排巖機(jī)排料臂輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

史智杰

（1.太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

引言

排巖機(jī)是露天礦開采工藝中的重要設(shè)備（見圖1），隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化及露天開采技術(shù)的發(fā)展，排巖機(jī)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。排料臂輸送系統(tǒng)關(guān)乎排巖機(jī)的生產(chǎn)能力，排料臂輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇十分重要，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)既可以有效地使排巖機(jī)工作，又可以節(jié)約能源，避免浪費(fèi)。本文根據(jù)排巖機(jī)的工作環(huán)境和狀況，計(jì)算輸送機(jī)輸送物料時(shí)受到的各種阻力，初步確定了排料臂輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，為4 500 t/h型排巖機(jī)排料臂輸送系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型提供理論依據(jù)。

1 排料臂輸送機(jī)運(yùn)行阻力計(jì)算

4 500 t/h 型排巖機(jī)排料臂輸送系統(tǒng)的主要工作參數(shù)，見表1。

表1 排料臂輸送機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50431—2008，若帶式輸送機(jī)正功率工作，計(jì)算輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的功率，應(yīng)按下式計(jì)算[1]：

式中：PM為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需運(yùn)行功率，kW；PA為傳動(dòng)滾筒所需運(yùn)行功率，kW；FU為傳動(dòng)滾筒所需圓周力，N；v為輸送帶帶速，m/s；η1為系統(tǒng)綜合傳動(dòng)效率，一般取0.85～0.95。

以排料臂上排時(shí)仰角達(dá)到最大的工況確定輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，需先確定輸送機(jī)在運(yùn)行過程中各種作用力，不考慮特種阻力，則傳動(dòng)滾筒所需圓周力主要由以下幾部分組成：

式中：FH為主要阻力，N；FN為附加阻力，N；FSt為傾斜阻力，N。

1.1 主要阻力FH

式中：qRO為承載分支每米托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，取280.6 kg；qRU為回程分支每米托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，取46.7 kg；qB為每米輸送帶質(zhì)量，取468 kg；qG為每米巖土物料質(zhì)量，取312.5 kg；g 為重力加速度，m/s2；δ 為排料臂仰角，°；f 為模擬摩擦系數(shù)，取0.02；L 為輸送長(zhǎng)度，m。將數(shù)值代入公式計(jì)算得FH=7 954 N。

1.2 附加阻力

如下頁公式（5）所示，附加阻力FN主要由物料加速時(shí)的慣性力和摩擦力FbA、加速段物料與導(dǎo)料槽間的摩擦阻力Ff、輸送帶纏繞阻力F1、軸承阻力Ft組成。其中輸送帶纏繞阻力F1可按1 500 N 估算、軸承阻力Ft可按450 N 估算。

式中：FN為附加阻力，N；FbA為物料加速時(shí)的慣性力和摩擦力，N；Ff為物料與導(dǎo)料槽間的摩擦阻力，N；F1為輸送帶纏繞阻力，N；Ft為軸承阻力，N。

式中：FbA為物料加速時(shí)的慣性力和摩擦力，N；Q 為排巖機(jī)每小時(shí)輸送能力，t/m3；v 為輸送機(jī)帶速，m/s；v0為落料點(diǎn)物料在輸送帶運(yùn)行方向上的分速度，m/s；Iv為輸送機(jī)輸送量，m3/s。

擬運(yùn)送的的物料為松散均質(zhì)干砂土，巖土密度ρ=1 470 kg/m3，輸送帶最大仰角δ′為13°，巖土物料經(jīng)過轉(zhuǎn)載點(diǎn)落到排料臂輸送機(jī)上，物料與輸送機(jī)頭罩碰撞后改變運(yùn)行軌跡，轉(zhuǎn)載溜槽為豎直型，若忽略巖土顆粒之間的碰撞，巖土物料在此過程中的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為自由落體運(yùn)動(dòng)，此過程中物料水平方向上幾乎沒有分速度。根據(jù)公式（6）、公式（7）可求物料加速時(shí)的慣性力和摩擦力得FbA=4 998 N。

式中：Ff為加速段巖土物料與導(dǎo)料槽間的摩擦阻力，N；μ2為物料與導(dǎo)料槽之間的摩擦系數(shù)，一般取0.5～0.7；lb為加速段導(dǎo)料槽長(zhǎng)度，m；b1為導(dǎo)料槽寬度，m。

