下運(yùn)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃 柯，周 勇，丁紅霞，羅建中

中藍(lán)長化工程科技有限公司 湖南長沙 410000

作 為礦山開采的重要環(huán)節(jié)，帶式輸送機(jī)對整個

礦山生產(chǎn)有著極其重要的影響，其中下運(yùn)帶式輸送機(jī)在平硐和斜井礦山開采中應(yīng)用廣泛，其傾角的合理選擇對礦山效益與安全有較大影響。

1 下運(yùn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況分析

下運(yùn)帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中的受力主要有輸送帶與物料本身重力而產(chǎn)生的下滑力、運(yùn)行阻力以及制動力 (或驅(qū)動力)。其運(yùn)行工況與驅(qū)動裝置的出力相關(guān)，當(dāng)驅(qū)動裝置為制動力時(shí)，下運(yùn)帶式輸送機(jī)為發(fā)電制動運(yùn)行工況；當(dāng)驅(qū)動裝置為驅(qū)動力時(shí)，帶式輸送機(jī)為電動運(yùn)行工況[1]。

(1) 發(fā)電制動運(yùn)行工況 帶式輸送機(jī)重力沿運(yùn)行方向的分力與運(yùn)行阻力方向相反且大于后者，此時(shí)驅(qū)動裝置依靠電動機(jī)發(fā)電制動，保證輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，防止超速飛車。發(fā)電制動運(yùn)行狀態(tài)下需要控制物料裝載量，防止超載運(yùn)行。若輸送機(jī)突然斷電，電動機(jī)提供的制動力消失，其配備的輔助制動裝置自動產(chǎn)生制動力，防止飛車事故的發(fā)生；但是會造成物料飛散撒落，若制動力過大還會造成對輸送帶的損傷甚至斷帶[2]。

(2) 驅(qū)動運(yùn)行工況 當(dāng)帶式輸送機(jī)重力沿運(yùn)行方向的分力與其運(yùn)行阻力相反且小于后者時(shí)，則需要提供驅(qū)動力，此時(shí)輸送機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，但是電動機(jī)功率較大，消耗電能，增加了運(yùn)行成本。

(3) 理想工況 當(dāng)帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，重力沿運(yùn)行方向的分力與其運(yùn)行阻力近似相等，驅(qū)動裝置僅需提供輸送機(jī)啟動和停機(jī)時(shí)的制動力即可。此種工況下不會出現(xiàn)飛車事故，也不會因電動機(jī)長期運(yùn)行增加運(yùn)營成本。輸送機(jī)運(yùn)行阻力分為輸送帶與輸送機(jī)其他構(gòu)件之間的阻力F、輸送帶和物料壓力帶來的阻力N。F基本屬于固定值，而N隨著輸送帶上的物料堆積程度不同而異，因此在設(shè)計(jì)時(shí)盡量向理想工況靠近，最大程度減少運(yùn)營成本及避免飛車事故的發(fā)生。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

以湖北宜昌某平硐開拓磷礦帶式輸送機(jī)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析計(jì)算，主要分析帶式輸送機(jī)傾角的合理選擇，使電動機(jī)功率最為經(jīng)濟(jì)。

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

該礦設(shè)計(jì)開采規(guī)模為 200 萬 t/a，礦石最大塊度為 300 mm，運(yùn)輸方式為中段內(nèi)卡車+帶式輸送機(jī)。

帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)如圖 1 所示。整個系統(tǒng)由 6 條帶式輸送機(jī)組成，輸送機(jī)帶寬 1 m，運(yùn)行速度為 2.5 m/s。1、2 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)分別運(yùn)輸相應(yīng)采區(qū)中段溜井中的礦石，再由 1、2 號平硐帶式輸送機(jī)運(yùn)輸出坑口 (井下轉(zhuǎn)運(yùn)帶式輸送機(jī)與 1 號平硐帶式輸送機(jī)搭接，2 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)則直接與 1 號平硐帶式輸送機(jī)搭接)，最終由卸料帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至礦倉。2 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)巷、1 號和 2 號平硐帶式輸送機(jī)巷均已經(jīng)完工，1 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)巷和井下轉(zhuǎn)運(yùn)帶式輸送機(jī)巷方位也已確定。此次僅分析 1 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)和井下轉(zhuǎn)運(yùn)帶式輸送機(jī)對整個帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的影響。初選 1 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)帶強(qiáng)為 ST630，井下轉(zhuǎn)運(yùn)帶式輸送機(jī)帶強(qiáng)為 ST800。

