大海則礦井長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)探討

陳哲

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

1 項(xiàng)目背景

大海則礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.0Mt/a，工業(yè)場(chǎng)地采用礦井、選煤廠場(chǎng)地分設(shè)，選煤廠工業(yè)場(chǎng)地布置在礦井場(chǎng)地東部約3km處。根據(jù)工藝布置，主立井原煤需運(yùn)輸至3km外的選煤廠工業(yè)球形倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)后洗選，由于選擇帶式輸送機(jī)進(jìn)行原煤運(yùn)輸?shù)倪m應(yīng)能力較強(qiáng)，可適應(yīng)16°坡度，特殊情況可滿足30°上運(yùn)工況，輸送線路可適應(yīng)地形，在高度和水平面上均可設(shè)置轉(zhuǎn)彎，從而可避開(kāi)村莊、工廠等現(xiàn)有建筑，并可方便穿越鐵路、公路、高壓線、河流、山脈等自然障礙，輸送線路十分靈活。而且其長(zhǎng)度可根據(jù)需要延長(zhǎng)或者采用中部卸載，因此，確定選擇帶式輸送機(jī)作為主立井井口房至球形原煤倉(cāng)的原煤運(yùn)輸方式。

2 選型原則及線路確定

2.1 帶式輸送機(jī)選型原則

（1）盡量“一條”的布置原則，條件適宜時(shí)可采用空間轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)技術(shù)；

（2）盡量“短”的運(yùn)輸原則，條件適宜時(shí)可采用大傾角帶式輸送機(jī)技術(shù)；

（3）帶強(qiáng)盡量低、輸送帶安全系數(shù)盡量小的設(shè)計(jì)選型原則；

（4）選用經(jīng)濟(jì)帶速；

（5）驅(qū)動(dòng)單元盡量集中設(shè)置，盡可能避免中部轉(zhuǎn)載式驅(qū)動(dòng)布置方案；

（6）滾筒數(shù)量盡量少，輸送帶纏繞線路要簡(jiǎn)練；

（7）設(shè)計(jì)方案要立足生產(chǎn)需求，堅(jiān)持投資省、生產(chǎn)維護(hù)方便、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低的原則。

結(jié)合本帶式輸送機(jī)實(shí)際特點(diǎn)，頭尾水平運(yùn)輸距離約3073m，機(jī)尾受料點(diǎn)絕對(duì)標(biāo)高為+1277.300m，機(jī)頭球形倉(cāng)上卸料點(diǎn)絕對(duì)標(biāo)高為+1330.950m，提升高度約54m，確定鋪設(shè)一部帶式輸送機(jī)完成原煤運(yùn)輸任務(wù)，考慮到降低輸送帶強(qiáng)度等因素，將帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輸送帶張緊系統(tǒng)布置在靠近機(jī)頭位置。

2.2 帶式輸送機(jī)線路確定

大海則主立井井口房至球形原煤倉(cāng)帶式輸送機(jī)沿線3073m條帶位于毛烏素沙漠腹地，棧橋沿線不存在地面河流洪水威脅。但本區(qū)地下水位較高，沙漠地面雨水下滲速度快，凍結(jié)深度大，凍脹現(xiàn)象嚴(yán)重，這些是影響帶式輸送機(jī)線路確定的最主要因素。

主立井井口房至球形原煤倉(cāng)帶式輸送機(jī)棧橋沿線需穿過(guò)三條公路和一條鐵路，針對(duì)該地形特點(diǎn)，線路布置提出以下方案：穿過(guò)公路和鐵路時(shí)采用上跨形式。三條公路中其中一條是材料進(jìn)場(chǎng)路，另兩條是鄉(xiāng)村道路，材料進(jìn)場(chǎng)路接通榆補(bǔ)路，設(shè)計(jì)為二級(jí)公路，鄉(xiāng)村道路為三級(jí)公路，根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D208-2017)中規(guī)定：高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路的凈高度應(yīng)為5.00m；三級(jí)公路、四級(jí)公路的凈高度應(yīng)為4.50m。設(shè)計(jì)確定帶式輸送機(jī)棧橋上跨材料進(jìn)場(chǎng)路時(shí)預(yù)留凈高度5.00m，上跨鄉(xiāng)村道路時(shí)預(yù)留凈高度4.50m。需穿過(guò)的鐵路線為大海則選煤廠工業(yè)場(chǎng)地環(huán)形裝車(chē)線，根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限定》(GB146.2-1983)中相關(guān)規(guī)定綜合確定，帶式輸送機(jī)棧橋上跨鐵路時(shí)預(yù)留凈高度8.00m?？紤]到棧橋底板下部需預(yù)留管道安裝及后期檢修維護(hù)空間，結(jié)合造價(jià)投資確定沿線棧橋底板距離自然地形高差為2m。該方案優(yōu)點(diǎn)是不受地下水位影響，且上球形倉(cāng)時(shí)角度較小，該方案缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)布置在空中，驅(qū)動(dòng)機(jī)房基礎(chǔ)受力較大?？紤]到地下水位及上倉(cāng)角度等問(wèn)題，設(shè)計(jì)確定采用方案一，即穿過(guò)公路和鐵路時(shí)采用上跨形式作為線路布置方案。

