大海則礦井長距離帶式輸送機設計探討

陳哲

（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054）

1 項目背景

大海則礦井設計生產能力15.0Mt/a，工業場地采用礦井、選煤廠場地分設，選煤廠工業場地布置在礦井場地東部約3km處。根據工藝布置，主立井原煤需運輸至3km外的選煤廠工業球形倉內進行存儲后洗選，由于選擇帶式輸送機進行原煤運輸的適應能力較強，可適應16°坡度，特殊情況可滿足30°上運工況，輸送線路可適應地形，在高度和水平面上均可設置轉彎，從而可避開村莊、工廠等現有建筑，并可方便穿越鐵路、公路、高壓線、河流、山脈等自然障礙，輸送線路十分靈活。而且其長度可根據需要延長或者采用中部卸載，因此，確定選擇帶式輸送機作為主立井井口房至球形原煤倉的原煤運輸方式。

2 選型原則及線路確定

2.1 帶式輸送機選型原則

（1）盡量“一條”的布置原則，條件適宜時可采用空間轉彎帶式輸送機技術；

（2）盡量“短”的運輸原則，條件適宜時可采用大傾角帶式輸送機技術；

（3）帶強盡量低、輸送帶安全系數盡量小的設計選型原則；

（4）選用經濟帶速；

（5）驅動單元盡量集中設置，盡可能避免中部轉載式驅動布置方案；

（6）滾筒數量盡量少，輸送帶纏繞線路要簡練；

（7）設計方案要立足生產需求，堅持投資省、生產維護方便、運營費用低的原則。

結合本帶式輸送機實際特點，頭尾水平運輸距離約3073m，機尾受料點絕對標高為+1277.300m，機頭球形倉上卸料點絕對標高為+1330.950m，提升高度約54m，確定鋪設一部帶式輸送機完成原煤運輸任務，考慮到降低輸送帶強度等因素，將帶式輸送機驅動系統、輸送帶張緊系統布置在靠近機頭位置。

2.2 帶式輸送機線路確定

大海則主立井井口房至球形原煤倉帶式輸送機沿線3073m條帶位于毛烏素沙漠腹地，棧橋沿線不存在地面河流洪水威脅。但本區地下水位較高，沙漠地面雨水下滲速度快，凍結深度大，凍脹現象嚴重，這些是影響帶式輸送機線路確定的最主要因素。

主立井井口房至球形原煤倉帶式輸送機棧橋沿線需穿過三條公路和一條鐵路，針對該地形特點，線路布置提出以下方案：穿過公路和鐵路時采用上跨形式。三條公路中其中一條是材料進場路，另兩條是鄉村道路，材料進場路接通榆補路，設計為二級公路，鄉村道路為三級公路，根據《公路路線設計規范》(JTG D208-2017)中規定：高速公路、一級公路、二級公路的凈高度應為5.00m；三級公路、四級公路的凈高度應為4.50m。設計確定帶式輸送機棧橋上跨材料進場路時預留凈高度5.00m，上跨鄉村道路時預留凈高度4.50m。需穿過的鐵路線為大海則選煤廠工業場地環形裝車線，根據《標準軌距鐵路建筑限定》(GB146.2-1983)中相關規定綜合確定，帶式輸送機棧橋上跨鐵路時預留凈高度8.00m?？紤]到棧橋底板下部需預留管道安裝及后期檢修維護空間，結合造價投資確定沿線棧橋底板距離自然地形高差為2m。該方案優點是不受地下水位影響，且上球形倉時角度較小，該方案缺點是驅動布置在空中，驅動機房基礎受力較大?？紤]到地下水位及上倉角度等問題，設計確定采用方案一，即穿過公路和鐵路時采用上跨形式作為線路布置方案。

