大傾角下帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究

薛海飛

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046102）

與傳統(tǒng)運(yùn)輸機(jī)相比，大傾角下帶式輸送機(jī)有助于縮短巷道的開拓周期，節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本，促進(jìn)運(yùn)輸設(shè)備功能的充分發(fā)揮，但大傾角帶式運(yùn)輸形式存在物料下滑、制動(dòng)加速度等問題，容易威脅礦井安全生產(chǎn)[1-2]。我國常見的帶式輸送機(jī)下運(yùn)角度通常為-25°，與國外相比差距較大。受上、下運(yùn)輸送力學(xué)原理差異性的影響，在傾角大于25°的前提下，隨著傾角的提升，控制的難度會(huì)隨之增大。若不能對(duì)運(yùn)帶式輸送機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。以常村煤礦為例，矸石為該煤礦的主要運(yùn)輸物料，堆積密度約為1.8t/m3，運(yùn)距為153m，最大傾角為-31°，運(yùn)量為400t/h，最大塊度為300mm，在國內(nèi)極為罕見。基于此，探索大傾角條件下運(yùn)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)十分必要。

1 大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的目的

本設(shè)計(jì)的目的在于解決大傾角運(yùn)輸機(jī)輸過程中物料下滑、飛矸以及能耗大的問題，旨在形成下運(yùn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行安全性的保障。本次下運(yùn)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的總體構(gòu)想如下：

1）由于矸石容易滑落，加之輸送傾角較大的影響，因此，應(yīng)將輸送帶的速度維持在1.6m/s為宜。與此同時(shí)，受下運(yùn)帶式輸送機(jī)長度短的影響，加之功率較小，應(yīng)采用機(jī)尾單傳動(dòng)方式，并利用重錘小車?yán)o。

2）為了避免因矸石進(jìn)入滾筒，對(duì)下運(yùn)帶式輸送機(jī)的使用壽命產(chǎn)生不良影響，應(yīng)將一級(jí)毛刷清掃器和二級(jí)震動(dòng)清掃機(jī)加裝在卸料處，將空段清掃器安裝在尾部滾筒附近，如圖1所示。

圖1 下運(yùn)帶式輸送機(jī)側(cè)型布置圖

3）分別將60°深槽托輥組和平行托輥組作為承載托輥和回程托輥，深槽托輥參數(shù)結(jié)構(gòu)圖見圖2，具體參數(shù)見表1。

圖2 深槽托輥參數(shù)結(jié)構(gòu)圖

表1 托輥參數(shù)表

4）由于帶式輸送機(jī)的破碎機(jī)能夠處理的矸石最大塊度小于300mm，結(jié)合帶寬的計(jì)算公式B=2×αmax+200=800mm，可將鋼見繩芯輸送帶的帶寬確定為1000m。圖2陰影部分與物料在托輥組堆積的截面積相近，設(shè)定為0.16m2，傾斜折減系數(shù)計(jì)算公式如下：

根據(jù)計(jì)算，帶式輸送機(jī)的選型見表2。

表2 輸送帶選型

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于滿載的工況下，ST800帶式輸送機(jī)的長度較短，傾角較大。假設(shè)摩擦因子值為0.012，附加阻力系數(shù)值為1.58，圓周驅(qū)動(dòng)力為-55082.7N，則傳動(dòng)滾筒軸和電動(dòng)機(jī)的功率可分別依據(jù)式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算：

其中：kd代表電動(dòng)機(jī)備用系數(shù)，取值1.2，η為傳動(dòng)效率，取值0.98，ξ代表電壓降系數(shù)，取值0.92，ξd為多機(jī)不平衡系數(shù)，取值1。通過計(jì)算可得，傳動(dòng)滾筒軸和電動(dòng)機(jī)的功率分別為80.8kW和103.2kW。

本次驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了YBBP-315M-4型變頻電動(dòng)機(jī)，其功率約為132kW，并選用四象限變頻交流器和直徑為630mm的DTII04A5164S型傳動(dòng)滾筒。與此同時(shí)，為了形成制動(dòng)安全性的保障，應(yīng)結(jié)合以下公式對(duì)制動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)算：

據(jù)此可選用制動(dòng)力矩為40kN·m的自冷盤式制動(dòng)器。

2.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC是電控系統(tǒng)運(yùn)行的核心構(gòu)件，制動(dòng)泵電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、帶速傳感器、電流傳感器、油壓傳感器和綜保裝置式電控系統(tǒng)的主要構(gòu)件，電控系統(tǒng)構(gòu)成見圖3。

圖3 電控系統(tǒng)示意圖

1）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和帶速是電控系統(tǒng)的重要物理參數(shù)，在電控系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)有電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和帶速檢測(cè)單元，負(fù)責(zé)將以上兩個(gè)物理參數(shù)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)。

