關于煤礦用帶式輸送機未來發展方向的研究

王嘉鑫

摘 要：帶式輸送機作為當前最為理想的煤炭運輸方式廣泛應用于煤礦井下原煤運輸及煤炭洗選領域。對比其他運輸方式，帶式輸送機具有運行穩定、連續性強、運輸距離長、節能高效等顯著特點。伴隨著煤炭采掘技術的發展以及煤炭市場的變化，對帶式輸送機設計制造工作提出了更高要求。以神東礦區為例，采掘技術高速發展，要求帶式輸送機更加智能化、大型化、長距離化；受煤炭產能過剩、煤炭價格波動等外部環境影響，要以科技創新求發展，要求帶式輸送機更加節能降耗、科技含量高且標準規范。

關鍵詞：帶式輸送機；智能化；長距離；標準化；科技創新

中圖分類號：TD52 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0137-03

帶式輸送機作為承接煤炭開采與煤炭裝車外運的重要中間組成單元，起著承上啟下的重要作用。只有帶式輸送機設計制造工作快速發展，才不會卡住煤炭生產外運的咽喉。近年，隨著大采高、快速掘進、數字化礦山等現代煤炭新技術的涌現，對帶式輸送機行業提出了更高要求。同時受煤炭行業大環境影響、煤炭產能過剩、新能源占比不斷增大等因素的影響，煤炭作為主體能源的地位在不斷削弱，煤炭企業自身生存壓力逐漸增大。綜合以上客觀因素，要以創新發展和行業脫困為基調，有目的、針對性的對帶式輸送機設計制造進行升級優化。使帶式輸送機實現長距離、設計新型化、系統標準化、智能人性化。

1 目前常規帶式輸送機存在問題歸納分析

1.1 長距離運輸方面

當綜采工作面或連采工作面推進長度過長時，常規可伸縮膠帶機3000米運輸長度已經無法滿足要求，通常情況下采用兩種布置方式滿足長距離輸送要求。一種為兩部3000米帶式輸送機搭接運行，主要存在問題為需進行兩套設備的安裝與回撤。對于雙巷工作面，工作面到第一部機頭，需要停產拆運膠帶機機頭部分；對于單巷工作面，需增加腰巷，工作面到第一部機頭，通過腰巷完成機頭部分的拆運。與采用單部長距離單點驅動膠帶機比較，由于采用了兩點驅動布置方式，需增加機頭硐室、安裝基礎、回撤腰巷、過構造等，使得礦務工程工作量增大；需增加移變供電、電氣控制、機頭設備、供電電纜等設備，使得安裝與回撤工作量也增大；需增設多名崗位工及巡檢工，增加了運行維護成本，調試難度增大[1]。

另一種為加中部驅動長距離運行，同樣存在的問題為設備的安裝、回撤及維護，需增加中部硐室、安裝基礎、回撤腰巷、中部供電設備及過量的檢修人員。另外存在的主要問題為機頭與中部驅動之間的關聯控制比較復雜，各驅動間的負載分配、啟動時間差及啟動順序設置起來是一項復雜耗時的工作。如設置不當，中驅驅動滾筒與帶面間會產生隱性打滑，會產生煙霧及刺鼻氣味，存在極大的起火隱患。通常為解決中部驅動隱性打滑，現場操作人員會將整機拉緊裝置過張力控制，這樣雖然可以解決隱性打滑，但是超過額定拉緊力長時間運行會對張緊部分游動小車、液壓拉緊裝置等部件的使用壽命造成較大影響。所以，過張力拉緊不是解決中部驅動隱性打滑的理想解決方案。

通過對兩部搭接方式和加中部驅動兩種方式的綜合分析，以上兩種方式主要存在安裝回撤不便、關聯復雜、人力物力投入大增加使用成本、影響生產效率，難以滿足安全高效的礦井需求。

1.2 設計新型化的必要性

帶式輸送機的設計制造工作應不滿足于還能用的狀態。應該思考如何更好用易用。通過自上而下及自下而上多角度思考，研究總結出改型發展的根本點及難點，理清脈絡后逐點研究[2]。