3 選型計算

3.1 輸送量的確定

根據礦井工藝布置，主立井來煤為2對50t箕斗交替提升至地面緩沖倉，經緩沖倉緩沖后由給煤機給入帶式輸送機，帶式輸送機輸送量計算公式為：

式中，K為富裕系數，取1.15；M為箕斗名義載重，取50t；T為箕斗一次循環時間，取114.4s。

經計算主立井至球形原煤倉帶式輸送機運量為Q=3618t/h，取整為3700t/h。

3.加強規模場規范管理。禁止不按技術標準和健康養殖制度從事生豬生產，確保生豬產品質量安全;嚴禁弄虛作假或伙同相關單位出具生豬出欄證明套取補助資金，對利用養殖場建設或出具虛假證明套取項目資金的按項目資金管理辦法嚴肅查處，以促進生豬產業持續、穩定、健康發展。

3.2 帶寬帶速的確定

根據輸送量同時兼顧輸送帶強度等因素確定合理的帶寬和帶速，設計確定帶寬取B=1600mm，帶速取V=4.5m/s。

3.3 帶式輸送機計算

現行的計算體系是依據我國現行的國家標準《帶式輸送機工程設計規范》（GB 50431-2008），將輸送帶按照剛體來計算的，帶式輸送機加減速過程中輸送帶動張力計算結果不準確，只能采用加大輸送帶安全系數的辦法解決。長運距大型帶式輸送機各種計算參數的選取不同于普通帶式輸送機，較小的計算誤差會帶來較大的絕對誤差，采用傳統的純理論靜態設計方法已經不能滿足實際要求。輸送帶本身具有黏彈性力學特性，在計算輸送帶啟動、制動時，輸送帶各點的實際張力與靜態設計方法計算結果大為不同，因此，設計時要考慮輸送帶的黏彈性動力學特性。本次設計計算分為兩個部分，先利用我國現行的國家標準進行選型計算，再利用動態分析軟件對帶式輸送機重點環節（啟動、制動、張力變化）進行二次校驗。

（1）利用我國現行國家標準計算。圓周驅動力FU計算公式：

FU=CfLg[qRO+qRU+(2qB+qG)cosδ]+FS1+FS2+qGHg

式中，C為附加阻力系數，取1.04；f為模擬摩擦系數，取=0.024；L為輸送機長度，L=3075m；qRO為承載分支托輥每米長旋轉部分質量，qRO=32.1kg/m；qRU為回程分支托輥每米長旋轉部分質量，qRU=11.96kg/m；qB為每米長輸送帶的質量(阻燃帶ST/S2800)，qB=73.6kg/m；qG為每米長輸送物料質量(qG=Q/3.6V)，qG=228.4kg/m；FS1為主要特種阻力，FS1=23523N；FS2為附加特種阻力，FS2=3024N；H為物料提升高度，H=55m；δ為輸送機傾角，δ≈10°；經計算圓周驅動力：FU=465751N；經計算軸功率：PA＝2096kW。

取電機備用系數K=1.4，計算電機功率N=K·PA=2935kW，選擇電機功率2×1600kW，采用頭部靠近卸載滾筒位置雙傳動滾筒雙電機的驅動布置方式，功率配比1:1。

對于長距離、大輸送量帶式輸送機的驅動，其啟動過程是一非穩定工況，其啟動特性對輸送機的性能和工況影響很大。主立井至球形原煤倉帶式輸送機是礦井主運輸系統的關鍵環節。由于其負荷大、慣性大，直接啟動將產生很大的動張力，從而影響帶式輸送機的運行工況及設備安全，并對電網造成很大沖擊。采用頭部多機驅動系統，驅動系統相對集中，有利于設備安裝、檢修和集中控制。根據本帶式輸送機的實際情況，確定其驅動型式采用靠近頭部雙滾筒雙電機的驅動布置型式，結合目前驅動方式使用情況、發展趨勢及本帶式輸送機情況，選擇6kV/10kV變頻器配套隔爆電動機+減速器驅動。該驅動方式技術含量高，啟動性能好。特別是在綜采工作面不生產而掘進工作面生產時或礦井初期，以較低帶速運行有很好的節能效果。采用逐點張力法+歐拉公式+下垂度條件進行逐點張力計算，經計算，帶式輸送機最大張力點Fmax =609530N。

