帶式輸送機(jī)的能耗優(yōu)化研究

陳 煜

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備制造有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦生產(chǎn)對電能的巨大消耗一直是我國電力供應(yīng)緊張的主要因素之一。散裝物料的運(yùn)輸處理中，帶式傳輸機(jī)運(yùn)輸處理效率高，是物料運(yùn)輸處理的主要設(shè)備。由于輸送機(jī)選型與工作環(huán)境不協(xié)調(diào)以及運(yùn)煤量易根據(jù)產(chǎn)煤量發(fā)生變化，導(dǎo)致輸送機(jī)在工作中不必要的能耗增多，比如輸送機(jī)的負(fù)載運(yùn)行導(dǎo)致效率低下、過載運(yùn)行導(dǎo)致能耗急劇增大。隨著煤炭行業(yè)逐漸向節(jié)能減排方向發(fā)展，針對輸送機(jī)的能耗優(yōu)化成為煤礦節(jié)能減排的重要方向。帶式傳送機(jī)的能耗優(yōu)化實(shí)質(zhì)上就是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、減小運(yùn)行阻力，從而達(dá)到提高效率，實(shí)現(xiàn)降耗節(jié)能的目的。但是，因?yàn)槊旱V生產(chǎn)條件復(fù)雜，更多的研究人員致力于通過外加的高效率電機(jī)來實(shí)現(xiàn)對傳送帶工作過程中能耗的優(yōu)化，最常用的則是對電機(jī)速度的控制。該方法雖然可行，但是也增加了成本，導(dǎo)致了帶式輸送機(jī)維護(hù)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(yùn)量之間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過研究輸送帶參數(shù)對功率的影響，確定合適的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗。

1 帶式輸送機(jī)節(jié)能運(yùn)行分析

帶式輸送機(jī)是由三相電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，帶動(dòng)輸送帶在滾筒、軸承等支撐件上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對煤炭的運(yùn)輸工作。但是，煤量太大會(huì)導(dǎo)致能耗越來越大、磨損越來越嚴(yán)重，煤量太小會(huì)導(dǎo)致效率低下、能源浪費(fèi)。為了解決這個(gè)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(gè)方面考慮：輸送帶運(yùn)行阻力情況、帶速與運(yùn)量的關(guān)系。

1.1 輸送帶運(yùn)行阻力

輸送帶在工作中會(huì)受到各種各樣的阻力。阻力的存在會(huì)直接導(dǎo)致能耗的增加。一般將輸送機(jī)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(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)能耗增大的主要因素，也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

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(gè)分量，是考慮輸送帶布置與裝載量的一個(gè)重要參數(shù)。

3）附加阻力是指在運(yùn)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(qū)的額外阻力、轉(zhuǎn)向過程中的阻力（局部阻力）、滾筒軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力，該阻力是指導(dǎo)輸送機(jī)平臺(tái)搭建設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，能夠?yàn)檩斔蜋C(jī)的設(shè)計(jì)提供思路。

4）特殊阻力是由于外接設(shè)備存在而導(dǎo)致的阻力，通常不予考慮。

1.2 輸送機(jī)帶速與運(yùn)量的關(guān)系研究

由功率的計(jì)算方法可以看出，運(yùn)量與運(yùn)送速度直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的功率，即能耗。圖1為運(yùn)速、運(yùn)量與功率之間的一般關(guān)系圖?？梢?，相同運(yùn)量的限定下，輸送機(jī)的運(yùn)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(yùn)輸機(jī)運(yùn)量越大，運(yùn)送速度越慢。

因此運(yùn)輸機(jī)運(yùn)量、運(yùn)速以及功率之間存在著相互制約的關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)不能為了降耗而過度的降低運(yùn)速，不但不會(huì)降低能耗，反而會(huì)增加生產(chǎn)成本。因此在選擇設(shè)計(jì)輸送機(jī)時(shí)，必須保證在輸送機(jī)正常工作條件下，適當(dāng)?shù)母淖冚斔蛶У慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)及材質(zhì)，在運(yùn)量、運(yùn)速和功率之間達(dá)到一個(gè)平衡，使其在各種變化因素下能耗保持最低。根據(jù)實(shí)際情況，輸送帶的強(qiáng)度必須保持在一定范圍內(nèi)，故帶速與運(yùn)量必須滿足圖2所示關(guān)系：