托輥方面存在問題：輸送機的主要阻力FH是物料及輸送帶移動和承載分支及回程分支托輥旋轉所產生阻力的總和，可用公式（1）計算。

FH=f*L*g[qR0+qRu+（2qB+qG）cosδ] （1）

式中：f——模擬摩擦系數，根據工作條件及制造安裝水平決定，一般可按表查取；qR0——承載分支托輥組每米長度旋轉部分重量，kg/m；qRu——回程分支托輥組每米長度旋轉部分質量，kg/m；qB——每米長度輸送帶質量，kg/m。

從公式中可反映出，模擬摩擦系數f、帶面質量qB、托輥旋轉質量qR0和qRu等是決定輸送機的運行阻力幾個重要參數。通俗的講，通過自下而上的分析，托輥和輸送帶面是決定整機運行受力情況的重要基礎元素。

托輥作為帶式輸送機數量最大的組成部件。托輥的性能參數直接影響整機的受力情況。考慮到各礦井地質條件錯綜復雜，環境潮濕，且存在淋水現象。污染水質會對托輥輥皮、密封及軸承造成侵蝕（見圖1所示）。通常托輥為碳鋼Q345材質，為應對潮濕及污染水質侵蝕，再綜合輥皮材質的力學性能，托輥輥皮厚度通常較厚，以提高耐腐蝕性，保證托輥的合理壽命。輥皮較厚隨之產生的問題就是托輥旋轉質量qR0和qRu增大，產生的連鎖反應為帶式輸送機整機的張力變大，所需帶面的強度等級增大繼而每米長度帶面質量qB增大。整個連鎖反應最終導致整機的功率配置相對增大。最終整個閉環系統配置偏高，前期設備購置費用以及后期能耗、維護費用相對增大。

1.3 系統標準化的必要性

據悉，目前同規格順槽膠帶機存在問題為樣式多種多樣。以神東礦區為例，在用1.4m帶寬3000m運距順槽膠帶機的品牌種類至少有三種，三種膠帶機的功率以及帶速相同，但是設備配置卻各自為政，首先電機、減速器品牌不同；另外啟動方式也不同，有變頻啟動方式，也有CST啟動方式；架體高度、安裝尺寸不同，這樣造成三種膠帶機安裝地基也不同。并且每種之間的易耗件如標準架體、滾筒、托輥均設計相似但不能完全互換，每部新順槽膠帶機采購至少要附帶電機、減速器、約5個滾筒以及大量的標準架體、上托輥、下托輥及平托輥等備件，便于部件出現問題時及時更換。這樣，一個種類的在用部件及備用部件只能供自身單一使用，如果有的礦井三個種類的順槽膠帶機都在用的話，庫存積壓，資產無法有效盤活，造成的浪費是驚人的。而且在后續使用過程中困擾一直存在，礦井物資采購人員需要頻繁區分品牌種類，而帶式輸送機生產企業每次接到物資采購計劃時均需要入井核實測量尺寸，帶式輸送機現場維護人員每次領用物資的時候也不便于區分。

固定膠帶機受地形、巷道布局的限制允許有差異化存在。所以，固定膠帶機的種類特別繁多。同順槽膠帶機一樣，每部新固定膠帶機采購至少要附帶電機、減速器、約5個滾筒以及大量的標準架體、上托輥、下托輥及平托輥等備件。目前存在問題主要為在運量相同、帶寬一致的情況下，標準架體方面如H架、縱梁及上托輥架完全可設計為一種樣式，實際情況為各成體系、種類繁多。托輥方面存在問題也很嚴重，軸徑不一，安裝檔距不一。特別是滾筒方面，通常固定膠帶機滾筒采用外置軸承座樣式，外置軸承座滾筒受安裝尺寸限制一般來講只能用到這一部膠帶機上，循環再利用的可能性很小。固定膠帶機滾筒的種類之多以及積壓情況遠比順槽滾筒要嚴重。存在的另一個問題為目前在用的固定膠帶機普遍繞帶方式復雜，造成了不必要的滾筒和架體的浪費。

1.4 智能人性化方面的考慮

井下帶式輸送機是一種連續性的運輸設備，非檢修時間故障停機的損失是巨大的。為保障帶式輸送機在生產階段無故障運行，要做好各主要部件的監測工作是非常重要的。其中電機需要觀測其功率、電流情況及A、B、C三相繞組及兩端軸承溫度情況，觀測功率、電流分析其煤量運載情況。通過軸承溫度及繞組溫度判讀電機是否存在過熱現象，是否需要進行預防性檢修。電機溫度、功率、電流等參數通過有線方式傳輸到變頻器集中顯示，而變頻器無專人全程看守，只有檢修人員分時段觀測，所以無法實時觀測設備運行情況，存在發現問題不及時等現象，無法通過科技手段有效解放人力。

