選礦廠皮帶機擴能技改及帶式輸送機問題解決

王喜和

（內(nèi)蒙古大中礦業(yè)股份有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 014423）

0 引言

在礦山企業(yè)生產(chǎn)實踐中，帶式輸送機是整個生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要運輸工具。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)礦山企業(yè)帶式輸送機事故頻發(fā)，設備故障率最高。在生產(chǎn)運行中，皮帶機經(jīng)常出現(xiàn)打滑、跑偏、脫層、劃傷、撕裂、斷帶、倒轉等異常現(xiàn)象；出現(xiàn)減速機、傳動滾筒、液力偶合器等部件斷軸、打齒等設備運行事故。且發(fā)生故障后的停產(chǎn)損失遠大于設備的修復損失及其造價。

1 書記溝選礦廠5#皮帶機運行現(xiàn)狀

5#皮帶機承載運輸著破碎系統(tǒng)中細碎混合料，是整個運輸系統(tǒng)中負荷量最大的樞紐皮帶，循環(huán)負荷達到150%，皮帶上礦石自然堆積角已經(jīng)接近40，超過其允許堆積角30，遠超其設計運輸能力。按建礦時的設計要求，其運輸量不超過180 萬噸/年，目前的運輸產(chǎn)量已達到210 萬噸/年。皮帶機是在過負荷狀態(tài)下運轉，因此，在運行中發(fā)生過跑偏、打滑、劃傷、撕裂等故障或設備事故。另一方面，5#皮帶機在最初設計配置中，即沒有自動糾偏、防打滑及減負荷設施，也無逆止器、液力偶合器等制動、動力分配配置。在生產(chǎn)過程中，受皮帶傾角及礦石重力的影響，發(fā)生過皮帶倒轉致使礦石撒到機尾的異常現(xiàn)象，這都是超負荷運轉出現(xiàn)的癥狀和缺陷。由于5#皮帶機運輸能力的限制，無法達到一中二細破碎機同時啟動的生產(chǎn)要求，造成破碎系統(tǒng)延長到21 h/d 的生產(chǎn)時間，仍不能保證磨選車間的充足供料。

為此，根據(jù)公司230 萬噸/年的三期規(guī)劃要求，2019 年2 月，對5#皮帶機技改項目進行詳細設計計算。其中，在設計過程中，經(jīng)查閱大量資料及相關調(diào)研，應用了行業(yè)內(nèi)的先進理論和計算方法，對配套中的所有設備進行了校核，并按照目前行業(yè)內(nèi)的標準配置做了選型。

2019 年8 月，書記溝選礦廠對5#皮帶機完成了技改安裝，經(jīng)2 個多月的生產(chǎn)運行，目前5#皮帶運輸機運行狀況良好，滿足了同時開啟一中二細中細碎破碎機的生產(chǎn)要求，保障了磨選車間的充足供料及原礦倉儲料。

2 設備參數(shù)、技改理論及要點數(shù)據(jù)

2.1 基本數(shù)據(jù)

（1）5#皮帶機原設計參數(shù)。皮帶機寬B=1000 mm，斜長L=81 m，運輸量Q900 t/h。運輸帶結構為6 層尼龍帆布芯NN100型。運輸帶上膠厚6 mm，下膠厚1.5 mm。主機安裝傾角可分為3段：16傾角43.6 m，8傾角12 m，0傾角25.5 m。

（2）技改產(chǎn)量要求。如果按三期規(guī)劃對接生產(chǎn)量時，處理原礦量為230 萬噸/a。根據(jù)書記溝選礦廠給出的理想臺班生產(chǎn)時間，要求破碎作業(yè)時間為5 h/班，按給礦粒度、鐵礦石性質(zhì)及循環(huán)負荷的試驗數(shù)據(jù)。原礦先后經(jīng)由中細碎破碎上篩后，其循環(huán)負荷為150%。因此，給礦量計算如下：Q=（23010000）/（33015）=465 t/h，Q循環(huán)=1.5Q=1.5465=698 t/h。因此，5#皮帶機輸送量要求為Q5=Q+Q循環(huán)=1163 t/h。

