大傾角下運帶式輸送機設計優化與應用

張抗余

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西 晉城 048000）

帶式輸送機因具有連續性及運輸效率高的優點，常被煤礦選為原煤、矸運輸的主要方式。受井田范圍、地質條件和減少斜巷工程量等影響，部分礦井存在大傾角斜巷情況，大傾角斜巷采用帶式輸送機運輸期間會存在帶速超速、皮帶打滑、煤（矸）下滑、滾矸等危險因素，嚴重威脅礦井安全生產[1-2]。因此，本文以南凹寺煤業皮帶暗斜井-30°下運帶式輸送機設計優化為例，研究大傾角巷道下運帶式輸送機防超速、下滑、滾矸技術具有現實意義。

1 大傾角下運帶式輸送機的選型設計

南凹寺煤業皮帶暗斜井的平均坡度為-30°，以運輸矸石為主，運距為780 m，運輸能力需達到420 t/h，矸石最大塊徑為350 mm，矸石堆積容重為1.8 t/m3。為解決南凹寺煤業大傾角下運帶式輸送機在運輸過程中存在的超速、滾矸等問題，對該巷道帶式輸送機選型及設計方案如下。

（1）帶式輸送機選型

根據帶式輸送機的運輸要求，帶式輸送機的皮帶帶寬不得小于最大矸石塊徑的兩倍，并留取一定富余系數[3-5]。該巷道運輸矸石最大塊徑為350 mm，經計算帶寬 B=2×αmax+200=900 mm，故帶寬選取為1 m。為防止大傾角運輸條件下矸石滾矸竄出皮帶，采用60°+25°的深槽托輥組作為上帶承載托輥，采用平行托輥作為皮帶下帶回程托輥。兩種托輥參數見表1，60°+25°深槽托輥組結構如圖 1。

表 1 托輥參數表

圖1 60°+25°深槽承載托輥組結構示意圖

根據60°+25°深槽托輥組參數結構，結合帶寬為1 m 的皮帶，圖1 中陰影部分為運輸矸石的截面，經計算有效運輸截面積為0.18 m2。為防止超速導致矸石下滑，需控制最高帶速不超過1.6 m/s，則帶式輸送機的折減系數k 按公式（1）計算如下：

式中：Q 為運輸能力，420 t/h；S 為運輸矸石的截面，0.18 m2；v 為帶式輸送機的帶速，1.6 m/s；ρ 為矸石容重，1800 kg/m3。

根據式（1）計算結果，設計選擇ST800 型強力帶式輸送機，該機型號及參數見表2。

表 2 膠帶輸送機型號及參數

根據ST800 帶式輸送機運輸能力，則ST800帶式輸送機在折減系數換算后的有效運輸能力計算如下：

通過式（2）得出ST800 帶式輸送機在折減系數換算后的有效運輸能力為616 t/h，大于420 t/h，所選的ST800 帶式輸送機滿足該巷運輸要求。

（2）帶式輸送機其他優化設計

主要優化設計有以下三個方面：一是為防止矸石下滑，可采用皮帶表面帶斜紋槽皮帶，可增大矸石與皮帶的靜摩擦力。二是因運輸方式為下運，所需電機功率較小，可采用上部單機傳動方式，下部僅安裝卸載滾筒，在巷道中部或上部采用張緊絞車拉緊回程皮帶。三是為避免矸石竄出皮帶進入回程皮帶造成帶式輸送機受損影響設備壽命，需在卸載滾筒處安裝毛刷清掃器（一級清理）和震動清掃機（二級清理），并在卸載滾筒后方及主動滾筒前方安裝回程皮帶濾煤器。大傾角下運帶式輸送機具體結構布置如圖2。

圖2 大傾角下運帶式輸送機結構布置示意圖

2 帶式輸送機電控系統與驅動系統設計

（1）帶式輸送機電控系統帶速控制設計

PLC 控制系統是帶式輸送機核心控制系統，是主電動機開關、制動器開關、帶速傳感器、油壓傳感器、電流傳感器和綜保控制箱的集中電控系統。電控系統主要構成部件及控制方式如圖3。其中，由主電動機的功率及轉速控制帶式輸送機的運行速度，在設定該巷帶式輸送機最高運行速度1.6 m/s 后，PLC 控制系統能夠將主電動機轉速和皮帶帶速兩個參數轉換為模擬電信號，傳輸到控制盤式制動器，并控制盤式控制器油壓，正常情況在0.7～1 MPa。綜合保護裝置能夠對帶式輸送機的運行狀況進行實時監測，當帶式輸送機出現超速、打滑、斷帶及膠帶撕裂等故障時能夠及時停機保護。