3 選型計(jì)算

3.1 輸送量的確定

根據(jù)礦井工藝布置，主立井來(lái)煤為2對(duì)50t箕斗交替提升至地面緩沖倉(cāng)，經(jīng)緩沖倉(cāng)緩沖后由給煤機(jī)給入帶式輸送機(jī)，帶式輸送機(jī)輸送量計(jì)算公式為：

式中，K為富裕系數(shù)，取1.15；M為箕斗名義載重，取50t；T為箕斗一次循環(huán)時(shí)間，取114.4s。

經(jīng)計(jì)算主立井至球形原煤倉(cāng)帶式輸送機(jī)運(yùn)量為Q=3618t/h，取整為3700t/h。

3.加強(qiáng)規(guī)模場(chǎng)規(guī)范管理。禁止不按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和健康養(yǎng)殖制度從事生豬生產(chǎn)，確保生豬產(chǎn)品質(zhì)量安全;嚴(yán)禁弄虛作假或伙同相關(guān)單位出具生豬出欄證明套取補(bǔ)助資金，對(duì)利用養(yǎng)殖場(chǎng)建設(shè)或出具虛假證明套取項(xiàng)目資金的按項(xiàng)目資金管理辦法嚴(yán)肅查處，以促進(jìn)生豬產(chǎn)業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展。

3.2 帶寬帶速的確定

根據(jù)輸送量同時(shí)兼顧輸送帶強(qiáng)度等因素確定合理的帶寬和帶速，設(shè)計(jì)確定帶寬取B=1600mm，帶速取V=4.5m/s。

3.3 帶式輸送機(jī)計(jì)算

現(xiàn)行的計(jì)算體系是依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50431-2008），將輸送帶按照剛體來(lái)計(jì)算的，帶式輸送機(jī)加減速過(guò)程中輸送帶動(dòng)張力計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，只能采用加大輸送帶安全系數(shù)的辦法解決。長(zhǎng)運(yùn)距大型帶式輸送機(jī)各種計(jì)算參數(shù)的選取不同于普通帶式輸送機(jī)，較小的計(jì)算誤差會(huì)帶來(lái)較大的絕對(duì)誤差，采用傳統(tǒng)的純理論靜態(tài)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足實(shí)際要求。輸送帶本身具有黏彈性力學(xué)特性，在計(jì)算輸送帶啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，輸送帶各點(diǎn)的實(shí)際張力與靜態(tài)設(shè)計(jì)方法計(jì)算結(jié)果大為不同，因此，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮輸送帶的黏彈性動(dòng)力學(xué)特性。本次設(shè)計(jì)計(jì)算分為兩個(gè)部分，先利用我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選型計(jì)算，再利用動(dòng)態(tài)分析軟件對(duì)帶式輸送機(jī)重點(diǎn)環(huán)節(jié)（啟動(dòng)、制動(dòng)、張力變化）進(jìn)行二次校驗(yàn)。

（1）利用我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。圓周驅(qū)動(dòng)力FU計(jì)算公式：