而運(yùn)速的調(diào)節(jié)也應(yīng)該滿足下式：

式中：Q"為臨界運(yùn)量，qm為運(yùn)輸率。

2 輸送機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對功率的影響分析

在輸送機(jī)設(shè)計(jì)的過程中，必須考慮輸送機(jī)功率大小和阻力的影響。為了在輸送帶自身做到最優(yōu)化，必須分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對功率的影響，使輸送機(jī)的能耗達(dá)到最優(yōu)化。

2.1 帶寬對運(yùn)行狀態(tài)的影響

帶式輸送機(jī)的帶寬通過物料大小確定。帶寬的不同直接影響了輸送機(jī)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(yùn)行阻力呈現(xiàn)了增長的趨勢，且增長速度越來越快。因?yàn)閹捵兇?，輸送帶和物料單位面積上的質(zhì)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(yùn)行阻力變大。而驅(qū)動(dòng)功率卻越來越小，因?yàn)樽枇Φ脑黾訉?dǎo)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(jī)驅(qū)動(dòng)功率考慮，應(yīng)該選擇大帶寬的輸送機(jī)，并且在低速度條件下運(yùn)行。但是在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該綜合考慮，不應(yīng)該依據(jù)某一單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)。

2.2 帶速對運(yùn)行狀態(tài)的影響

在輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)目偭恳约捌漭斔蛶У膶挾纫欢ǖ那闆r下，輸送機(jī)的運(yùn)行速度不同，物料在輸送機(jī)上增加的速率不同。這將導(dǎo)致托輥上面承受的阻力發(fā)生變化，輸送帶對下面部件產(chǎn)生的阻力也會(huì)發(fā)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(fā)生變化。

圖3 不同帶寬條件下運(yùn)行阻力及驅(qū)動(dòng)功率

圖4 不同帶速條件下運(yùn)行阻力及驅(qū)動(dòng)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(yùn)行阻力會(huì)隨著帶速的增高而呈現(xiàn)下降趨勢。這是因?yàn)槲锪显趩挝幻娣e上的質(zhì)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(nèi)部之間的阻力變小。在輸送機(jī)帶寬確定的情況下，在滿足輸送量的情況下，通過選擇一個(gè)合適的速度以使輸送機(jī)的功率消耗達(dá)到最低。

2.3 覆蓋厚度對運(yùn)行狀態(tài)的影響

覆蓋厚度是壓陷阻力的主要產(chǎn)生原因，壓陷阻力的存在直接影響了功率與運(yùn)行阻力的大小。圖5為覆蓋厚度不同時(shí)阻力與功率的變化曲線，從圖中可以看出下覆蓋層厚度、運(yùn)行阻力、驅(qū)動(dòng)功率的變化趨勢是一致的。這是因?yàn)橄赂采w層的材質(zhì)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(huì)立即反彈，造成大量能量損失，在厚度比較大的情況下，該現(xiàn)象更加明顯。由圖5可以看出運(yùn)行阻力在不同的覆蓋層變化明顯，差值高達(dá)55 386.7 N。由此可以得出，覆蓋層材料的性質(zhì)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(jī)節(jié)能有很大必要。

圖5 不同覆蓋層厚度下運(yùn)行阻力及驅(qū)動(dòng)功率

4 結(jié)語

從傳送帶自身優(yōu)化節(jié)能出發(fā)，基于帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)阻力及帶速與運(yùn)量的關(guān)系，研究帶寬、帶速和輸送帶覆蓋厚度三個(gè)因素分別與運(yùn)行阻力、驅(qū)動(dòng)功率之間的關(guān)系，為輸送帶的節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。結(jié)合理論研究，依據(jù)節(jié)能要求，根據(jù)某礦的具體情況提出輸送機(jī)的設(shè)計(jì)方案，該方案的實(shí)施在滿足礦井要求的前提下，達(dá)到節(jié)能的目的。