減速器方面通常配置高速軸測溫、低速軸測溫、油溫測溫、油位檢測及振動檢測，用以監測設備出現高溫現象以及潤滑油量情況，輔助維護人員作出設備運行狀況判斷。還有滾筒測溫同減速器相似。原理為PT100測溫元件外接信號傳輸線纜將信號傳輸至變頻器顯示。這樣存在的問題就是線纜布置較為凌亂。同電機一樣，顯示端無專人看守的情況下無法實時獲得故障信息。

不論是智能技術還是其他的新技術的應用，都應該是服務于人的。特別是礦井單位要利用新技術、新思想保障人的安全、提高人工效率，秉承以人為本的思想。順槽膠帶機和連采后配套膠帶機均屬于需要頻繁縮短或延長的機型，搬家倒面的次數也比較頻繁。大型架體通過大型搬運設備搬運，但是小部件如H架、縱梁及上托輥架均需要人工搬運。例如1.4m順槽膠帶機標準H架重達50公斤左右，1m連采膠帶機標準H架重達35公斤。數千件的小部件需要人工搬運，勞動強度之大可想而知，且存在砸傷、劃傷的安全隱患。面對一線工人如此大的勞動強度，需要潛下心來本著以人為本的觀念努力尋找改善的方法，切實降低工人勞動強度與作業風險。

2 帶式輸送機未來發展方向及難點探究

2.1 設計新型化實現長距離運輸

當綜采工作面或連采工作面推進長度過長時，兩部搭接與加中驅方式主要存在安裝回撤不便、關聯復雜、人力物力投入大增加使用成本、影響生產效率等弊端。綜上所述，長距離單點驅動帶式輸送機應是未來發展的方向。

實現長距離單點驅動長距離膠帶機需要從各部件中逐一篩選，挖掘部件的潛力空間，如滾筒、鋼結構架體等部件數量不多且相對比較成熟。挖掘的價值不大。托輥作為帶式輸送機數量最大的部件，其性能參數直接影響整機的受力情況，可挖掘的潛力巨大。由公式（1）得出，將托輥旋轉質量qR0和qRu、托輥旋轉阻力及帶面質量qB作為潛力挖掘的突破點。首先從托輥旋轉重量方面，常用普通托輥采用Q345碳鋼材質輥皮，為應對磨損及淋水腐蝕現象，輥皮厚度偏厚為4.5mm，直接造成托輥旋轉重量偏大。研究采用非金屬高分子材料或耐磨耐腐蝕金屬材料可適量降低托輥輥皮壁厚，有效降低托輥的旋轉重量；托輥旋轉阻力方面，這方面涉及到托輥的軸承及密封，如軸承密封密封性不好的話，長時間運行后粉塵及污染水會進入密封腔內直接侵蝕軸承，軸承在無潤滑受侵蝕的情況下必然旋轉阻力會增大。而密封腔如果本身腔內容積過大的話，出廠時就會充入過量的潤滑油，也會對托輥阻力造成影響。這樣需要改良密封設計，迷宮密封永遠不能徹底的隔絕粉塵與污染水，真正的控制應以疏導為主，設置緩沖區，污染物進入到緩沖區后利用托輥自身的高速旋轉離心力將污染物甩出；帶面質量方面，根據連鎖反應，托輥旋轉重量及旋轉阻力降低后整機的主要阻力就會下降，相應的帶面張力也會下降。這樣帶面的強度等級降低后單位長度的帶面重量就會降低，再選擇柔性較好、重量較輕的織物帶面，就會更進一步降低整機的主要阻力，為帶式輸送機長距離運輸提供更多的實現保障[3]。

2.2 系統標準化方面

綜上所述，順槽膠帶機以及固定膠帶機標準化工作推行不到位，自成體系帶來的浪費是巨大的。特別是備件，常年存放在室外，如果保護不當，未使用就會報廢。特別是當煤炭市場不景氣時，推行標準化工作勢在必行。以神東礦區為例，同規格順槽膠帶機的品牌種類至少有三種，在用途及訴求一致的情況下，完成可以從現在開始，在一公司多礦井單位，將該種機型強制規范為一種機型通用，能夠有效盤活庫存，為今后的順槽機型采購、礦務工程、輸送機維護提供很大的便利。