已知排料臂輸送機(jī)托輥組為三托輥式，帶寬B=1.6 m，托輥組側(cè)托輥軸線與水平線的夾角λ=35°，查表可知導(dǎo)料槽的寬度b1=1.2 m，摩擦系數(shù)μ2初選0.5，則巖土物料在輸送帶的靜摩擦力作用下勻加速至4 m/s，計(jì)算得加速段導(dǎo)料槽長(zhǎng)度lb=1.6 m，將數(shù)據(jù)帶入公式（8）可求得加速段巖土物料與導(dǎo)料槽間的摩擦阻力Ff=1 477 N。將上述數(shù)據(jù)代入公式（5），可得附加阻力FN=4 998+1 477+1 500+4 50=8 425N。

1.3 傾斜阻力FSt

式中：H 為最大上排高度，m；L 為排料臂輸送機(jī)長(zhǎng)度，取55 m；δ′為輸送帶最大仰角，取13°。

傾斜阻力是帶式輸送機(jī)向上運(yùn)輸時(shí)為了克服重力將物料輸送到高處時(shí)受到的阻力。傾斜阻力要按照排料臂仰角最大的工況下進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)上排高度最大，最大上排高度為12.4 m，根據(jù)公式（9）可計(jì)算出傾斜阻力FSt=38 750 N。

1.4 運(yùn)行阻力

考慮特種阻力，取放大系數(shù)1.2，則可得到運(yùn)行阻力FU=1.2（FH+FN+FSt）=1.1×（7 954+8 425+38 750）=66 154 N。

2 電機(jī)功率計(jì)算及布置選型

取綜合傳動(dòng)效率η1=0.9，將運(yùn)行阻力FU、帶速v帶入上頁公式（2）并聯(lián)立公式（1），可得求得額定工作能力下驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率PM=294 kW。

2.1 電機(jī)選型

如圖2 所示，考慮到輸送機(jī)工作長(zhǎng)度較短且要安裝在臂架上，為減輕重量及不必要的結(jié)構(gòu)，排巖機(jī)排料臂臂架設(shè)計(jì)較為緊湊，除中間安放輸送機(jī)外，兩側(cè)只留出不足半米的人員通道及欄桿，因此排料臂空間較為緊湊。如圖3 所示，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要實(shí)現(xiàn)調(diào)速變速還需要額外配備減速器、變速箱、耦合器等配套設(shè)備，體積大較笨重，不便于在排料臂上安裝使用。永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，可在0 轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速之間進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，可省去齒輪變速箱、耦合器等裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)[2-3]；軟啟動(dòng)、停機(jī)性能較好，調(diào)節(jié)范圍廣，結(jié)合PLC 控制技術(shù)提高輸送機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性和和啟動(dòng)穩(wěn)定性，且能實(shí)現(xiàn)功率平衡，解決了傳統(tǒng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)功率不平衡、造成電機(jī)損壞的問題[4]。永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)相較于傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比能極大降低能耗，間接提高效益[5-6]，考慮到安裝、空間及經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇永磁變頻直驅(qū)電機(jī)。

2.2 驅(qū)動(dòng)形式

驅(qū)動(dòng)形式有中間驅(qū)動(dòng)和頭部集中驅(qū)動(dòng)方式[7]。如下頁圖4 所示，雖然中間驅(qū)動(dòng)可以降低輸送帶最大張力且使輸送帶受力較均勻，但是考慮到排料臂的空間問題，采用中間驅(qū)動(dòng)方式會(huì)占用較大空間，給人員通行帶來不便；且排料臂輸送機(jī)長(zhǎng)度只有50 余米，不屬于長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)，張力不平衡問題可以通過在尾部安裝張緊裝置解決[8]，如下頁圖5～圖6 所示，因此采用頭部集中驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。

3 結(jié)語

根據(jù)4 500 t/h 型排巖機(jī)的工作能力參數(shù)，計(jì)算了排料臂帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的運(yùn)行阻力。計(jì)算出排料臂輸送機(jī)的運(yùn)行阻力為66 154 N。并根據(jù)運(yùn)行阻力確定了帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率應(yīng)不低于294 kW，比較了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式和永磁直驅(qū)系統(tǒng)的優(yōu)劣勢(shì)，根據(jù)排巖機(jī)的情況選擇永磁直驅(qū)系統(tǒng)，采用永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)、頭部集中驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。為排巖機(jī)排料臂電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算提供了理論依據(jù)。