煤礦帶式輸送機的本質(zhì)安全設(shè)計初探

王茜， 韓剛， 韻婷婷， 趙曉霞

（太原科技大學 機械工程學院，太原 030024）

0 引 言

帶式輸送機是煤礦井下運輸系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運行狀態(tài)直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)。而本質(zhì)安全設(shè)計主要是針對煤礦帶式輸送機在設(shè)計中存在的安全問題，構(gòu)建本質(zhì)安全設(shè)計體系，明確煤礦帶式輸送機（以下簡稱輸送機）在設(shè)計時要消除的安全隱患，保證其安全穩(wěn)定運行。

1 機械設(shè)備本質(zhì)安全

1.1 本質(zhì)安全定義

機械設(shè)備本質(zhì)安全是指在設(shè)計階段保證機械設(shè)備的安全性能，從根本上防止安全事故發(fā)生的技術(shù)措施。通常從兩方面來考慮：一是當操作者出現(xiàn)判斷失誤或者誤操作時，設(shè)備系統(tǒng)自帶的設(shè)施能自動保障其安全；二是當設(shè)備出現(xiàn)故障時，設(shè)備能自動識別并排除，能夠確保人身和設(shè)備安全［1］。

1.2 本質(zhì)安全設(shè)計

本質(zhì)安全設(shè)計既是一種實現(xiàn)機械設(shè)備安全的技術(shù)理念，也是傳統(tǒng)機械設(shè)計方法的延伸。要實現(xiàn)本質(zhì)安全，就必須從機械設(shè)備的設(shè)計入手，在設(shè)計階段就要根據(jù)機械設(shè)備的使用情況，通過確定符合實際的載荷工況、滿足強度要求的材料、適合工程精度的設(shè)計計算方法、標準的工藝路線和控制手段等，在源頭上消除和控制危險源，而不是依賴附加的安全保護措施或管理措施去控制它們。

機械設(shè)備本質(zhì)安全設(shè)計研究具有實際的意義，因為設(shè)計上達不到本質(zhì)安全要求，就會引發(fā)一些安全問題，其中有些問題可以通過整改解決，但卻需花費不必要的費用，而有些問題不能通過整改解決，需要對輸送機進行重新設(shè)計或更換設(shè)備。但是如果我們在設(shè)計時能夠從本質(zhì)安全角度出發(fā)，不但可以避免返工，節(jié)省投資，還可以提高設(shè)備的安全性能。

2 煤礦帶式輸送機本質(zhì)安全設(shè)計體系的構(gòu)建

2.1 機械設(shè)備本質(zhì)安全設(shè)計體系的構(gòu)建原則和方法

本質(zhì)安全設(shè)計的原則：當機械設(shè)備、設(shè)施或者工藝可能發(fā)生故障或者問題時，通過設(shè)計者的構(gòu)想，能自主處理或者阻止危險的發(fā)生，以保護操作者不受傷害，設(shè)備設(shè)施不受損壞［2］。

進行輸送機本質(zhì)安全設(shè)計時，首先要通過安全分析，找到可能引起輸送機出現(xiàn)的失效或安全事故的危險源；然后再針對可能出現(xiàn)的各種危險情況，選擇消除、控制危險發(fā)生的最佳方法，并在設(shè)計過程中體現(xiàn)出來；最后將傳統(tǒng)設(shè)計方法和煤礦特殊環(huán)境結(jié)合，根據(jù)本質(zhì)安全原則，建立本質(zhì)安全設(shè)計體系。

2.2 煤礦帶式輸送機本質(zhì)安全設(shè)計體系

以煤礦帶式輸送機為研究對象，基于本質(zhì)安全設(shè)計原則，結(jié)合煤礦生產(chǎn)高溫、易爆、多塵、光線昏暗等特殊環(huán)境，進行輸送機本質(zhì)安全設(shè)計的研究。

首先，按照分層分析的方法將輸送機的各個部件進行劃分，如圖1所示。然后再考慮輸送機各個關(guān)鍵部件可能出現(xiàn)的安全隱患，如：輸送帶打滑、跑偏、損傷，火災(zāi)事故，減速器故障，滾筒筒皮開裂、滾筒軸竄軸等，找到引發(fā)危險的原因，并找到應(yīng)對這些危險事故的設(shè)計方法，將其體現(xiàn)在設(shè)計過程中。最后對其進行整理，建立煤礦帶式輸送機本質(zhì)安全設(shè)計體系，如圖2所示。