FU=CfLg[qRO+qRU+(2qB+qG)cosδ]+FS1+FS2+qGHg

式中，C為附加阻力系數(shù)，取1.04；f為模擬摩擦系數(shù)，取=0.024；L為輸送機(jī)長(zhǎng)度，L=3075m；qRO為承載分支托輥每米長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，qRO=32.1kg/m；qRU為回程分支托輥每米長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，qRU=11.96kg/m；qB為每米長(zhǎng)輸送帶的質(zhì)量(阻燃帶ST/S2800)，qB=73.6kg/m；qG為每米長(zhǎng)輸送物料質(zhì)量(qG=Q/3.6V)，qG=228.4kg/m；FS1為主要特種阻力，F(xiàn)S1=23523N；FS2為附加特種阻力，F(xiàn)S2=3024N；H為物料提升高度，H=55m；δ為輸送機(jī)傾角，δ≈10°；經(jīng)計(jì)算圓周驅(qū)動(dòng)力：FU=465751N；經(jīng)計(jì)算軸功率：PA＝2096kW。

取電機(jī)備用系數(shù)K=1.4，計(jì)算電機(jī)功率N=K·PA=2935kW，選擇電機(jī)功率2×1600kW，采用頭部靠近卸載滾筒位置雙傳動(dòng)滾筒雙電機(jī)的驅(qū)動(dòng)布置方式，功率配比1:1。

對(duì)于長(zhǎng)距離、大輸送量帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)，其啟動(dòng)過(guò)程是一非穩(wěn)定工況，其啟動(dòng)特性對(duì)輸送機(jī)的性能和工況影響很大。主立井至球形原煤倉(cāng)帶式輸送機(jī)是礦井主運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于其負(fù)荷大、慣性大，直接啟動(dòng)將產(chǎn)生很大的動(dòng)張力，從而影響帶式輸送機(jī)的運(yùn)行工況及設(shè)備安全，并對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊。采用頭部多機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)集中，有利于設(shè)備安裝、檢修和集中控制。根據(jù)本帶式輸送機(jī)的實(shí)際情況，確定其驅(qū)動(dòng)型式采用靠近頭部雙滾筒雙電機(jī)的驅(qū)動(dòng)布置型式，結(jié)合目前驅(qū)動(dòng)方式使用情況、發(fā)展趨勢(shì)及本帶式輸送機(jī)情況，選擇6kV/10kV變頻器配套隔爆電動(dòng)機(jī)+減速器驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)方式技術(shù)含量高，啟動(dòng)性能好。特別是在綜采工作面不生產(chǎn)而掘進(jìn)工作面生產(chǎn)時(shí)或礦井初期，以較低帶速運(yùn)行有很好的節(jié)能效果。采用逐點(diǎn)張力法+歐拉公式+下垂度條件進(jìn)行逐點(diǎn)張力計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，帶式輸送機(jī)最大張力點(diǎn)Fmax =609530N。

（2）利用動(dòng)態(tài)分析軟件對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行二次校驗(yàn)。帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程的合理設(shè)計(jì)是帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。輸送機(jī)各元件的受力狀況都是在啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程中達(dá)到最大，所以分析輸送機(jī)各元件的最大受力時(shí)，要對(duì)起制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

本次設(shè)計(jì)采用國(guó)際領(lǐng)先的靜態(tài)設(shè)計(jì)軟件（Belt Analyst TM）及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)軟件（Dynamic Analyst TM）對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算和運(yùn)行分析。該軟件是由美國(guó)Overland Conveyor Co.（OCC）公司開(kāi)發(fā)的軟件，包含帶式輸送機(jī)靜態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、水平轉(zhuǎn)彎分析、托輥分析、啟動(dòng)制動(dòng)分析、滾筒表面分析等功能。本文主要針對(duì)啟動(dòng)工況及制動(dòng)工況進(jìn)行著重分析。對(duì)于制動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)停止，張緊部盤(pán)型閘制動(dòng)器和制動(dòng)器立即開(kāi)始工作，張緊部盤(pán)型閘增加25kN的作用力于張緊部，緩解停車(chē)過(guò)程中輸送帶慣性力對(duì)重錘的提升作用，避免滑輪架快速?zèng)_頂。制動(dòng)器提供152kN·m的制動(dòng)力矩。當(dāng)帶式輸送機(jī)滿載3700t/h時(shí)，停止時(shí)間大約22s；空載停止時(shí)間約18s，圖1繪出滿載輸送機(jī)停止速度變化曲線。

