12 采區(qū)集中運輸巷帶式輸送機選型設(shè)計研究

李元堃

（寧夏煤礦設(shè)計研究院有限責任公司，寧夏 銀川 750021）

帶式輸送機運輸具有連續(xù)性的特點，被煤礦主運輸系統(tǒng)普遍采用，本文以國能集團寧煤分公司金家渠煤礦大傾角下運帶式輸送機為具體案例，對下運工況帶式輸送機的運量、功率、張力等進行計算并選型，對同類型帶式輸送機的選型具有重要的參考意義。

1 設(shè)計依據(jù)

金家渠煤礦為國能集團寧煤分公司下屬主要礦井，礦井設(shè)計產(chǎn)量4.0Mt/a，隨著礦井生產(chǎn)接續(xù)要求，金家渠煤礦委托寧夏煤礦設(shè)計研究院對礦井進行12 采區(qū)接續(xù)設(shè)計，筆者為該設(shè)計主要參與者。

礦井12 采區(qū)集中運輸巷帶式輸送機承擔12 采區(qū)主運輸任務(wù)，12 采區(qū)設(shè)計產(chǎn)能2.0Mt/a，由上下運輸環(huán)節(jié)擬定輸送機Q=1500t/h。

1.1 帶速帶寬及驅(qū)動方式

輸送機帶速提高可減少帶寬及膠帶張力，進而減小輸送機外形尺寸和井巷寬度，但帶速過大，托輥直徑加大，會增加更換托輥成本，過高的帶速膠帶的磨損也加劇，因此，結(jié)合國內(nèi)大型礦井帶式輸送機的使用現(xiàn)狀，綜合考慮選擇帶式輸送機的帶速為4.0m/s，帶寬B=1400mm。考慮井下安裝運行環(huán)境惡劣、減少驅(qū)動環(huán)節(jié)以及采用先進技術(shù)等綜合因素，設(shè)計采用變頻器+ 永磁同步變頻電機啟動，確保井下煤炭運輸安全可靠。

1.2 初定設(shè)計參數(shù)

輸送能力Q=1500t/h， 機長L=1052m， 帶寬B=1400mm，傾角δ=-16°，下運高差約-298m，帶速V＝4.0m/s，上托（ao=1.2m、λ 為35°）、下托（au=3.0m、λ 為10°）、輥徑均=194mm。

2 參數(shù)計算

2.1 設(shè)計輸送能力

根據(jù)原煤在輸送帶上的動堆積角15°、輸送機槽角35°及膠帶傾斜角度，對應(yīng)出k 為0.89、S 為0.21044 m2；v為帶速，4.0m/s；ρ 為物料松散密度；ρ=900kg/m3。

2.2 根據(jù)原煤的最大粒度核驗輸送機的帶寬

式中，dmax為煤的最大粒度，按300mm 計。

2.3 圓周驅(qū)動力、電機功率

圓周驅(qū)動力：Fu=CFH+FS1+FS2+FSt

帶式輸送機運行所受阻力（見圖1）；FH帶式輸送機的主要阻力，F(xiàn)S1特種主要阻力，F(xiàn)S2特種附加阻力，F(xiàn)St傾斜阻力，C 附加阻力系數(shù)，取1.085。

圖1 帶式輸送機運行阻力簡圖

2.3.1 FH（輸送機主要阻力）

（35°槽角，Φ194×530 三托輥）

(10°槽角，Φ194×800 兩托輥)

f 取0.014；L 取1052m；δ 取-16°；g 取9.81m/s2；V 取4.0m/s；擬初選抗拉強度為ST2500 阻燃鋼芯帶。

2.3.2 FS1（特種主要阻力）

Fε=Cεμ0Ln(qB+qG)gcosδsinε， 托 輥 的 前 傾摩擦阻力；（導料槽摩阻）；Cε=0.43（槽系）；μ0=0.35（托輥與輸送帶間摩系）；Ln=1052m（前傾托輥安裝總長度）；ε=1.5°（托輥前傾角）；μ2=0.6（物料與導料槽間摩系）；b1=0.9m（導料槽欄板寬度）；l=4.5m（導料槽欄板 長）；（輸送能力）；經(jīng)計算，F(xiàn)ε=6.08kN，F(xiàn)gl=0.22kN，F(xiàn)S1=6.08+0.22=6.3kN。

