大功率膠帶輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

付林云

上海機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200040

1 設(shè)計(jì)背景

膠帶輸送機(jī)以運(yùn)量大、性能穩(wěn)定、投資低等優(yōu)點(diǎn),越來越多地被應(yīng)用于工程中[1]。運(yùn)量越大、距離越長(zhǎng),膠帶輸送機(jī)相較于其它運(yùn)輸方式的優(yōu)點(diǎn)就越突出。因此,膠帶輸送機(jī)在大型火電廠、碼頭和礦山等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。

2010年,某年產(chǎn)10萬t陰極銅的露天礦山采用濕法冶金技術(shù)采集陰極銅,在確定破碎后的礦石至冶煉堆場(chǎng)的運(yùn)送方式時(shí),經(jīng)過綜合分析比較,決定建立膠帶輸送機(jī)輸送系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的公路汽車運(yùn)輸方式,解決了汽車運(yùn)力不足及環(huán)境保護(hù)的問題。業(yè)主邀請(qǐng)了設(shè)計(jì)院和國(guó)內(nèi)幾家一流的膠帶輸送機(jī)制造企業(yè),先后進(jìn)行了多次線路踏勘和技術(shù)論證工作,制訂了膠帶輸送機(jī)線路方案,從半移動(dòng)式破碎站到堆場(chǎng)布料器內(nèi)共設(shè)有十條膠帶輸送機(jī)。由于使用膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸,使汽車運(yùn)輸距離由約20 km縮短至1 km,從而大大降低了運(yùn)輸成本,增加了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益,并有效減少了環(huán)境污染。

與工廠內(nèi)部使用的小型膠帶輸送機(jī)不同,大功率膠帶輸送機(jī)運(yùn)量大,運(yùn)距長(zhǎng),功率和帶寬通常很大,因此其設(shè)計(jì)選型有需要斟酌的地方。驅(qū)動(dòng)裝置是膠帶輸送機(jī)的核心,其設(shè)計(jì)選型的合理性關(guān)系到膠帶輸送機(jī)設(shè)計(jì)的成功與否。驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)選型包括起動(dòng)方式的選擇、驅(qū)動(dòng)裝置的布置形式、電機(jī)功率的計(jì)算等。

某銅礦工程中使用的一臺(tái)大功率膠帶輸送機(jī)采用φ159 mm托輥,上托輥間距為1.2 m,下托輥間距為3 m,采用頭部卸料方式,其技術(shù)參數(shù)見表1。筆者對(duì)這一大功率膠帶輸送機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

2 電機(jī)功率計(jì)算

根據(jù)大功率膠帶輸送機(jī)設(shè)計(jì)原理,傳動(dòng)軸功率PA和電機(jī)功率PM[2-3]為:

PA=Fuv/1 000

(1)

PM=kPA/(η1η2η′η″)

(2)

式中:Fu為圓周驅(qū)動(dòng)力,N;k為安全因數(shù),取1.2;η1為聯(lián)軸器效率;η2為減速器傳動(dòng)效率;η′為電壓降因子;η″為多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率不平衡因子。

圓周驅(qū)動(dòng)力Fu為:

Fu=CFH+Fs1+Fs2+Fst

(3)

式中:FH為主要阻力,N;Fs1為主要特種阻力,N;Fs2為附加特種阻力,N;Fst為傾斜提升阻力,N;C為與輸送機(jī)長(zhǎng)度有關(guān)的因數(shù),取1.3。

主要阻力FH為物料及輸送帶移動(dòng),以及承載分支與回程分支托輥旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生阻力的總和:

FH=fLg[qRO+qRU+(2qB+qG)cosδ]

(4)

式中:f為摩擦因數(shù),根據(jù)工作條件及制造安裝水平?jīng)Q定,取0.023;g為重力加速度,取9.81 m/s2;qRO為承載分支托輥組單位長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量,根據(jù)托輥組的大小和安裝間距計(jì)算得出,本工程為35.1 kg/m;qRU為回程分支托輥組單位長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量,根據(jù)托輥組的大小和安裝間距計(jì)算得出,本工程為12.1 kg/m;qB為單位長(zhǎng)度輸送帶質(zhì)量,初始計(jì)算時(shí)由于未選定膠帶的型號(hào),可憑經(jīng)驗(yàn)先選擇,然后再反算驗(yàn)證調(diào)整,首選ST2500鋼絲繩芯輸送帶,為36.8 kg/m;qG為單位長(zhǎng)度輸送物料質(zhì)量,可通過Q/(3.6v)計(jì)算得出,本工程為705.5 kg/m;δ為輸送機(jī)傾角,取12°。

根據(jù)膠帶輸送機(jī)的技術(shù)參數(shù),得:

FH=0.023×322×9.81×[35.1+12.1+(2×

36.8+705.5)×cos12°]=58 796 N

主要特種阻力Fs1為:

Fs1=Fε+Fgl

(5)

式中:Fε為托輥前傾的摩擦阻力,N;Fgl為被輸送物料與導(dǎo)料槽攔板間的摩擦阻力,N。

Fε=Cεμ0Lε(qB+qG)gcosδsinε

(6)

(7)

式中:Cε為槽形因數(shù),本工程均采用35°槽形托輥,35°槽角時(shí)取0.43;μ0為托輥和輸送帶的摩擦因數(shù),取0.3;Lε為裝有前傾托輥的輸送機(jī)長(zhǎng)度,本工程托輥幾乎全長(zhǎng)布置前傾托輥,取330 m;ε為托輥前傾角度,取1.5°;μ2為物料與導(dǎo)料欄板間的摩擦因數(shù),取0.5～0.7;Iv為輸送能力,m3/s,可通過Q/(3.6ρ)換算,為0.966 2,m3/s;ρ為物料密度,本工程為2 300 kg/m3;l為導(dǎo)料槽欄板長(zhǎng)度,m;b1為導(dǎo)料槽兩欄板間寬度,查表得1.45 m。

上述參數(shù)代入式(5)后,得:

Fs1=0.43×0.3×330×(36.8+705.5)

×9.81×cos12°×sin1.5°+0.7×0.966 22

×2 300×9.81×10/(3.152×1.452)

=15 004 N

附加特種阻力Fs2為:

Fs2=nFr+Fa

(8)

式中:Fr為輸送帶清掃器摩擦阻力,N;Fa為犁式卸料器摩擦阻力,本工程采用頭部卸料,取0;n為清掃器數(shù)量,本工程共設(shè)5個(gè)清掃器。

Fr=APμ3

(9)

式中:A為單個(gè)清掃器和輸送帶的接觸面積,查表得0.02 m2;P為清掃器和輸送帶間的壓強(qiáng),N/ m2;μ3為清掃器和輸送帶間的摩擦因數(shù),取0.5～0.7。

上述參數(shù)代入式(8)后,得:

Fs2=5×0.02×10×104×0.6=6 000 N

傾斜提升阻力Fst為:

Fst=qGgH

(10)

得:

Fst=705.5×9.81×68.5=474 085 N

綜上計(jì)算,圓周驅(qū)動(dòng)力Fu為:

Fu=1.3×58 796+15 004+6 000+474 085

=571 524 N

由此得傳動(dòng)滾筒軸功率PA為:

PA=571 524×3.15/1 000=1 800 kW

由上述功率驗(yàn)算ST2500輸送帶型號(hào)是否合適,取安全因數(shù)為10,經(jīng)驗(yàn)算型號(hào)能夠滿足強(qiáng)度要求。

電機(jī)功率PM為:

PM=1.2×1 800/(0.96×0.98×0.95

×0.9)=2 685 kW

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,若選擇單臺(tái)電機(jī),則功率太大,從投資和可替換性而言都不是明智選擇。對(duì)于大功率膠帶輸送機(jī),一般情況下選擇兩至四臺(tái)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng),來達(dá)到總功率的要求。本膠帶輸送機(jī)最后選擇三臺(tái)900 kW電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。計(jì)算本工程中其它膠帶輸送機(jī)的功率,也可以確認(rèn)900 kW是最小、最理想的單臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率,對(duì)于后期運(yùn)行管理和維修,以及減少備品備件而言,是一個(gè)合適的選擇。

3 起動(dòng)方式選擇

膠帶輸送機(jī)功率很大,需要用多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了節(jié)能,采用高壓供電。對(duì)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)控制方面有多層次運(yùn)行要求,主要包括:① 電機(jī)的起動(dòng)電流要小,以減小對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊,從而減弱對(duì)電網(wǎng)上其它設(shè)備正常工作的影響,同時(shí)避免造成對(duì)傳動(dòng)設(shè)備的猛烈沖擊;② 電機(jī)的起動(dòng)力矩要大,尤其是要防止輸送機(jī)重載起動(dòng)困難,保證重載起動(dòng)時(shí)有足夠的力矩;③ 驅(qū)動(dòng)控制裝置長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性要高;④ 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)功率平衡的精度要高;⑤ 保證多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)各電機(jī)速度同步的精度;⑥ 起動(dòng)、制動(dòng)過程要平穩(wěn),以避免膠帶和滾筒之間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象[4-5]。

根據(jù)以上要求,確認(rèn)膠帶輸送機(jī)需采用軟起動(dòng)方式。軟起動(dòng)方式有很多種,從大類上可以分為機(jī)械類軟起動(dòng)、機(jī)電類軟起動(dòng)和電控類軟起動(dòng)。常見的機(jī)械類軟起動(dòng)設(shè)備有液力偶合器、各種液壓馬達(dá)。機(jī)電類軟起動(dòng)設(shè)備的典型代表是可控軟起動(dòng)裝置(CST)。電控類軟起動(dòng)設(shè)備的代表是變頻器。從市場(chǎng)占有率角度而言,液力偶合器、變頻器和CST占據(jù)了軟起動(dòng)的半壁江山。