圖1 制動(dòng)速度變化曲線

啟動(dòng)輸送機(jī)十分重要，需通過(guò)控制方式在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)加速到4.5m/s。驅(qū)動(dòng)裝置采用變頻器閉環(huán)矢量控制方式。輸送機(jī)采用S形曲線啟動(dòng)方式，啟動(dòng)速度曲線如圖2所示。

圖2 啟動(dòng)速度變化曲線

4 驅(qū)動(dòng)機(jī)房布置

主立井井口房至球形原煤倉(cāng)帶式輸送機(jī)采用頭部靠近卸載滾筒位置雙傳動(dòng)滾筒雙電機(jī)的驅(qū)動(dòng)布置方式，功率配比1:1，因此，驅(qū)動(dòng)機(jī)房?jī)?nèi)的布置成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，而驅(qū)動(dòng)機(jī)房?jī)?nèi)的布置核心是驅(qū)動(dòng)裝置和張緊裝置。驅(qū)動(dòng)裝置是帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)整機(jī)的技術(shù)性能至關(guān)重要，對(duì)礦井的正常生產(chǎn)具有決定性作用。因此，設(shè)計(jì)中必須合理布置帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置和張緊裝置，以確保帶式輸送機(jī)安全、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行。

針對(duì)本驅(qū)動(dòng)機(jī)房布置，提出以下方案：將驅(qū)動(dòng)機(jī)房布置在選煤廠工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)，距離球形原煤倉(cāng)水平距離約140m，由于鐵路環(huán)線環(huán)繞在選煤廠工業(yè)場(chǎng)地外，該布置方式驅(qū)動(dòng)裝置需布置在距離地面約27m高空處，驅(qū)動(dòng)機(jī)房與張緊間可聯(lián)合布置，該方案優(yōu)點(diǎn)為將驅(qū)動(dòng)機(jī)房整體布置在選煤廠工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)，方便安裝及以后設(shè)備維護(hù)，與張緊間聯(lián)合布置布局緊湊，該方案缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)機(jī)房整體高度約為37m，驅(qū)動(dòng)機(jī)房受力較大，驅(qū)動(dòng)裝置及滾筒檢修更換較困難。綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)分析，距離球形原煤倉(cāng)水平距離約140m，距離地面約27m高空處，驅(qū)動(dòng)機(jī)房與張緊間聯(lián)合布置，驅(qū)動(dòng)機(jī)房長(zhǎng)×寬=21m×15m，驅(qū)動(dòng)機(jī)房總高度為37m，驅(qū)動(dòng)裝置層布置在27m高度層位。

5 帶式輸送機(jī)檢修

帶式輸送機(jī)檢修分為機(jī)頭卸載處檢修、驅(qū)動(dòng)裝置檢修、沿線托輥檢修三部分。

（1）機(jī)頭卸載處檢修。主立井至球形原煤倉(cāng)帶式輸送機(jī)機(jī)頭卸載滾筒在球形原煤倉(cāng)上，球倉(cāng)直徑78m，配倉(cāng)層高54m，設(shè)計(jì)中須考慮卸載滾筒及滾筒架后期檢修問(wèn)題，以確保帶式輸送機(jī)安全、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行。

（2）驅(qū)動(dòng)裝置檢修。在驅(qū)動(dòng)機(jī)房?jī)?nèi)布置一臺(tái)15t電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)房?jī)?nèi)驅(qū)動(dòng)設(shè)備及滾筒進(jìn)行檢修和更換，驅(qū)動(dòng)機(jī)房?jī)?nèi)留有3500mm×4500mm吊裝孔。

（3）沿線托輥檢修。在帶式輸送機(jī)沿線3km棧橋南側(cè)鋪設(shè)4m寬檢修便道，沿線托輥搬運(yùn)工作可依托小型檢修車(chē)輛完成。

6 結(jié)語(yǔ)

聯(lián)通礦井工業(yè)場(chǎng)地及選煤廠工業(yè)場(chǎng)地之間的主立井至球形原煤倉(cāng)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)屬于大海則礦井地面生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其線路選擇及工藝布置得合適與否，直接關(guān)系到礦井投產(chǎn)后的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，通過(guò)多方案對(duì)比確定了帶式輸送機(jī)工藝布置方案，供廣大設(shè)計(jì)同仁參考。