3 煤礦帶式輸送機幾個關(guān)鍵部件的本質(zhì)安全設(shè)計

煤礦帶式輸送機不同于一般的帶式輸送機，它的工作環(huán)境特殊，因此在設(shè)計前要了解其工作環(huán)境和工作要求，廣泛汲取有益的經(jīng)驗，使設(shè)計盡可能做到完美。下面重點分析輸送機幾個關(guān)鍵部件的本質(zhì)安全設(shè)計。

3.1 輸送帶設(shè)計

圖1 煤礦帶式輸送機系統(tǒng)圖

圖2 煤礦帶式輸送機本質(zhì)安全設(shè)計體系

輸送帶是帶式輸送機的主要部件，它在輸送物料的過程中主要起到牽引和承載的作用。輸送帶的設(shè)計選用是依據(jù)輸送機的工作線路的布置、輸送的物料特點和使用條件來確定的，它不僅對輸送機完成輸送任務(wù)至關(guān)重要，還影響著輸送機的滾筒、托輥和驅(qū)動裝置等其他機械部件的設(shè)計［3］，因此，選擇設(shè)計合適的輸送帶，成為輸送機設(shè)計的核心內(nèi)容。

1）核算輸送能力Q和輸送帶寬度B。

式中：Amax為最大裝料斷面的面積，m2；V為輸送機運行速度，m/s；Cst為傾斜系數(shù)。

2）輸送帶帶寬的確定。

式中，Kr為輸送機裝料斷面系數(shù)。

3）帶寬的驗算。對于未經(jīng)篩分的散裝物料，驗算公式為

對于經(jīng)過篩分的散裝物料，驗算公式為

其中，Xmax為輸送物料平均塊度，mm。

4）輸送帶的選型。從本質(zhì)安全的設(shè)計理念出發(fā)，結(jié)合煤礦井下高溫、易爆、易燃的工作環(huán)境，根據(jù)上述的計算結(jié)果，選用合適的耐高溫、阻燃型、難燃型輸送帶。煤礦帶式輸送機輸送帶的合理選擇對于減少設(shè)備投資，提高安全性都具有重要作用。

5）輸送帶強度校核。為保證輸送機的安全運行，在設(shè)計時，我們要對所用輸送帶進行強度校核，要求輸送帶的計算安全系數(shù)不小于許用安全系數(shù)，即：

輸送帶的計算安全系數(shù)等于額定張緊力與最大張緊力的比值：

式中：Ka為動載系數(shù)；η0為輸送帶接頭效率；m0為輸送帶基本安全系數(shù)；Cw為附加彎曲伸長折算系數(shù)。

3.2 驅(qū)動裝置的設(shè)計

驅(qū)動裝置是輸送機的動力來源，主要由電動機、減速器、聯(lián)軸器、傳動滾筒組成（如圖3）。電動機通過聯(lián)軸器、減速器帶動傳動滾筒轉(zhuǎn)動，依靠滾筒與輸送帶之間的摩擦力使輸送帶運動。在一些需要的情況下，驅(qū)動裝置中還應(yīng)設(shè)有制動器、逆止器［4］。

對于大型的煤礦帶式輸送機，在空載運轉(zhuǎn)時，電動機處于發(fā)電運行的狀態(tài)，動態(tài)響應(yīng)較大，若直接啟動就會使輸送帶振蕩劇烈，易導(dǎo)致斷帶或?qū)︱?qū)動裝置的各組成部分的壽命造成致命的影響。由于起車時，啟動加速度過大，變速過快，會降低輸送帶的張力和各承載部件的動載荷。為了保持平穩(wěn)的起動力矩，保證輸送機安全平穩(wěn)地運行，我們要選用合理的驅(qū)動方式。

目前，改善煤礦帶式輸送機啟動條件的主要手段是可控軟啟動技術(shù)。軟啟動技術(shù)可以在一定的啟動時間內(nèi)，控制啟動加速度，保證輸送機按所要求的加速度曲線平穩(wěn)地啟動，并達到額定的運行速度，同時可以把電動機的啟動電流和輸送帶的啟動張力控制在允許的范圍內(nèi)［5］，達到煤礦帶式輸送機平穩(wěn)啟動的目的。

目前，采用的軟啟動方式有機械軟啟動、機電軟啟動、電氣軟啟動，而我們最常用的可控軟啟動方式為CST，下面為CST的選用計算。

1）驅(qū)動裝置的布置。對于一般的中小型的煤礦帶式輸送機，我們一般選用單滾筒驅(qū)動，當水平、上運和正功率的下運時，驅(qū)動裝置應(yīng)設(shè)在頭部；當下運負功率時驅(qū)動裝置設(shè)在尾部。然而，對于運輸距離長、運量大的煤礦帶式輸送機我們一般采用雙滾筒或者多滾筒驅(qū)動。