（2）利用動態分析軟件對帶式輸送機進行二次校驗。帶式輸送機啟動、制動過程的合理設計是帶式輸送機設計的重要內容。輸送機各元件的受力狀況都是在啟動、制動過程中達到最大，所以分析輸送機各元件的最大受力時，要對起制動過程進行動力學分析。

本次設計采用國際領先的靜態設計軟件（Belt Analyst TM）及動態設計軟件（Dynamic Analyst TM）對帶式輸送機進行系統設計計算和運行分析。該軟件是由美國Overland Conveyor Co.（OCC）公司開發的軟件，包含帶式輸送機靜態設計、動態設計、水平轉彎分析、托輥分析、啟動制動分析、滾筒表面分析等功能。本文主要針對啟動工況及制動工況進行著重分析。對于制動控制，驅動停止，張緊部盤型閘制動器和制動器立即開始工作，張緊部盤型閘增加25kN的作用力于張緊部，緩解停車過程中輸送帶慣性力對重錘的提升作用，避免滑輪架快速沖頂。制動器提供152kN·m的制動力矩。當帶式輸送機滿載3700t/h時，停止時間大約22s；空載停止時間約18s，圖1繪出滿載輸送機停止速度變化曲線。

圖1 制動速度變化曲線

啟動輸送機十分重要，需通過控制方式在啟動時間內加速到4.5m/s。驅動裝置采用變頻器閉環矢量控制方式。輸送機采用S形曲線啟動方式，啟動速度曲線如圖2所示。

圖2 啟動速度變化曲線

4 驅動機房布置

主立井井口房至球形原煤倉帶式輸送機采用頭部靠近卸載滾筒位置雙傳動滾筒雙電機的驅動布置方式，功率配比1:1，因此，驅動機房內的布置成為設計的重點之一，而驅動機房內的布置核心是驅動裝置和張緊裝置。驅動裝置是帶式輸送機的關鍵部件，對整機的技術性能至關重要，對礦井的正常生產具有決定性作用。因此，設計中必須合理布置帶式輸送機的驅動裝置和張緊裝置，以確保帶式輸送機安全、平穩、可靠地運行。

針對本驅動機房布置，提出以下方案：將驅動機房布置在選煤廠工業場地內，距離球形原煤倉水平距離約140m，由于鐵路環線環繞在選煤廠工業場地外，該布置方式驅動裝置需布置在距離地面約27m高空處，驅動機房與張緊間可聯合布置，該方案優點為將驅動機房整體布置在選煤廠工業場地內，方便安裝及以后設備維護，與張緊間聯合布置布局緊湊，該方案缺點是驅動機房整體高度約為37m，驅動機房受力較大，驅動裝置及滾筒檢修更換較困難。綜合以上優缺點分析，距離球形原煤倉水平距離約140m，距離地面約27m高空處，驅動機房與張緊間聯合布置，驅動機房長×寬=21m×15m，驅動機房總高度為37m，驅動裝置層布置在27m高度層位。

5 帶式輸送機檢修

帶式輸送機檢修分為機頭卸載處檢修、驅動裝置檢修、沿線托輥檢修三部分。

（1）機頭卸載處檢修。主立井至球形原煤倉帶式輸送機機頭卸載滾筒在球形原煤倉上，球倉直徑78m，配倉層高54m，設計中須考慮卸載滾筒及滾筒架后期檢修問題，以確保帶式輸送機安全、平穩、可靠地運行。

（2）驅動裝置檢修。在驅動機房內布置一臺15t電動單梁橋式起重機對驅動機房內驅動設備及滾筒進行檢修和更換，驅動機房內留有3500mm×4500mm吊裝孔。

（3）沿線托輥檢修。在帶式輸送機沿線3km棧橋南側鋪設4m寬檢修便道，沿線托輥搬運工作可依托小型檢修車輛完成。

6 結語

聯通礦井工業場地及選煤廠工業場地之間的主立井至球形原煤倉長距離帶式輸送機屬于大海則礦井地面生產系統中的重要環節，其線路選擇及工藝布置得合適與否，直接關系到礦井投產后的生產效率、生產穩定性及經濟效益。本文結合現場實際條件，通過多方案對比確定了帶式輸送機工藝布置方案，供廣大設計同仁參考。