2.2 技改理論

第一步：首先依照行業(yè)最新標準，按技改產(chǎn)量要求，對主機進行選型計算并校核其產(chǎn)能。

第二步：在第一步基礎上，全面進行皮帶機運輸圓周力計算和逐點張力計算。其中，按照目前國內(nèi)礦山建設中運輸機的標準配置，以及最新計算理論，運輸圓周力包括以下幾種。并依次進行皮帶機垂度校核、運輸帶層數(shù)及強度校核。

（1）主要阻力FH。包括托輥旋轉阻力和輸送帶的前進阻力，前進阻力是指輸送帶在托輥上反復被壓凹陷及皮帶和物料經(jīng)過時反復彎曲變形產(chǎn)生的阻力。

（2）附加阻力FN。FN=FNa+FNb+FNc+FNd。其中，F(xiàn)Na是物料在裝載段被加速的慣性阻力和摩擦阻力，F(xiàn)Nb是物料在裝載段導料攔擋側壁上的摩擦阻力，F(xiàn)Nc是滾筒軸承阻力（傳動滾筒的不計入），F(xiàn)Nd是輸送帶繞經(jīng)滾筒的彎曲阻力。

（3）傾斜阻力Fst。傾斜阻力（物料提升阻力）。

（4）特種主要阻力Fs1。Fs1=Fsa+Fsb。其中，F(xiàn)sa是托輥前傾摩擦阻力，F(xiàn)sb是物料與導料欄板間的摩擦阻力。

（5）特種附加阻力Fs2。Fs2=Fsc+Fsd。

綜上所述，運輸圓周力Fu=FH+FN+Fs1+Fs2+Fst=CfLg[（2qB+qG）cos+qRo+qRu]+qGHg+Fs1+Fs2。

第三步：按照前兩步結果，設計選擇驅動滾筒、電機及減速機型號，計算出各輸入輸出軸的轉速、工作轉矩等運動和動力參數(shù)。并依次進行驅動滾筒的比壓校核、減速機的熱功率校核、各軸的轉矩及最大載荷校核、電機的功率校核。有關技改理論的應用，關鍵解決3 個方面問題。

（1）與實際對接并應用于實踐中的關鍵理論，要求與實際無差異。

（2）運輸圓周力的影響因素較多，因配置和使用狀況、環(huán)境等因素的不同而發(fā)生變化，嚴格來說，是變量。應結合實際現(xiàn)場，嚴格按照動力學原理做出正確分析，依次計算。

（3）動力滾筒轉速及傳動系速比，根據(jù)所需動力選擇動力機后，按照動力機的滿載轉速，計算選擇減速機，進而按選定的減速機重新核準皮帶機運行速度及其動力參數(shù)；核準運輸圓周力的差異及功率差異；如減速機無法滿足其熱負荷的要求，則需考慮配置散熱設施，否則，重新選擇更大一級的相鄰級別的減速機，最后，方可校核原動力機是否滿足要求。

2.3 要點數(shù)據(jù)支撐

2.3.1 初步確定帶寬并校核產(chǎn)量

（1）帶速v 的確定。根據(jù)原礦石性質(zhì)，磨琢性較大，約45%物料粒度在250160 mm，其余為160 mm 以下。又根據(jù)帶速標準，查基礎理論表得，v=24 m/s，故初選v=2 m/s。