2）綜保裝置設(shè)計(jì)的目的在于實(shí)施檢測(cè)輸送機(jī)運(yùn)行狀況，及時(shí)識(shí)別打滑、超溫、急停和撕帶等故障。

3）借助于控制盤式控制器，能夠參照相應(yīng)的比例，將油壓控制在0.5到1.0MPa。

3 啟、制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將上載荷作為參考依據(jù)，可將啟、制動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)劃分為發(fā)電工況和電動(dòng)工況。

1）與傳統(tǒng)輸送機(jī)相同，電動(dòng)工況下的輸送機(jī)在啟動(dòng)時(shí)只需松開制動(dòng)閘，在確保輸送帶不動(dòng)的前提下，結(jié)合變頻器的加速曲線點(diǎn)擊軟啟動(dòng)。在制動(dòng)時(shí)，應(yīng)首先將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到1500r/min以下，切斷主機(jī)電源，促進(jìn)油壓降低，逐漸減速停車。

2）基于發(fā)電工況下，帶式輸送機(jī)大多基于滿載運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)可緩慢松開制動(dòng)閘，輸送帶呈現(xiàn)向下的加速運(yùn)動(dòng)，借助于速度傳感器對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和帶速進(jìn)行測(cè)定，若轉(zhuǎn)速達(dá)1500r/min，投入主電動(dòng)機(jī)。基于發(fā)電工況的制動(dòng)操作，需要確保電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，先依據(jù)相應(yīng)比例減小閥電流值，降低油壓，促使輸送帶發(fā)生減速，在轉(zhuǎn)速接近1500r/min時(shí)，逐步降低控制油壓，在制動(dòng)速度達(dá)0.1～0.3m/s2后，可實(shí)施停車操作。

4 超速和打滑保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）超速保護(hù)：若電動(dòng)機(jī)的負(fù)載超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速增加，存在超載運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，面對(duì)這種情況，應(yīng)立即停止加載，待轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常后，再進(jìn)行相應(yīng)的加載操作。針對(duì)超速I（停止或者減少加載對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速），給煤機(jī)會(huì)自動(dòng)發(fā)生斷電，待轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常后再自動(dòng)啟動(dòng)給煤機(jī)。若輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近臨界值1500r/min，表明下運(yùn)式輸送帶處于超載運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)發(fā)送停車信號(hào)，以上工況也可被定義為超速II。

2）打滑保護(hù)：由于托輥與輸送帶的摩擦力降低，會(huì)導(dǎo)致輸送帶與托輥之間發(fā)生滑動(dòng)，且托輥的表面線速度明顯低于輸送帶的帶速，稱之為打滑I。一旦發(fā)生打滑I，會(huì)導(dǎo)致輸送帶在摩擦的作用下發(fā)生磨損，嚴(yán)重的還會(huì)又發(fā)瓦斯爆炸等事故。因此，應(yīng)合理設(shè)置輸送帶的速度，若超出最大標(biāo)準(zhǔn)，給煤機(jī)可自動(dòng)進(jìn)行斷電。若因運(yùn)輸帶卡死而發(fā)生打滑，則稱之為打滑II。打滑II極容易引發(fā)撕帶故障，一旦遭遇這種情況，應(yīng)立即停車。

5 上鋪帶裝置設(shè)計(jì)

在帶式輸送機(jī)上，上鋪帶裝置的設(shè)置目的在于覆蓋物料，并輔助輸送帶運(yùn)行，防止物料發(fā)生脫落，增加托輥與運(yùn)輸帶的摩擦力，防范飛帶事故的發(fā)生。上鋪帶裝置如圖4所示。

圖4 上鋪帶裝置結(jié)構(gòu)圖

6 應(yīng)用效果分析

解決皮帶超速保護(hù)、啟動(dòng)制動(dòng)控制及物料下滑是大傾角巷道帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)選型的關(guān)鍵問題，常村煤礦設(shè)計(jì)方案從根本上解決了上述問題，自該礦-30°大傾角帶式輸送機(jī)自2017年8月設(shè)計(jì)投入使用以來，沒有出現(xiàn)物料下滑現(xiàn)象，且節(jié)能效果較好，取得了良好的運(yùn)行效果，具有較強(qiáng)的應(yīng)用可行性，充分驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性。

7 結(jié) 論

1）常村煤礦-30°大傾角帶式輸送機(jī)采取設(shè)置合理皮帶速度，在帶式輸送機(jī)上加裝上鋪帶裝置等措施有效解決超速保護(hù)和物料下滑問題。

2）通過運(yùn)行效果可知：該輸送機(jī)在常村煤礦運(yùn)行中沒有出現(xiàn)物料下滑現(xiàn)象，節(jié)能性能明顯優(yōu)化，具有較強(qiáng)的應(yīng)用可行性。