液力偶合器在高壓時(shí)起動(dòng)性能不佳,可傳遞的功率有限,大功率電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)仍有沖擊,一般只適合功率不太大的膠帶輸送機(jī),此處不適用。CST和變頻器都可應(yīng)用于大功率膠帶輸送機(jī)的軟起動(dòng),但又各有優(yōu)缺點(diǎn)。

CST是一種機(jī)電一體化系統(tǒng),帶有電液反饋控制及齒輪減速器,在低速軸端裝有線性濕式離合器,主要由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、風(fēng)冷熱交換器、油泵系統(tǒng)及冷卻控制系統(tǒng)五部分組成[6],可通過電液控制系統(tǒng)設(shè)置所需要的加速度曲線和起動(dòng)時(shí)間。

CST收到信號(hào)后,電機(jī)起動(dòng)。達(dá)到額定速度后,液壓系統(tǒng)開始增大離合器反應(yīng)系統(tǒng)的壓力,低速軸上的速度傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)速,并反饋至電液控制系統(tǒng)。將該速度信號(hào)與控制系統(tǒng)之前設(shè)置的加速度曲線比較,其差值用于調(diào)整反應(yīng)盤的壓力,從而確保穩(wěn)定的加速度曲線斜率。

膠帶輸送機(jī)中,電機(jī)與CST應(yīng)一一對(duì)應(yīng),即一臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)CST,其連接方式如圖1所示。

圖1 CST連接方式

由分析可知,CST擁有以下優(yōu)點(diǎn):① 控制閉環(huán)使軟起動(dòng)性能佳;② 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),功能平衡性好;③ 適應(yīng)環(huán)境溫度的范圍廣,-20～45 ℃范圍內(nèi)均可使用;④ 屬于偏機(jī)械類產(chǎn)品,對(duì)工作環(huán)境的要求不高;⑤ 沒有諧波,對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生污染。當(dāng)然,CST也有三大缺點(diǎn):① CST的減速器每年需更換潤(rùn)滑油,每4年左右需返廠更換零件,每季度需更換濾芯;② 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,維修量大,維修技術(shù)要求高;③ 空載起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)有沖擊。

變頻器實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的工作原理是在電源輸入端經(jīng)晶閘管整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電源,后再經(jīng)絕緣柵雙極晶體管逆變模塊轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)電源,進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的[7-8]。變頻器的連接方式如圖2所示。

圖2 變頻器連接方式

變頻器軟起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)如下:① 優(yōu)越的軟起動(dòng)、軟停止特性,可實(shí)現(xiàn)驗(yàn)帶功能;② 起動(dòng)電流小,對(duì)電網(wǎng)沖擊小;③ 多機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),電機(jī)功率平衡性好;④ 節(jié)電效果顯著。

變頻器軟起動(dòng)的缺點(diǎn)主要包括:① 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性差,一般只能在-5～45 ℃的環(huán)境中保持良好運(yùn)行;② 與CST相比,使用壽命短,從而增加了使用成本;③ 對(duì)工作環(huán)境要求高,多塵和高濕度對(duì)壽命有較大影響;④ 對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。

從以上分析可以看出,CST和變頻器軟起動(dòng)各有特點(diǎn),使用的場(chǎng)合各不相同?？傮w而言,CST的總投資低,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好,但使用過程中需頻繁維修更換零件,影響生產(chǎn)效率;而變頻器的總投資高,壽命短,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性差,但使用時(shí)的維修頻率相對(duì)較低。此工程處于熱帶地區(qū),環(huán)境溫度在變頻器的適用范圍內(nèi),且由于膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)在本工程中起重要作用,一旦中斷將影響工程的開展,因此權(quán)衡再三,最終確認(rèn)采用變頻器軟起動(dòng)。

4 驅(qū)動(dòng)布置和起動(dòng)設(shè)置

由于本工程中全程采用膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸,且運(yùn)量和總長(zhǎng)屬世界前列,因此大功率膠帶輸送機(jī)的重要性和關(guān)鍵性可見一斑。

本工程中的大功率膠帶輸送機(jī),除了帶寬寬、運(yùn)量大、功率大以外,還有兩個(gè)重要特點(diǎn):① 由于采用頭部卸料造料堆,頭部滾筒平臺(tái)沒有設(shè)置土建支腿,為直接懸空;② 提升角度為13°,高度達(dá)68.5 m。

