以調(diào)整為4.5，比原來(lái)6.7的規(guī)定大大降低。

2 降低輸送帶安全系數(shù)的必要性

輸送帶安全系數(shù)降低后，可以有效地降低輸送帶的強(qiáng)度，從而減小輸送帶的厚度，減輕輸送帶的重量，進(jìn)而減少輸送機(jī)沿線(xiàn)的阻力，從而影響驅(qū)動(dòng)軸功率大小、功率選取、電動(dòng)機(jī)規(guī)格、減速器型號(hào)、輸送帶接頭的數(shù)量和復(fù)雜性、主從動(dòng)滾筒的規(guī)格、承載及回程托輥壽命、鋼結(jié)構(gòu)支撐以及土建工作容許等級(jí)等。降低輸送帶安全系數(shù)猶如讓帶式輸送機(jī)“輕裝上陣”，這一舉措將使項(xiàng)目的初期投資以及后期的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用降低，最大化的提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。節(jié)省費(fèi)用最多的是起伏不大的相對(duì)水平的輸送機(jī)。

澳大利亞Channar鐵礦，一條帶式輸送機(jī)機(jī)長(zhǎng)約20 km，輸送能力為2 200 t/h，將鋼絲繩芯輸送帶的安全系數(shù)由6.7降低到5.0，節(jié)省了大量的投資，其中輸送帶重量較原來(lái)減少了227 t（14%）；承載段托輥的使用壽命提高了7%；回程段托輥的使用壽命增加了40%；減少了輸送帶的接頭數(shù)量；帶式輸送機(jī)運(yùn)行張力的減小降低了對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)部件的要求，減少了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部件的投資，整機(jī)功率消耗降低了約4%；在20年的服務(wù)年限里可降低投資和NPV帶式輸送運(yùn)營(yíng)費(fèi)用約10%，其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀[5]。表1列出了3種輸送帶安全系數(shù)的節(jié)省投資情況比較。

表1 輸送帶安全系數(shù)與節(jié)省投資情況比較

3 對(duì)輸送帶安全系數(shù)的修訂

2002年，德國(guó)修訂了DIN22101—1982標(biāo)準(zhǔn)，新版德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN22101—2002連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備輸送散狀物料的帶式輸送機(jī)計(jì)算及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)對(duì)鋼絲繩芯輸送帶安全系數(shù)進(jìn)行了修訂，此次修訂突出了輸送帶接頭方法、運(yùn)行條件及輸送動(dòng)負(fù)荷能力對(duì)安全系數(shù)的影響。2011年實(shí)施的DIN22101—2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2002年標(biāo)準(zhǔn)原則上未作改變，僅進(jìn)行局部調(diào)整，在計(jì)算輸送帶和接頭基準(zhǔn)疲勞強(qiáng)度時(shí)，對(duì)鋼絲繩芯輸送帶的槽型過(guò)渡段，增加一個(gè)調(diào)整系數(shù)。DIN22101—2011標(biāo)準(zhǔn)中特別說(shuō)明了經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)予以保證的適用于鋼絲繩芯輸送帶的參數(shù)可作為最低要求，對(duì)于來(lái)自于大量實(shí)踐證明的鋼絲繩芯輸送帶的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，在進(jìn)行輸送帶最低拉斷力計(jì)算時(shí)，對(duì)于已確定的輸送帶類(lèi)型及接頭結(jié)構(gòu)，可以直接代入基準(zhǔn)疲勞強(qiáng)度直接進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算，帶式輸送機(jī)在運(yùn)行條件較好時(shí)，鋼絲繩芯輸送帶安全系數(shù)的取值范圍可以為4.5～6.0，較原規(guī)定有較大下降幅度。在輸送帶安全系數(shù)的選取時(shí)，帶式輸送機(jī)機(jī)長(zhǎng)越長(zhǎng)，輸送帶接頭數(shù)量越少，則相應(yīng)的安全系數(shù)可取較小值。在過(guò)去的幾十年間，許多工程中已將帶式輸送機(jī)安全系數(shù)取到了5.0或更低，工程實(shí)例見(jiàn)表2。

表2 鋼絲繩芯輸送帶安全系數(shù)應(yīng)用實(shí)例

4 我國(guó)對(duì)輸送帶安全系數(shù)的規(guī)定及分析

在我國(guó)，帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)剛剛起步時(shí)，輸送帶安全系數(shù)取值主要依照前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，取值比較保守，一般鋼絲繩芯輸送帶安全系數(shù)取為8～10。隨著設(shè)計(jì)水平的逐步提高，1994年GB50197—94露天煤礦工程設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，根據(jù)不同的工作條件，鋼絲繩芯輸送帶的安全系數(shù)，當(dāng)采用一級(jí)或二級(jí)接頭型式的輸送帶取值范圍為7.0～9.5；當(dāng)采用三級(jí)接頭型式的輸送帶取值范圍為7.4～10.0[6]。2008年6月發(fā)布的GB50431—2008帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)輸送帶安全系數(shù)的規(guī)定如下[7]：