2）圓周力計算。其一般計算公式為

式中：FH為輸送線路上的主要阻力，N；FN為輸送機上各部件的附加阻力，N；FSt為輸送物料的傾斜阻力，N；FS為特種阻力，N。

2）軸功率計算：

式中，F(xiàn)U為傳動滾筒圓周力（運行阻力的總和）。

3）計算速比：

4）CST的計算功率：

式中，Sf為CST服務(wù)系數(shù)，通常取1.25～1.40。

最后，根據(jù)計算出的結(jié)果確定CST的規(guī)格。

基于本質(zhì)安全設(shè)計理念，對帶式輸送機的驅(qū)動裝置進行合理的選型與設(shè)計，以提高煤礦帶式輸送機的安全性能。

3.3 拉緊裝置的設(shè)計

拉緊裝置在煤礦帶式輸送機系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，它影響著整個輸送機的穩(wěn)定性和可靠性，主要是用來保證輸送機起動、制動、正常運轉(zhuǎn)時所需要的張力。所謂“拉緊”，就是指能夠吸收輸送帶的伸長和為輸送帶提供張緊力［6］。

要保證輸送機的正常運行，輸送帶的最小張力必須要滿足以下兩個條件：1）傳動滾筒所傳送的圓周力可以保證輸送帶不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；2）輸送帶在兩組托輥間的下垂度不能夠大于許用的垂度值［6］。

現(xiàn)如今，隨著輸送機不斷向著長距離、大運量、高帶速的方向發(fā)展，液壓拉緊裝置已成為煤礦大型帶式輸送機優(yōu)先選擇的配套拉緊裝置之一，如圖4所示。這是因為液壓自動拉緊裝置具有響應(yīng)快、拉緊力大，拉緊行程大，可自動調(diào)節(jié)拉緊力大小，容易實現(xiàn)集中控制，可靠性高，工作穩(wěn)定等優(yōu)點［7］。具體的設(shè)計過程如下：

1）拉緊裝置的拉緊力計算。通過逐點張力法計算得出尾部滾筒上奔入點與奔離點的張力S入和S出，求出拉緊裝置的拉緊力T：

2）拉緊行程的計算：

式中：l為拉緊行程，m；ξ為輸送帶伸長率；La為安裝行程，m。

3）確定拉緊滑輪的倍率m，拉緊裝置中鋼絲繩上的拉緊力T1的計算公式為

4）確定連接在拉緊液壓缸上的滑輪數(shù)n，液壓缸上的拉緊T2的計算公式為

若液壓缸上沒有連接滑輪，而是直接通過鋼絲繩將拉緊滾筒與液壓缸連接，則液壓缸上的拉緊力就等于拉緊裝置的拉緊力T。

5）分別根據(jù)鋼絲繩的拉緊力T1和液壓缸上的拉緊力T2確定鋼絲繩型號和液壓缸型號。然后，再根據(jù)拉緊行程l和液壓缸的行程距離確定液壓裝置的位置。

4 結(jié) 語

在科技迅速發(fā)展的今天，煤礦企業(yè)對安全生產(chǎn)有了更多的需求。本文結(jié)合煤礦特殊的環(huán)境條件及工作要求，對煤礦帶式輸送機在設(shè)計、安裝、使用過程中可能出現(xiàn)的安全事故進行了分析，并且找到引起各種事故發(fā)生的原因，再根據(jù)本質(zhì)安全設(shè)計原則和方法，建立了本質(zhì)安全設(shè)計體系。根據(jù)文中所建立的本質(zhì)安全設(shè)計體系，采用本質(zhì)安全設(shè)計的方法對煤礦帶式輸送機的各個部件進行安全合理地設(shè)計，從根本上提高生產(chǎn)運輸設(shè)備的安全性能。

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［2］ 黃紅齊.淺談如何實現(xiàn)化工機械的本質(zhì)安全［J］.港口裝卸，2011（ 3） ∶16-17.

［3］ 魏朝福，許曉曦，金寶龍.帶式輸送機中降低輸送帶安全系數(shù)的必要性［ J］.山東煤炭科技，2009（ 4）：156.

［4］ 金寶龍，王汝秀，韓孟群.淺談煤礦用帶式輸送機的幾種啟動形式［ J］.城市建設(shè)理論研究（ 電子版），2012（ 23）.

［5］ 隋華.CST可控軟啟動系統(tǒng)在主井帶式輸送機中的應(yīng)用［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2005（ 21）∶271-272.

［6］ 楊道和.帶式輸送機的張緊技術(shù)及其應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2007（ 9） ∶129-130.

［7］ 胡坤.帶式輸送機綠色設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究［D］.合肥：安徽理工大學，2012.