2.3.2 計算運輸圓周力Fu

經(jīng)計算，F(xiàn)u=FH+FN+Fs1+Fs2+Fst=CfLg [（2qB+qG）cos+qRo+qRu]+qGHg+Fs1+Fs2=37 006 N。其中，qB是每米長輸送帶質(zhì)量，qG是每米長輸送物料的質(zhì)量，qRo是承載分支托輥每米長旋轉部分的質(zhì)量，qRu是回程分支托輥每米長旋轉部分的質(zhì)量，f=0.0230.03，取f=0.03，mRo=2025，取lRo=1 m，qRo=25/1=25 kg/m，mRu=1820，取lRu=2 m，qRu=20/2=10 kg/m，B=1200，6.0+1.5、6 層尼龍帆布芯膠帶：qB=22 kg/m。qG=Q/3.6v=161.53 kg/m。其他計算系數(shù)：托輥前傾角=2，承載托輥與輸送帶間的摩擦系數(shù)0=0.30.4，物料與導料擋板間的摩擦系數(shù)2=0.50.7。=30時、槽形系數(shù)=0.4，其余略。

2.3.3 驅動滾筒的選擇及校核

（1）主滾筒直徑。傳動滾筒直徑的大小影響輸送帶繞經(jīng)滾筒時的附加彎曲應力，以及輸送帶在滾筒上的比壓，為使彎曲應力不過大，對于尼龍帆布層芯運輸帶，應滿足D/Z125，其中，D 為滾筒直徑，Z 為帆布層數(shù)。故初選D=800 mm&1000 mm，B滾筒=1400 mm。

（2）比壓校核。織物芯輸送帶許用比壓[N]=100 N/cm2，而織物芯體運輸帶比壓NZH=2Fmax/DB=11.74 N/cm2約[N]，因此，驅動滾筒的選型及其尺寸符合要求，通過。

2.3.4 主滾筒、電機及減速機的參數(shù)計算，電機及減速機選型

皮帶機的運行速度擬選為v=2 m/s，下面驗算其合理性，論證并確認其可行性。

（1）電機功率、選型、滾筒轉速及傳動系速比。滾筒工作效率w=筒軸=0.960.98=0.94。電機功率：設定減速機選用工礦運輸帶專配減速機，根據(jù)常規(guī)配置及以下計算（i30）可知，二級無法完成其速比要求，暫設定為三級減速，且為了縮小其占用面積，選擇硬齒面圓錐圓柱齒輪減速機，則電機至主滾筒的效率計算如下：a=軸3錐柱2聯(lián)=0.85，Pd=（Fuv）/1000aW=92.63 kW。因此，初選電機功率是110 kW；根據(jù)JB/T 8680.1—1998、JB/T 8680.1—1998Y2 標準，兼顧其轉矩要求（見下面運動和動力參數(shù)），供選型號為：Y2-315S-4/110 kW 或YX3-315S-4/110 kW，查表，其滿載轉速均為nm=1480 r/min。滾筒轉速nw=（601000v）/D=47.75 r/min。傳動系速比i=nm/nw=1480/47.75=31。查閱《帶式輸送機硬齒面圓錐圓柱齒輪減速機》參數(shù)表，得出相近速比：i1=31.5，i2=35.5，i3=28。下面根據(jù)減速機公稱功率及其熱功率要求，來確定傳動系速比。

（2）減速機選型。根據(jù)該速比及轉矩要求，按照國家標準ZBJ19004 大功率大轉矩帶式輸送機減速機類型，考慮到實際場地要求安裝面積最小的特點。結合主要部件承載能力大、互換性好、傳動平穩(wěn)、效率高、體積小、重量輕、安裝簡便等諸多因素，應選用圓錐圓柱齒輪傳動系列。確定齒輪箱規(guī)格、減速機型號及參數(shù)。

所選齒輪箱計算功率Pc應滿足：Pc=PWKAKsKRPA，其中，KA為使用系數(shù)，運輸塊狀石料，查基礎表，工作機載荷性質(zhì)為H，查表，KA=1.75，PA為公稱功率，Pw為工作功率，KS為啟動系數(shù)，每小時啟動次數(shù)5，查表，KS=1，KR為可靠度系數(shù)，查表，KR=（1.6+2.55）/2=2.075，Pc=PWKAKsKR=[（Fuv）/1000]KAKsKR=268.76 kW。依照JB/T 9002—1999 帶式輸送機類減速機選型參數(shù)表，查表19 得，i1=31.5、n1=1480 r/min 時，DCY 型規(guī)格為355 的減速機：PA=290 kWPc；i2=35.5、n1=1480 r/min 時，DCY 型規(guī)格為400 的減速機：PA=345 kWPc；i3=28、n1=1480 r/min 時，DCY 型規(guī)格為355 的減速機：PA=320 kWPc。