圖 3 電控系統主要構成部件示意圖

（2）帶式輸送機驅動系統選型設計

ST800 帶式輸送機在-30°大傾角、滿載運輸情況下，膠帶與滾筒間摩擦因子值為0.015，滾筒附加阻力系數值為1.6，滾筒圓周驅動力FU值為55 085.7 N，則主電動機功率（PM表示）及傳動滾筒輸出功率（PA表示）可依據式（2）和式（3）進行計算：

式中：FU為滾筒圓周驅動力，N；v 為輸送機帶速，取1.6 m/s ；kd為電動機功率系數，取值 1.3；η為傳動效率，取值 0.97；ξ為電壓降系數，取值 0.95；ξd為滾筒間不平衡系數，取值0.9。

通過式（3）、式（4）計算可得：主電動機所需功率不得小于129.9 kW，傳動滾筒輸出功率不得小于88.1 kW。根據上述計算結果，選用YBBP-315M-4 型變頻強力帶式輸送機用電動機，配合DTII04A5164S 型傳動滾筒，YBBP-315M-4 型變頻電動機功率為140 kW，DTII04A5164S 型傳動滾筒輸出功率為115 kW。為防止下運期間皮帶打滑跑帶，保證制動安全，還需根據制動需要計算并選擇合適的盤式制動器。制動力矩計算依據公式（5）計算：

通過式（5）計算，制動力矩不得小于32.5 kN·m，設計采用制動力矩為42 kN·m 的盤式制動器。

3 帶式輸送機啟動、制動控制系統設計

大傾角下運帶式輸送機運行過程中，帶式輸送機的啟動和制動可分為發電工況與電動工況[3]。發電工況下帶式輸送機啟動時負荷較大，緩慢松開制動閘后，下運皮帶因受電動機的啟動張力增大，輸送帶開始運轉即進入加速運行，故對啟動控制系統的設計借助于皮帶運行速度傳感器對帶速進行測定并換算電動機的轉速。當電動機的轉速達到1500 r/min 時，投入主電動機，防止出現機械沖擊導致皮帶撕裂或斷帶情況發生，故需設計同步轉速低于電動機轉速，先根據傳動比降低閥電流值及油壓，以降低輸送機帶速，在制動控制下速度降低至0.3 m/s 以下時，即可實現可控停機。

4 超速及防滑系統設計

超速保護系統：因采用下運方式，且坡度較大，易導致運輸期間速度超過要求，引發滾矸事故，故設計超速保護系統，當速度傳感器檢測到速度超過設定值，會自動降低閥電流值及油壓以降低或停止電動機加載，直至轉速降低至正常值以下后，再逐步增加閥電流值和油壓以提高功率，直至正常速度運行。同時，發生超速情況時，系統會自動停止上級設備，防止繼續向帶式輸送機送矸導致負載過大問題。

打滑保護系統：大傾角下運工況下，承載托輥與皮帶靜摩擦力相對較低，可能發生托輥轉速低于皮帶帶速的打滑現象，稱為I 類打滑。該打滑現象是大傾角下運皮帶打滑的主要表現形式，嚴重情況下出現帶速不可控，可能發生嚴重跑帶事故。針對I 類打滑，需分析具體原因，主要原因有以下兩個方面：一是皮帶張緊不足，二是負載過大加上帶速過高導致。采取的措施：一是速度傳感器檢測到帶速超過規定時，立即停止帶式輸送機主電動機，并啟動盤式制動器制動直至停機；二是隨時檢查皮帶張緊裝置及皮帶張拉力，發現張緊不足時，需及時重啟張緊絞車重新張緊皮帶，確保皮帶張力，增大皮帶與滾筒及托輥間的靜摩擦力。若發生皮帶異常卡死導致傳動滾筒打滑，則可能導致因長時間滾筒打滑造成滾筒與皮帶間摩擦著火事故，該類打滑稱為II 類打滑。發生該類打滑的主要原因是異物卡死皮帶，采取的主要措施是發現傳動滾筒轉動而皮帶不轉時，應立即停機排查處理。

5 應用效果

南凹寺煤業皮帶暗斜井-30°大傾角下運帶式輸送機通過設計優化及應用，解決了皮帶超速、打滑、滾矸等主要大傾角帶式輸送機存在的常見問題。自2020 年3 月進行各項設計及優化改造以來，沒有發生過皮帶打滑、超速現象，滾矸情況發生率也大大降低，驗證了優化設計的可行性。同時，因優化設計后故障率降低，運輸效率提高15%以上，節能效果明顯，且保證了該巷安全運輸。

6 結論

針對大傾角下運帶式輸送機運輸期間容易發生的超速、皮帶打滑、滾矸等問題，可通過設備選型優化、皮帶帶型優化、電控及驅動系統的設計優化及超速、防滑設計給予解決。通過對南凹寺煤業皮帶暗斜井大傾角下運帶式輸送機進行優化設計及應用后，效果顯著，不僅解決了超速、皮帶打滑、滾矸等問題，還有效提升了運輸效率，實現了安全、高效運輸。