鋼絲繩芯輸送帶安全系數(shù)取值范圍7～9，此數(shù)據(jù)適用于采用直接驅(qū)動(dòng)或采用限矩型液力耦合器的短距離帶式輸送機(jī)。對(duì)中長(zhǎng)距離的帶式輸送機(jī)，一般采用可控軟啟動(dòng)、制動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以改善輸送機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)性能。對(duì)于采取了可控軟啟動(dòng)、制動(dòng)措施時(shí)，鋼絲繩芯輸送帶安全系數(shù)可取5～7。

輸送帶安全系數(shù)，關(guān)系到帶式輸送機(jī)安全、投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)，我國(guó)也在積極研究降低輸送帶安全系數(shù)的可能性。我國(guó)自20世紀(jì)80年代帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)系列化以來(lái)，輸送帶安全系數(shù)的取值范圍在逐步降低，主要原因：①我國(guó)的輸送帶制造技術(shù)已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；輸送帶接頭型式、接頭結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)等已采用現(xiàn)行德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。②輸送帶接頭強(qiáng)度隨著輸送帶硫化設(shè)備制造技術(shù)和硫化技術(shù)水平的提高而有效地提高了。③我國(guó)對(duì)中長(zhǎng)距離的復(fù)雜、大型帶式輸送機(jī)已廣泛采用成熟的CST、液粘軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速等可控的軟啟動(dòng)、制動(dòng)系統(tǒng)，輸送帶啟動(dòng)時(shí)動(dòng)張力倍數(shù)可控制在1.4以下。④經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)者40多年來(lái)的不斷摸索實(shí)踐，帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)水平顯著提高。GB50431—2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)有嚴(yán)格的要求，對(duì)復(fù)雜大型帶式輸送機(jī)開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，輸送帶動(dòng)張力倍數(shù)明顯降低。

5 結(jié)論

輸送帶安全系數(shù)的主要影響因素是輸送帶的接頭疲勞強(qiáng)度和帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)張力。在進(jìn)行帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范規(guī)定，并加強(qiáng)對(duì)帶式輸送機(jī)輸送帶接頭的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，提高輸送帶接頭強(qiáng)度；對(duì)于中長(zhǎng)距離的大型復(fù)雜的帶式輸送機(jī)應(yīng)采用可靠的軟啟動(dòng)、制動(dòng)措施。

1）輸送帶安全系數(shù)，應(yīng)根據(jù)輸送帶類(lèi)型、工作環(huán)境、接頭特性、啟動(dòng)系數(shù)等合理地確定。一般帶式輸送機(jī)，鋼絲繩芯輸送帶安全系數(shù)可取7～9，運(yùn)行條件好時(shí)應(yīng)取低值，反之取大值。

2）當(dāng)帶式輸送機(jī)采用可靠地可控軟啟動(dòng)、制動(dòng)措施時(shí)，可降低輸送帶安全系數(shù)，可取5～7[8]。

3）國(guó)外廠商對(duì)我國(guó)提供的設(shè)計(jì)及設(shè)備，不應(yīng)強(qiáng)制按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行，可按最新版德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

［1］張振文.帶式輸送機(jī)輸送帶安全系數(shù)的確定［J］.煤炭工程，2007（10）：28-30.

［2］DTⅡ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

［3］牛得學(xué)，楊東.帶式輸送機(jī)輸送帶安全系數(shù)的探討［J］.

山東煤炭科技，2008（1）：117-11.

［4］張振文，宋偉剛.帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2015.

［5］魏朝福，許曉曦，金寶龍.帶式輸送機(jī)中降低輸送帶安全系數(shù)的必要性［J］.山東煤炭科技，2009（4）：156.

［6］GB50197—94.煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1994.

［7］GB50431—2008.帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

［8］宋偉剛.通用帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

【責(zé)任編輯：解連江】

Discussion on safety factor of conveying belt of belt conveyor

WANG Xiuyun
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

From the necessity of reducing the safety factor of the conveying belt,the article analyzed the regulations and problems of conveying belt safety factor at home and abroad.With the increasing of joint strength and the application of controllable soft start and braking device,through reducing safety factor of conveying belt,the company decreased the project investment and saved the operating costs.

belt conveyor;conveying belt;safety factor

TD422

B

1671－9816（2017）01－0049－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.014

王秀云.帶式輸送機(jī)輸送帶安全系數(shù)的探討［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：49-51.

2016-07-17

王秀云（1978—）女，遼寧朝陽(yáng)人，高級(jí)工程師，學(xué)士，2001年畢業(yè)于遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造工藝與設(shè)備專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，主要從事煤炭工程機(jī)械的技術(shù)工作。