通過熱功率校核可知，i3=28、規(guī)格355 型減速機，在沒有冷卻措施時，不能滿足散熱要求，因此該減速機暫不選取。其他兩種速比的減速機，熱功率校核均滿足散熱要求，都可以作為選配對象，后續(xù)將分別進行其功率及轉矩校核。其型號暫表示為：DCY355-31.5&DCY400-31.5；DCY400-35.5。基于前半部分設備配置的主要選型已具備，其余計算及其校核內(nèi)容還比較多，篇幅關系，不再列出。

2.3.5 結論

綜合以上計算及校核，5#皮帶機擴能技改選型及其配置如下。

（2）主電機。Y2-315S-4/110 kW 或YX3-315S-4/110 kW。

（4）輸送帶。B1200 尼龍帆布芯1.5+6.0 NN100 型橡膠帶，層數(shù)：減速機DCY400-31.5 時，輸送帶為6 層；減速機DCY400-35.5 時，輸送帶為7 層。

（5）液力偶合器。根據(jù)其轉速及轉矩要求，選型為YOX510&YOX域510。

3 運行故障主要問題分析

帶式輸送機在礦山行業(yè)故障率居高不下，上述對其設計要求的闡述、要點計算并結合書記溝選礦廠5#皮帶機技改前的配置情況，總結起來，主要有以下幾方面原因。

3.1 設計不合理、配置功能不完善

（1）動力配置偏大但實用功能設置不全。

（2）自動糾偏、防打滑裝置結構陳舊、不完善，缺乏減負荷設施。

（3）未設置液力耦合器等動力分配裝置，造成設備運行中各受力部位負荷不均、受力沖擊偏大。

（4）未設置逆止器等制動裝置，造成負荷不均衡時的倒轉缺陷。

3.2 設備選材、加工制作不達標

（1）選材不合格，設備在運行受力過程中或受沖擊負荷的狀況下，機頭、機尾及機架變形或錯位，引發(fā)皮帶跑偏、損傷及劃裂等異常發(fā)生。

（2）設備制作后，傳動系統(tǒng)相對于主機架、各輸出輸入軸之間平行度及垂直度誤差偏大、不符合標準要求。

（3）托輥組件及其軸承不合格。

3.3 設備安裝不合格

（1）主機架存在側偏，與基礎面不平行，其誤差超標。

（2）傳動系統(tǒng)相對于主機架、傳動系統(tǒng)各軸之間平行度、垂直度誤差偏大，不達標。

（3）基礎固定不符合要求，缺乏調(diào)整措施。

3.4 多年失修，缺乏日常維護

（1）機架由于投入運行時間過長或基礎下沉等原因產(chǎn)生變形、偏斜、彎弓不平直等缺陷，引發(fā)皮帶跑偏、打滑、損傷、撕裂等異常現(xiàn)象。

（2）托輥缺失、懸空、磨裂、偏斜或其一端位移，與膠帶中心線不垂直，引起皮帶跑偏、損傷或撕裂。

（3）由于投入運行時間長，產(chǎn)生滾筒傾斜，其軸心線不與膠帶中心線垂直，或滾筒軸心線不與底板水平面（皮帶工作面）平行，引發(fā)皮帶跑偏。

（4）由于長期運轉，造成滾筒直徑誤差而未及時調(diào)整膠帶張力，在沖擊負荷的作用下，引發(fā)異常振動、錯位、機頭機尾變形等問題，造成皮帶跑偏、打滑或損傷。

（5）投入時間過長，缺乏維護，糾偏裝置、緊停保護裝置、制動裝置失靈而功能失效，起不到應有的保護作用。

3.5 超負荷運行

運輸量加大后處于超載運行狀態(tài)，而原配置中缺乏動力分配設施，由于動力滾筒轉矩加大，載荷超過其極限強度后引發(fā)主軸斷裂。還可能引發(fā)其他設備設施的損害和皮帶倒轉等異常出現(xiàn)。