圖1 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)簡圖

1 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)裝料點(diǎn)溜井下標(biāo)高為 +860 m，井下轉(zhuǎn)運(yùn)帶式輸送機(jī)與 1 號平硐帶式輸送機(jī)搭接點(diǎn)標(biāo)高為 +612 m；1 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)巷長度初定為 920 m，井下轉(zhuǎn)運(yùn)帶式輸送機(jī)巷長度初定為 1 900 m。

2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

2.2.1 功率計(jì)算

帶式輸送機(jī)傳動滾筒上圓周驅(qū)動力FU為所有阻力之和。滿載發(fā)電工況下圓周驅(qū)動力及電動機(jī)功率計(jì)算公式分別為[3]：

空載驅(qū)動工況下圓周驅(qū)動力及電動機(jī)功率計(jì)算公式分別為

式中：C為附加阻力系數(shù)；f為模擬摩擦因數(shù)；L為輸送機(jī)長度，m；g為重力加速度，9.81 m/s2；qRO為承載分支托輥單位質(zhì)量，kg/m；qRU為回程分支托輥單位質(zhì)量，kg/m；qB為輸送帶單位質(zhì)量，kg/m；qG為輸送物料的單位質(zhì)量，kg/m；δ為輸送帶傾角，(°)；FS1為主要特種阻力，即托輥前傾摩擦阻力及導(dǎo)料槽摩擦阻力，N；FS2為附加特種阻力，即清掃器、卸料器阻力及反轉(zhuǎn)回程分支輸送帶阻力，N；v為帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，m/s；η為傳動效率，取 0.9；′為電壓降系數(shù)，取 0.92；η″為多級驅(qū)動功率不平衡系數(shù)，單電動機(jī)取 1。

2.2.2 理想工況分析計(jì)算

在帶式輸送機(jī)傾角以外的參數(shù)確定以后，若滿載發(fā)電工況下所需的電動機(jī)功率與空載驅(qū)動工況下所需的電動機(jī)功率近于相等，即|PMZ|=|PMK|時(shí)，帶式輸送機(jī)電動機(jī)功率最為經(jīng)濟(jì)。

將 1 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)的已知參數(shù)代入式 (1)、(3)，可得：

根據(jù) |PMZ|=|PMK| 得出

簡化后得

1.06 cosδ-31.84 sinδ=1。

1 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)非大傾角輸送機(jī)，根據(jù)金屬非金屬礦山安全規(guī)程，下運(yùn)式帶式輸送機(jī)最大傾角不超過 -12°。計(jì)算得δ=-3.7°時(shí)，1 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)機(jī)所需的電動機(jī)功率最優(yōu)，為

考慮到富余系數(shù)，配備電動機(jī)功率為 55 kW。

同理計(jì)算得出井下轉(zhuǎn)運(yùn)輸送機(jī)傾角計(jì)算等式為

計(jì)算得輸送機(jī)傾角δ=-3.0°，電動機(jī)功率為 75 kW。

因此，1 號下運(yùn)帶式輸送機(jī)機(jī)傾角為 -3.7°，井下轉(zhuǎn)運(yùn)帶式輸送機(jī)傾角為 -3.0°時(shí)，為最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況。

2.2.3 系統(tǒng)布置方案確定

通過計(jì)算分析，確定該磷礦帶式輸送機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化布置方案如圖 2 所示。

圖2 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化布置方案Fig.2 Optimal design of belt system

3 結(jié)語

上述分析計(jì)算取得了下運(yùn)帶式輸送機(jī)的理想傾角，此時(shí)輸送機(jī)運(yùn)行最為經(jīng)濟(jì)，既滿足了發(fā)電工況下的運(yùn)行要求，又滿足了驅(qū)動工況下的運(yùn)行要求，同時(shí)使帶式輸送機(jī)的能耗及運(yùn)行安全性達(dá)到最優(yōu)。