主斜井帶式輸送機擴能改造實踐

楊福珍

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著我國能源結構的不斷轉變，科技創新、煤礦新技術、新工藝的發展與應用，煤炭在能源結構中起到壓艙石的作用日益突顯。為確保煤炭能源供應，煤礦資源整合項目增多，隨之而來的主斜井帶式輸送機擴能改造項目也逐漸增多。主斜井帶式輸送機作為礦井煤炭運輸提升系統中的咽喉環節和關鍵設備，其擴能改造后自身安全性及可靠性直接關系到煤礦的生產效率和經濟效益[1]。筆者以榆樹灣煤礦擴能改造為例，對主斜井帶式輸送機改造思路進行分析、探討，為類似改擴建礦井提供設計思路，并與各位設計同仁共勉。

1 主斜井帶式輸送機改造設計方案

1.1 主斜井帶式輸送機現狀

榆樹灣煤礦位于榆神礦區一期規劃區中部，原設計生產能力8.00 Mt/a，擬將煤礦生產能力提高至12.00 Mt/a。結合煤礦井下煤層實際賦存條件，考慮到井下煤炭運輸系統中無緩沖環節，因此必須對主斜井帶式輸送機進行擴能改造。主斜井帶式輸送機自2005年投入使用，至今已安全運行近15 a，其主要技術參數為：輸送量Q=3 500 t/h，帶寬B=1 600 mm，帶速V=4.5 m/s，輸送長度L=1 350 m，傾角δ=16°。隔爆變頻電動機：功率N=1 650 kW，4臺，電壓U=2 300 V；減速器：型號ML3PSF140，減速比i=31.091，4臺；阻燃型鋼絲繩芯輸送帶強度ST/S4500；逆止器：型號DSN1000，額定逆止力矩1 000 kN·m，1套；盤式制動器：型號KPZ-?2000/540，額定制動力矩540 kN·m，1臺；機頭布置雙傳動滾筒，功率配比2∶2，驅動系統采用中壓隔爆變頻電動機+減速器的驅動方式，4套驅動系統均布置在地面井口驅動機房內，驅動機房內部設置一臺20/5t電動雙梁橋式起重機負責驅動機房內設備的安裝及檢修任務。主斜井帶式輸送機整體布置如圖1所示。

圖1 主斜井帶式輸送機整體布置

1.2 改造原則

為確保榆樹灣煤礦擴能改造達到12.00 Mt/a的生產能力，主斜井提升能力由3 500 t/h至少要增加至4 500 t/h。但考慮到本礦井為生產礦井，總的改造原則是：充分利用現有設備及基礎，改造工程量小、投資省、改造工期短以及對煤礦生產影響降到最低[2]。確定了本次主斜井帶式輸送機擴能改造需遵循的基本原則，具體有6點：①煤礦生產能力達到12.00 Mt/a。由于井下煤炭運輸系統中無緩沖環節，故需提高主斜井帶式輸送機的峰值輸送量。②利用現有驅動單元?，F有的4套中壓2 300 V、單機功率1 650 kW的隔爆變頻驅動系統可以繼續使用，無需改變目前驅動系統及驅動單元[3]。③主斜井井筒斷面保持不變。利用現有主斜井帶式輸送機的支腿和中間架，為保證安全間隙，通過更改上、下托輥組槽角及固定方式來滿足設備外形尺寸和安全距離。④驅動機房內的主斜井帶式輸送機基礎及地腳螺栓盡量不改造。由于驅動機房內土建基礎受力很大、改造難度大，盡量可以通過提高帶速、增加帶寬來降低受力，盡量利用已有基礎及地腳螺栓[4]。⑤對煤礦生產影響降到最低。由于榆樹灣煤礦主產優質的商品煤，且煤炭產品有穩定的市場用戶，具有明顯的市場競爭力，故本次擴能改造應將煤礦生產的影響范圍降到最低。⑥驅動機房內部能利用的空間有限，設備基礎加固困難；已有的高壓配電室需要新建，低壓配電室基于現有布置進行改造。

1.3 改造方案

根據確定的改造原則，主斜井帶式輸送機峰值為3 500 t/h的輸送量，已不能滿足礦井擴能改造到12.00 Mt/a的需求，峰值輸送量至少要增加至4 500 t/h，原有的主斜井帶式輸送機已不能滿足輸送能力要求，經過設計核算，所需電機總功率需由現在的4×1 650 kW增加到5×1 650 kW。阻燃鋼絲繩芯輸送帶強度需由現在的ST/S4500更改為ST/S5000。故提出3個擴能改造方案，各方案主斜井帶式輸送機主要技術參數見表1。