3.6 給料不合理，給料源頭缺少異物排除設施

（1）落料不正確或落料高差不足，引起帶面磨損加劇、沖擊過大、料塊卡阻等現(xiàn)象，引發(fā)皮帶損傷或劃裂。

（2）落料偏于膠帶一側，負荷不均，引起皮帶跑偏。

（3）給料源頭缺乏異物排除設施，使得鏟尖、鐵塊等異物從給料口進入時，發(fā)生卡阻現(xiàn)象，造成皮帶機的劃傷或撕裂。

4 核心問題解決

從上述分析可知，帶式輸送機在運行過程中出現(xiàn)的各種故障，總結起來，由兩方面原因，即設備項目投入的前期技術管理問題和設備投入生產(chǎn)后的運行管理問題。治標先治本，因此，要想解決好設備運行故障問題，首先應從設備前期工作入手，做好設備投入前各環(huán)節(jié)相應的技術及管理工作。主要包括設計、制作及安裝等3 個方面。設計工作是項目總體工程的基礎環(huán)節(jié)，如設計不合理，往往造成設備的終身遺患，因此，設計環(huán)節(jié)是嚴謹而科學的過程，需層層審核，重點把關。

4.1 采用先進技術解決核心問題

業(yè)內(nèi)對帶式輸送機的設計，目前各大設計院所都是按照GB/T 10595—2009《帶式輸送機》標準設計，采用DT域型固定式帶式輸送機系列產(chǎn)品，加工制作、組合安裝完成。從行業(yè)發(fā)展最新成果來看，這種常規(guī)傳統(tǒng)的設計方法缺乏與設備自動化要求相配套的可控啟動傳輸裝置，其中機械調(diào)整裝置、CST 可控啟動傳輸及液體粘滯可控離合器等新型控制配置一直未得到業(yè)內(nèi)設計人士的充分應用，這就是帶式運輸機控制系統(tǒng)落后、過載或運行異常得不到合理的保護、驅動系統(tǒng)功率分配不均衡、耗能較高、設備設置缺乏自動監(jiān)測功能的主要根源。因此，要有效解決皮帶機設備的運行故障，必須從項目設計這個根本環(huán)節(jié)入手，使設備的控制、保護裝置配置齊全、功能完善，才可從基礎上解決問題。據(jù)國內(nèi)不完全調(diào)查統(tǒng)計，以前傳統(tǒng)設計方法中，有60%的用戶缺乏制動裝置、減負荷裝置及動力分配裝置。甚至有50%的用戶，運行設備中的自動糾偏裝置、防打滑裝置及緊急停車連鎖裝置失靈失效，起不到應有的調(diào)節(jié)保護作用。這個事實表明，除了設計缺陷外，選型落后及配置老化也是行業(yè)設計環(huán)節(jié)必須重視和解決的問題。

4.2 可控啟動機械調(diào)整機構配置及功能

可控啟動裝置應用于帶式輸送機領域，有多種方式，大致可分為兩大類：一類是用電機調(diào)速啟動；另一類是用鼠籠式電機配用機械調(diào)速裝置對負載實現(xiàn)可控啟動和減速停車。這里，重點分析闡述機械調(diào)整裝置的發(fā)展成果。

機械調(diào)整裝置有調(diào)速型液力耦合器、CST 可控啟動傳輸及液體粘滯可控離合器等3 種。其中，CST（controlled start trans原mission，可控啟動傳輸）是美國為帶式輸送機設計使用的一套可控啟動裝置的總稱。其主體是一個可控無極變速的減速器，原理是在一級行星傳動中，用控制內(nèi)齒圈轉速的辦法，調(diào)節(jié)行星架輸出的轉速，使負載得到所需要的啟動速度特征和減速特性，并能以任意非額度的低速運行。內(nèi)齒圈的轉動用多片式液體粘滯離合器控制。其中，多片式液體粘滯離合器是該套控制系統(tǒng)的核心部件，工作是依靠動、靜片之間的油膜剪切力傳遞力矩。離合器由環(huán)形液壓缸的壓力，改變動、靜片間的油膜厚度，就能控制它所傳遞的力矩。當輸出軸上的轉矩大于負載的靜阻力矩時，負載加速；轉矩平衡時，負載就穩(wěn)定運行。

