煤礦井下大傾角帶式輸送機的設計研究

蘇登云

（霍州煤電集團晉北煤業有限公司， 山西 忻州 035100）

引言

在煤礦資源整合過程中，原煤運輸的傾角較大，有時甚至達到18°～30°，普通帶式輸送機無法正常工作，而大傾角帶式輸送機因其大傾角輸送、占地面積少、結構緊湊的特點，在此情況下得到了廣泛應用[1]。正常情況下粒度為0～300 mm 的原煤輸送傾角超過16°時，輸送帶上的物料會向下滑動，因而必須在設計過程中進行適當的參數選擇并采取有效的措施，以實現大傾角帶式輸送機的穩定、安全運行。

1 晉北煤業帶式輸送機概況

本文以霍州煤電集團晉北煤業有限公司礦井的主斜井鋼繩芯帶式輸送機為例，對大傾角帶式輸送機的設計進行探討。

晉北煤業有限公司礦井屬低瓦斯礦井，主斜井帶式輸送機承擔著該煤礦的原煤提升任務。設備安裝在主井井筒內，機頭及驅動設在井口房內，機尾設在井底。具體參數如下：原煤粒度0～300 mm，松散密度γ=0.9 t/m3，尾部至頭部水平機長Lh=163.6 m，提升高度H=76.288 m，傾斜角度α=25°，運輸能力Q=290 t/h，托輥直徑194 mm，受料點設置在尾部。

2 主要設計參數的選擇

對于輸送角度大于16°的大傾角帶式輸送機，其設計具有一定的特點和技術難度。因此，必須對帶速、模擬摩擦因素、輸送帶的安全系數、帶寬等主要參數進行合理的選擇[2]。

2.1 帶速v

對于大傾角帶式輸送機，其帶速v 的大小會影響到設備的輸送能力、驅動功率，會影響到托輥和輸送帶等部件的選用，更會影響到原煤大傾角自動化輸送的穩定性[3]。設備的落料段區域，原煤與輸送帶之間存在有一個相對的速度差，當輸送帶高速運行時的慣性力大于輸送帶提供的摩擦力時，原煤就會在輸送帶上存在一個相對速度，無法實現原煤與輸送帶的同步運行，進而無法實現原煤的安全穩定運輸。根據大峪主井帶式輸送機的運輸能力需求，經計算和多次試驗，初選的帶速v 為2.0 m/s。

2.2 模擬摩擦因數f

帶式輸送機模擬摩擦因數f 主要影響設備的驅動功率、膠帶強度等因素。大傾角帶式輸送機在設計時采用了深槽托輥組，根據設計經驗，在額定工況計算時，對于模擬摩擦因數一般取f≥0.035。由于晉北煤業主井帶式輸送機運輸傾角達到25°，在裝備設計時采用60°深槽角的槽形托輥組，考慮系統運行的穩定性和安全性，額定工況計算時模擬摩擦因數f擬取0.04。而在逆止工況計算時，基于系統安全性因素，模擬摩擦因數f 擬取0.015。

2.3 輸送帶的安全系數n0

大傾角帶式輸送機在原煤運輸過程中易發生斷帶事故，危害性較大，因此對于輸送帶的安全系統的選擇必須合理。根據設計經驗，大傾角帶式輸送機輸送帶一般取較大的安全系數，n0≥8 是一個較合理的數值。但是安全系數n0過大，必將選取更強的輸送帶，其厚度和橫向剛度更大，輸送帶的成槽性更差。針對晉北煤業主井帶式輸送機，經計算和多次試驗，輸送帶的安全系數n0確定為9，此時既保證了輸送帶有足夠的安全系數，又保證了輸送帶有一定的成槽性能。

2.4 帶寬B

輸送帶的寬度取決于物料的粒度、性質、運量和帶速。根據晉北煤業主井帶式輸送機的運輸能力需求，初選帶寬B=800 mm，采用60°深槽角的槽形托輥組，并對其運輸能力進行校核。根據下式[4]計算：

式中：S 為輸送帶上物料的最大橫截面積，m2；v 為帶速，m/s；k 為傾斜輸送機面積折減系數；γ 為物料松散密度，kg/m3。

深槽角四輥式托輥的橫截面積如下頁圖1 所示，其槽形面的面積S=S1+S2+S3計算。

圖1 深槽角四輥式托輥的橫截面積示意圖

對大峪主井帶式輸送機的運輸能力進行校核，取堆積角θ=20°，將各已知參數代入式（2）（3）（4），計算可得S=0.087 m2。由原始參數可知，原煤松散密度γ=0.9 t/m3=900 kg/m3；帶速v=2.0 m/s，a=25°時，可查詢得到傾斜帶式輸送機面積折減系數k 為0.72，代入S 值，計算Im=406 t/h＞290 t/h。

因此，當帶式輸送機帶寬B=800 mm，可滿足運輸能力需求。

3 主要安全技術措施

當帶式輸送機傾角太大時，原煤就會在重力作用下向下滑動，影響輸送機的安全、可靠、穩定運行，必須針對性地制定安全技術措施。

3.1 采用深槽角槽形托輥組

帶式輸送機上托輥組槽形角的度數一般為30°～35°，考慮到大傾角運輸工況，在大傾角帶式輸送機設計時必須采用深槽托輥組，其目的是為了增大槽型角的度數。槽型角的度數增大后，輸送帶對原煤的夾持力也會相應增大，進而增大原煤的內摩擦，解決原煤沿輸送帶滑落的問題。考慮到大峪主井帶式輸送機的傾角達到25°的工況，計劃采用60°的深槽角槽形托輥組，采用雙列4 輥式托輥組，內側2 組托輥傾角為25°，外側2 組托輥傾角為60°，可有效解決輸送帶與物料夾持力不足的問題。

3.2 配備可控軟啟動裝置

對于大傾角帶式輸送機來說，如果帶載啟動時加速度過大，會發生原煤下滑或停滯問題。因此，對于大傾角帶式輸送機來說，選擇優秀的軟啟動裝置對整機的正常穩定運轉至關重要。另外軟啟動裝置的應用還具有改善啟動性能、降低啟動電流、減小對系統的沖擊、降低輸送帶規格等作用[5]。

通過對當前國內外帶式輸送機常用的調速型液力耦合器、液黏型摩擦片式耦合器、CST、變頻軟啟動器四種軟啟動裝置的對比分析可知，調速型液力耦合器不僅具有優秀的軟啟動性能，而且具有價格相對便宜、維護方便、故障率低等優點，因此本次設計采用調速型液力耦合器作為軟啟動裝置。

3.3 安裝防逆轉裝置

在大傾角帶式輸送機重載啟、停車時，基于原煤重力分力的影響，運輸系統必然會發生逆轉趨勢[6]。針對這一情況，必須對大傾角帶式輸送機設置安全、可靠的逆止裝置。

經計算，晉北煤業主井帶式輸送機的逆止力矩約為12 kN·m，考慮到該帶式輸送機為主井輸送帶，關系重大，因此在減速器高速軸和滾筒軸上分別加裝逆止器，且每個逆止器都能承擔整機的逆止力矩。

4 結語

在進行大傾角帶式輸送機的設計時，選擇合適的參數十分重要，參數選擇是否合適直接影響到整機的計算結論，關系到整機是否可以正常運行、安全運行。同時在設計時必須采取必要的安全技術措施，以有效解決大傾角帶式輸送機可能的滑料、逆轉等現象。