表1 各方案主斜井帶式輸送機主要技術參數

1.4 技術經濟性分析

對主斜井帶式輸送機3個改造方案進行技術經濟性分析，各方案技術經濟對比見表2。

表2 各方案技術經濟對比

經過比較，方案Ⅱ施工工期最短，投資適中，提升能力較大，煤礦改造后生產能力更有保障，同時各驅動基礎受力均在結構允許范圍內，故榆樹灣煤礦主斜井帶式輸送機擴能改造確定采用方案Ⅱ。

1.5 改造實施內容

1.5.1 整機布置改造

根據確定的方案Ⅱ對本輸送機整機進行了局部改造，主要改造內容如下。改造后主斜井帶式輸送機整體布置如圖2所示。

圖2 改造后主斜井帶式輸送機整體布置

換輸送帶：本輸送機輸送量增大，且進行了增帶寬提帶速，因此需要將原有帶寬B=1 600 mm、阻燃型鋼絲繩芯輸送帶強度ST/S4500更換為帶寬B=1 800 mm、強度為ST/S5000。

更換傳動滾筒：帶速提高至5.0 m/s，減速比保持不變[5]，拆除已有第一、第二傳動滾筒。將第一、第二傳動滾筒由原來φ1 800 mm更換為φ2 000 mm、L=2 000 mm，且第一傳動滾筒處的增面滾筒由φ800 mm更換為φ1 250 mm。

更換驅動裝置底座：為使輸送機剖料點位置保持不變，傳動滾筒中心線需降低83 mm。第一、第二驅動裝置底座的底板位置保持不動，改造底座的頂板位置及其開孔，并降低肋板高度83 mm。新構造的底座頂板螺栓開孔與驅動裝置螺栓位置保持一致。

增加一套相同的驅動單元：在現有驅動機房內增加一套驅動單元及相關部件，形成功率配比2∶2∶1的驅動布置形式。新增驅動單元包括隔爆變頻電機、減速器、聯軸器、傳動滾筒(φ2 000 mm)、改向滾筒(φ1 400 mm)、機架等[6]。

更換托輥組：在保證井筒斷面尺寸不變的前提下，支腿及中間架均保持不變。上托輥組更換為深V四輥φ159 mm(間距為1.2 m)，最大槽角達到60°。既可以保證輸送帶變寬不影響井筒斷面寬度，也可以避免原煤運輸過程中的撒煤情況。下托輥組更換為15°V形下托輥φ159 mm，間距為3 m[7]。

更換逆止器：一般情況下，主斜井帶式輸送機逆止器安全系數不低于1.75。通過計算發現，已有逆止器安全系數為1.41，不能滿足安全使用要求。需拆除已有逆止器DSN 1000，新增2臺逆止器DSN 1300，一用一備。安裝在第一、第二傳動滾筒軸上，且需重新在驅動機房土建梁上構造逆止器支架基礎螺栓[8]。

更換制動器：拆除已有制動器KZP-φ2000/540，新增2套制動器KPZ-φ2000/6×YZ 200。分別安裝在2個φ1 400 mm的改向滾筒上，且改向滾筒所對應的傳動滾筒機架應設置制動器支座位置，用來固定和安裝制動器[9]。

更換驅動機房內電動雙梁橋式起重機：由于驅動機房內設備改造完成后最大不可拆件為傳動滾筒，其重量為20.965 t。為了便于設備的安裝和檢修，主斜井驅動機房內電動雙梁橋式起重機起重量由Q=20/5 t更換為Q=25/5 t。

改造尾部自控液壓張緊裝置及相關部件：現有張緊油缸可以滿足安全使用要求。需要改造張緊小車和更換張緊滾筒[10]。將張緊小車軸承座加寬200 mm，張緊小車軌距保持不變。

改造傳動滾筒機架：由于帶寬由1 600 mm變為1 800 mm，傳動滾筒長度由1 800 mm變為2 000 mm，則第一、第二傳動滾筒機架軸承座間距由2 450 mm變為2 650 mm。將現有機架的寬度由2 450 mm改造成2 650 mm，寬度增加200 mm，軸承座高度降低83 mm，再將現有機架底板拆除，構造新的機架底板形成異形梁，且新構造的機架底板螺栓開孔與已有驅動機房內基礎螺栓位置保持一致。