在CST 總體系統(tǒng)中，與主體可控無極變速減速器配套的裝置有：控制離合器環(huán)形油缸的液壓伺服系統(tǒng)、給離合器和潤滑系統(tǒng)供油的液壓系統(tǒng)、油液冷卻系統(tǒng)、以及電控監(jiān)測系統(tǒng)。電控監(jiān)測系統(tǒng)由可編程控制器和監(jiān)測各種參數(shù)的傳感器組成。CST 可控啟動傳輸對帶式輸送機具有下列功能：電機無載啟動；輸送帶的加、減速度特性任意可調(diào)；輸送帶可低速運行；過載保護靈敏；有節(jié)能效果，多電機驅動時的功率分配均衡；控制系統(tǒng)的響應極快；冷卻系統(tǒng)可滿足頻繁啟動需要；有多種監(jiān)測、保護裝置，能連續(xù)對各種參數(shù)進行有效監(jiān)測和控制，可靠性高。

綜上所述，采用可控啟動機械調(diào)整裝置，完全可以解決過載或運行異常得不到合理的保護、驅動系統(tǒng)功率分配不均衡、耗能較高、設備設置缺乏自動監(jiān)測等核心功能問題，是帶式運輸機行業(yè)發(fā)展的新趨勢。

其次是抓好制作和安裝階段相關的跟進、檢驗、監(jiān)督及驗收等前期工作。只有把設備管理的前期基礎工作落實到位，才是避免、消除設備運行隱患和故障的必要條件。

4.3 輸送機運行維護及管理

設備投入運行后，需依照各廠礦的工作性質(zhì)和特點，嚴格做好設備運行管理工作；從技術層面講，設備運行一定周期后，各零部件及其機構由于負荷不均衡等因素，會產(chǎn)生形位偏差或磨損超標等癥狀，這就需要在日常點檢維修工作中，及時做好設備各零部件的調(diào)整、維護保養(yǎng)和易損件的更換，主要有以下方面。

（1）對于主滾筒、運輸托輥分別相對膠帶中心線的垂直度的調(diào)整和更正。

（2）對于主滾筒、運輸托輥軸心線分別相對于底板水平面的平行度的調(diào)整和更正。

（3）運行一定周期后，全面檢查機頭、機尾及機架是否發(fā)生變形或位移，有無下沉或側偏等現(xiàn)象，并給予對應的檢修。

（4）檢查動力傳動系統(tǒng)相對于主機架、傳動系統(tǒng)各軸之間的平行度、垂直度是否符合要求，其潤滑狀況要求良好達標。

（5）運行一定周期后，應及時校核調(diào)整皮帶機的張緊力。

（6）檢查滾筒、托輥等主要皮帶傳動零部件的運行狀況及磨損狀況，并給予檢修。

（7）檢查糾偏裝置、緊停保護裝置、制動裝置等設施的功能狀況并及時給予修復。

（8）給料方式正確，落料高差符合要求。這樣，只有日常維護和管理工作都做到位，才會有效排除上述設備的運行故障。結合前期工作的有效落實，基本兼?zhèn)淞嗽O備暢通運轉的充要條件，保障了設備正常生產(chǎn)。

5 改造效果

5#皮帶機技改后，生產(chǎn)輸送量從原來的180 萬噸/年提高到230 萬噸/年，對接了三期擴產(chǎn)規(guī)劃的要求；三期正常投產(chǎn)后，按目前產(chǎn)品市場價值預測，可提高生產(chǎn)效益約11 250 萬元/年。