為了解決頭部滾筒平臺(tái)的支撐問題,在結(jié)構(gòu)上需設(shè)置一根拉梁,將頭部平臺(tái)拉起。為了降低設(shè)備投資,頭部滾筒附近的膠帶機(jī)張力應(yīng)盡量減小,從而降低梁的尺寸。為了有效減小膠帶輸送機(jī)頭部張力,可采取兩個(gè)措施。

(1) 合理布置驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置的布置包括驅(qū)動(dòng)裝置的組合形式和位置。如前所述,由于設(shè)置了三臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī),因此需要從雙滾筒和三滾筒兩種驅(qū)動(dòng)方式中選擇一種驅(qū)動(dòng)方式。

三滾筒與雙滾筒相比,多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶來的不平衡因數(shù)更大,效率更低,且投資更大,因此膠帶輸送機(jī)采用雙滾筒驅(qū)動(dòng)。多滾筒驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)電機(jī)功率配比設(shè)計(jì)的一般原則為,充分利用各滾筒所產(chǎn)生的摩擦力,選用最低強(qiáng)度的輸送帶,或盡量使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通用化[9-11]。

一般情況下,上運(yùn)的膠帶輸送機(jī)多采用頭部驅(qū)動(dòng)、尾部驅(qū)動(dòng)或兩者的演變模式,如圖3所示。

圖3 膠帶輸送機(jī)常規(guī)驅(qū)動(dòng)布置

本膠帶輸送機(jī)提升高度為68.5 m,且頭部以下是堆場(chǎng),結(jié)構(gòu)為懸空設(shè)計(jì),如果將驅(qū)動(dòng)裝置布置在頭部,那么勢(shì)必會(huì)加大結(jié)構(gòu)投資,安全性風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)更大。從減小膠帶機(jī)張力角度考慮,驅(qū)動(dòng)滾筒布置在尾部理論上是最佳方案,但由于尾部空間小,難以再布置驅(qū)動(dòng)滾筒,因此實(shí)際并不是最佳選項(xiàng)。只有將驅(qū)動(dòng)裝置布置在場(chǎng)地寬敞的中部地面位置是理想方案,原因如下:① 雙滾筒布置不擁擠;② 驅(qū)動(dòng)裝置的荷載直接作用在地面上,可減少土建投資,且安全性更高;③ 可減小膠帶輸送機(jī)的最大張力,從而降低帶強(qiáng)。在膠帶輸送機(jī)的爬升高度范圍內(nèi),選擇一處地面布置驅(qū)動(dòng)裝置,如圖4所示。

圖4 膠帶輸送機(jī)實(shí)際驅(qū)動(dòng)布置

(2) 合理設(shè)置電機(jī)起動(dòng)。大功率膠帶輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)的張力最大。一般而言,膠帶輸送機(jī)有兩種起動(dòng)工況,一種是空載起動(dòng),一種是滿載起動(dòng)。顯然,滿載起動(dòng)時(shí)膠帶輸送機(jī)的張力最大,但這是不常見工況。為了最大限度降低投資,提高土建的安全性,并且減小變頻器的發(fā)熱量,在設(shè)計(jì)膠帶輸送機(jī)時(shí)采取了兩項(xiàng)措施。

第一項(xiàng),空載起動(dòng)時(shí),單電機(jī)變頻起動(dòng),其余兩臺(tái)電機(jī)再慢慢起動(dòng)。待三臺(tái)電機(jī)完全起動(dòng)后,再接收物料。一般而言,這一過程需要2～4 min,即現(xiàn)場(chǎng)需要至少等待幾分鐘再加礦石,這樣可以有效減小膠帶輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)的張力。

第二項(xiàng),滿載起動(dòng)時(shí),三臺(tái)電機(jī)同時(shí)變頻起動(dòng)。此時(shí)電機(jī)降速,但傳遞的力矩非常大,變頻器發(fā)熱量很大,對(duì)壽命影響較大。但是另一方面,這樣做可以將膠帶輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)的張力限制在一定范圍內(nèi),不至于超出膠帶的承受范圍。

5 結(jié)束語

筆者作為主要設(shè)計(jì)者參與了某銅礦工程,設(shè)計(jì)了十條長(zhǎng)距離大運(yùn)距膠帶輸送機(jī)系統(tǒng),總長(zhǎng)約13 km,投產(chǎn)至今2年有余,運(yùn)行良好,且已達(dá)產(chǎn)。

結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn),針對(duì)大功率膠帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)提出如下建議:

(1) 功率計(jì)算時(shí)可先預(yù)選參數(shù),然后根據(jù)膠帶輸送機(jī)的功率計(jì)算式算出大數(shù),得到功率后再反算驗(yàn)證;

(2) 務(wù)必采用軟起動(dòng),以減輕對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊,軟起動(dòng)的方案根據(jù)具體項(xiàng)目情況進(jìn)行選擇;

(3) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡可能布置在地面,以減小投資,提高安全性。