固定帶式輸送機方面受地形、巷道布局的限制允許有差異化存在，所以固定帶式輸送機存在的浪費更為嚴重。在帶寬、運量、功率配置及受力情況相近的情況下，要力爭托輥、上托輥架、縱梁及H架可以互換。滾筒方面合張力相近的情況下，要歸納為一種規格的滾筒。另外固定膠帶機滾筒通常使用外置軸承座滾筒，可以將滾筒統一更改為順槽樣式內置軸承滾筒。內置軸承滾筒的安裝方式為以簡易焊接卡座代替外置軸承座，互換的局限性更小，滿足軸徑、合張力的前提下只需重新加工軸頭卡座即可。另外需要推行的一個方面為改變常規固定膠帶機繞帶方式，在地形條件較好的情況下，采用順槽繞帶方式可省卻兩個改向滾筒及改向架體，節約設備購置資金及后期維護量。

2.3 智能人性化方面

煤礦井下帶式輸送機中應用智能控制技術，能夠作為一種有效的支持分布式控制實施的串聯網絡系統結構，實現煤礦井下作業體系系統化。以電機、減速器的監控為例為例，增加更多的監測項目，如油品分析、振動值等參數，將所有的溫度、振動、油品質等信號匯總傳輸到固定在箱體上的無線發射器上，在通過中轉設備傳送的地面。當然現場維護人員手持終端也可全面采集到這些信息，地面設置專人監控多條帶式輸送機，可實時礦井全部帶式輸送機運行情況及控制設備的啟停。同時設備供應廠家根據上傳的各項數據匯總分析設備的故障原因及壽命評估。除了確保系統運行的可靠性外，還以提高故障排查性，提高煤炭運輸效率。智能控制系統的地面監控和網上瀏覽功能，使得運輸操作人員及時了解井下煤礦一項操作現場，對礦業部門單位的生產和發展及煤量的開采，都具有積極的引導作用。

順槽帶式輸送機、連采后配套可伸縮帶式輸送機均屬于短周期服役類型，而且在使用過程中需要頻繁的延長或縮短標準段部分。如H架、縱梁及上托輥架均需要人工搬運、拆裝。為降低現場工人的勞動強度，要推行可伸縮類帶式輸送機標準部分輕型化。在保證強度滿足的情況下，采用高強度鋼板代替普通鋼板，選用新型材質的主要要求為其加工性能及力學性能滿足需求，特別是焊接方面，要求新型材料焊接處以及熱影響區域不得失效斷裂，要對焊接工藝方法做嚴格的論證測定，這樣整體的力學性能才能滿足要求，最終實現減重目的；采用新型型鋼代替常規型鋼，例如采用冷彎內卷邊槽鋼代替普通槽鋼，內卷邊槽鋼結構更為穩固，具有相對更好的抗彎及抗拉性，最終可減重40%有余。輕型化設計的主要目的主要在于將人工搬運部件重量降低到人力承受范圍內，降低工人勞動強度，提高人工效率。

3 結語

帶式輸送機的發展不光要聚焦在更長距離、更大型化，同時也要兼顧細節方面的優化提升之處。反之，細節提升才能實現長距離、大型化，細節提升積累到一定數量才會產生大革新。托輥的新型設計產生了連鎖的有利效應。以此為鑒，應以同樣的理念研究滾筒的提升改造之處。標準化工作方面，統一歸類機型種類，實現部件的通用性與互換性，在此基礎上提出帶式輸送機鋼結構件的模塊化設計，類似于積木搭接式的設計思想，這樣拆裝、搬運方便，而且通用性強。智能人性化方面是現在發展的主流方向，它代表了一個礦井的現代化水平，智能化的意義在于解放人力，提高勞動效率；隨著科技的發展，礦井井下所有作業最終會實現無人作業。秉承科技是第一生產力，通過不斷的創新，改變煤炭行業粗放型發展方式，走一條資源節約型、環境友好型的發展道路。

參考文獻

[1]北京起重運輸機械設計研究院，等.DTⅡ（A）帶式輸送機設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，2014.

[2]宋偉剛.通用帶式輸送機設計[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[3]汪宗華.帶式輸送機[M].北京：機械工業出版社，1989.