2.3.3 Fs2（特種附加阻力）

Fr=2.5Apμ3（清掃器摩阻）；Fn取0（犁式卸料器摩阻，無此設(shè)備取0）；A=0.01m2（清掃器與輸送帶接觸面積）；P 取10×104N m2（清掃器與輸送帶間壓力）；μ3取0.6。

2.3.4 FSt（傾斜阻力）

其中，qG=104.17kg/m（ 輸送機每米運輸量）；H=-2 9 8 m（ 下 運 ）； 驅(qū) 動 圓 周 力：FU=1.085×30.43+6.3+0.96-304.52=-264.24kN（Fu 為負值表示圓周力與輸送機運行方向相反，電機提供輸送機勻速向下運行的控制力，處于發(fā)電工況）。

傳動軸功率計算：

2.4 輸送機張力計算

輸送機正常運行須滿足兩個條件：輸送帶下垂度、不打滑（帶式輸送機各點張力簡圖，見圖2）。

圖2 帶式輸送機各點張力簡圖

2.4.1 下垂度要求

為限制兩托輥間輸送帶下垂度，輸送帶上任一點張力需大于Fmin（最小張力）。

h/amax取0.01（輸送帶可容許最大垂度）。

2.4.2 不打滑要求

驅(qū)動滾筒與輸送帶不打滑需滿足：

Fumax偉最大啟動圓周力，經(jīng)計算為343.51kN。

輸送帶與傳動滾筒的摩擦系數(shù)μ=0.30，設(shè)計采用雙滾筒驅(qū)動，驅(qū)動滾筒1 的圍包角φ1=185°，查表得euφ1=2.63；驅(qū)動滾筒2 的圍包角φ1=220°，查表得euφ2=3.17；

由輸送帶不打滑條件得出：

考慮電機及配件的通用性，設(shè)計選用驅(qū)動滾筒Ⅰ與驅(qū)動滾筒Ⅱ的功率配比為2:1；根據(jù)功率配比，計算2號滾筒不打滑條件：

則：F3≥52.77kN

各特性點張力計算：

F4=F3-qBHg-fLg(qru+qBcosδ)-(Fs1+Fs2)/2=52.77-150.61-20.54-3.63=-122.01kN ＜0；（此處計算下帶面運行阻力f 取0.03）。

張力為負值，不滿足皮帶4 點處下垂度要求，4 點處張力約等于5 點處張力，所以用5 點處滿足皮帶最小下垂度要求反推計算F3點處皮帶張力。

則：F3=F4+qBHg+fLg(qru+qBcosδ)+(Fs1+Fs2)/2=18.93+150.61+20.54+3.63=193.71kN。

F1=F5+(qB+qG)H g-f L g[qRO+(qB+qG)c o sδ]-(Fs1+Fs2)/2=22.03+455.14-28.05-3.63=445.49kN（ 此處計算上帶面運行阻力f 取0.14）通過以上分析和計算可知，帶式輸送機的膠帶最大張力Fmax=445.49kN。選用ST2500 阻燃型鋼繩芯膠帶時的安全系數(shù)n=7.86，（帶式輸送機工程設(shè)計規(guī)范：鋼繩芯膠帶安全系數(shù)可取7 ～9）滿足規(guī)范要求。

2.5 電機功率

N=KPA=1.25×984.96=1231.2kW

式中，PA為軸功率，經(jīng)計算為984.6kW；K 偉電機功率系數(shù)，取K=1.25，下運可取小值。

設(shè)計選用單臺電機功率450kW,共三機驅(qū)動，總功率為1350kW。

2.6 制動計算

根據(jù)帶式輸送機設(shè)計規(guī)范向下輸送的帶式輸送機，必須裝設(shè)制動裝置，現(xiàn)對本次選型帶式輸送機制動力矩進行計算。

2.6.1 輸送機制動計算

式中，F(xiàn)B為停車所需制動力）；aB為制動減速度，取aB=0.1m/s2。

2.6.2 制動力矩

式中，MB為制動輪所需的制動力矩，N·m；I 為制動輪與傳動滾筒的速比（采用永磁變頻同步電機取1）；D 為與制動輪連接的傳動滾筒直徑；η為制動輪到傳動滾筒的速比（采用永磁變頻同步電機取1）。

2.6.3 帶式輸送機運動體上轉(zhuǎn)換到輸送帶體上的直線運動體的等效質(zhì)量

實在，k1為轉(zhuǎn)換系數(shù)（帶式輸送機上托輥旋轉(zhuǎn)質(zhì)量變換為輸送帶體上的直線運動等效質(zhì)量），取0.9。

2.6.4 帶式輸送機運動體上旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)換到輸送帶體上的直線運動體的等效質(zhì)量

2.6.5 計算結(jié)果

根據(jù)輸送機各點張力選擇驅(qū)動及改向滾筒后查表得各滾筒轉(zhuǎn)動慣量以及所選電機轉(zhuǎn)動慣量后經(jīng) 計 算 得mD=72630kg； 帶 入qB、qG、qRU、qRO、L 參數(shù)得mL=238183kg； 所需制動力FB=(238183+72630)×0.1+264240=295.32kN； 所 需 制 動 力 矩MB=(295.32×1.25)/2=184.58kN·m； 根據(jù)帶式輸送機設(shè)計規(guī)范，所選制動裝置的制動力矩不得小于帶式輸送機所需制動力矩的1.5 倍，得出所選制動裝置M ≥1.5×MB=276.87kN·m。

2.7 拉緊力及拉緊行程

拉緊裝置設(shè)在卸載滾筒沿皮帶運行反方向100m 處。

2.7.1 拉緊力

拉緊滾筒處皮帶張力如下：

F6=F4+qBg L s i nδ+f L g（qru+qBc o sδ）=22.03+13.93+1.96=37.92kN； 拉緊滾筒拉緊力≈37.92×2=75.84kN。

2.7.2 拉緊行程

式中，lSp為拉緊滾筒的拉緊行程；ε0為輸送帶的彈性伸長系數(shù)以及永久伸長綜合系數(shù),鋼絲繩芯取0.0025；ε1為托輥組間的輸送帶屈撓率，鋼絲繩芯取0.001；lN為輸送帶安裝附加行程；對于鋼絲繩芯lN=lu+0.5；lu為輸送帶接頭制作的總長度(查表得1.77m)。

3 選型結(jié)果

帶式輸送機選型主要技術(shù)參數(shù)為：帶寬B=1400mm，運量Q=1500t/h，帶速V=4.0m/s，長度L=1052m，傾角δ=-16°，提升高差-298m（下運）。

驅(qū)動系統(tǒng)：隔爆永磁同步變頻電動機3 臺，單機功率450kW，功率配比2：1。

膠帶：St2500 阻燃型鋼絲繩芯膠帶2115m。

制動裝置：KPZ-1600/375 一套， 制動盤直徑1600mm，制動力矩375kN·m。

液壓拉緊裝置：ZLY-01-100 型自控液壓拉緊裝置，拉緊小車最大拉力為100kN，拉緊行程8m，圖3 為12采區(qū)集中運輸巷帶式輸送機布置圖。

4 結(jié)語

下運帶式輸送機的傾斜運行阻力與輸送機的運行方向同向，計算其圓周驅(qū)動力時應(yīng)取負值，當運輸距離與垂高達到一定數(shù)值時，傾斜阻力會大于主要阻力和特種主要阻力加特種附加阻力之和，其結(jié)果是圓周驅(qū)動力為負值，此時，驅(qū)動單元提供帶式輸送機勻速向下運行所需的控制力，電動機為發(fā)電運行工況。

計算皮帶各點張力時，應(yīng)先按照滿足驅(qū)動滾筒在不打滑條件下能提供所需的圓周驅(qū)動力的情況計算驅(qū)動滾筒奔離點張力大小，并逐點計算至最小張力處，分析最小張力處張力是否滿足皮帶最小下垂度要求，如滿足則按驅(qū)動滾筒提供所需圓周力不打滑條件，計算皮帶最大張力；若條件不滿足，則需按最小張力處張力滿足皮帶最小下垂度要求逐點反推算出驅(qū)動滾筒奔離點處張力，繼而計算出皮帶的最大張力。