1.5.2 電氣設備及土建結構改造

由于新增一套驅動裝置，電氣設備需要增加一臺1 650 kW變頻器、一臺中壓柜及其它相關設備等；驅動機房內第一、第二驅動平臺所受合張力分別增加582.9 kN和206 kN，合張力增幅較大?？紤]到主提升專業提給土建資料時第一、第二驅動平臺所受合張力分別為2 300 kN和350 kN，因此第一驅動平臺所受合張力能夠滿足結構受力要求，第二驅動平臺所受合張力增加72.9 kN，合張力增幅較小。經過結構專業核算，原設計的結構梁柱能滿足改造后的抗拉和抗剪的要求。但由于方案Ⅱ需新增一套驅動裝置及相對應的結構基礎，因此需對第一、第二驅動平臺進行局部加固改造，包括結構梁增寬增高及增加立柱。

2 動態運行模擬分析

帶式輸送機的啟動過程是帶式輸送機設計的重要內容。輸送機各部件的受力狀況都是在啟動過程中達到最大，分析輸送機各部件的最大受力時，要對啟動過程進行動力學分析。利用Overland動態分析軟件對改造后的主斜井帶式輸送機主要部件進行校核、分析。

2.1 張力分析

改造后主斜井帶式輸送機在重載啟動過程中的各部件所受張力如圖3所示。

圖3 張力-時間曲線

從圖3中可以看出，頭部傳動滾筒處輸送帶所受張力最大為1 306.8 kN，尾部張緊處輸送機所受張力最小為55.3 kN。

2.2 速度分析

輸送機采用S形曲線啟動方式，啟動速度曲線如圖4所示。

圖4 速度-時間曲線

從圖4中可以看出，啟動過程速度主要分為4階段：第1階段是勻加速啟動，第2階段是恒速爬行階段，第3階段是正弦加速度啟動，第4階段是穩定運行階段。起動后帶速達到0.5 m/s穩定運行8 s后，再往上加速(52 s左右)至5.0 m/s。

2.3 功率分析

各電機所需軸功率如圖5所示。

圖5 功率-時間曲線

從圖5中可以看出，#1驅動裝置處的2臺電機軸功率為2 086 kW，則電機的安全系數最小能達到1.55。既能增加電機的安全性，也可以通過這種方式提高輸送機的提升能力。

2.4 不打滑分析

輸送帶在傳動滾筒繞入點的張力和繞出點的張力之比如圖6所示。

圖6 扭矩-時間曲線

從圖6中可以看出，傳動滾筒繞入點的張力和繞出點的張力之比的最大值均小于打滑條件。因此在啟動工況下，輸送帶和傳動滾筒之間滿足不打滑條件[11]。

2.5 滾筒合力分析

各滾筒所受合張力如圖7所示。

圖7 滾筒合力-時間曲線

從圖7中可以看出，第一傳動滾筒所受最大合張力為2 026.4 kN，小于靜態計算的2 165.9 kN。第二傳動滾筒所受最大合張力為1 091.2 kN，小于靜態計算的1 319.9 kN。因此傳動滾筒均能滿足啟動工況下的受力要求。

3 改造創新點

改造完成的主斜井帶式輸送機采用5套驅動系統，運用Overland動態分析軟件進行動態設計，優化關鍵部件設計選型及布置，解決了現場施工難度大和工期緊的難題，改造創新點主要體現在以下方面：①主斜井帶式輸送機設備改造時均利用已有地腳螺栓，無需重新改造基礎，重新構造非標機架和底座等，節約了制造時間和土建結構施工基礎的時間[12]。②通過壓縮關鍵工作、增加人員或平行工作等方式減少停產工期。③在已有驅動機房再布置一套驅動裝置，形成功率配比2∶2∶1的驅動布置方式，減小了輸送帶的強度，增加了電機安全系數，提高了煤礦的的主提升能力。④上托輥組由三托輥槽角35°，更換為深V四輥φ159，最大槽角達到60°，既預防了物料下滑的現象，又可以避免原煤運輸過程中的撒煤情況，保證了輸送機的安全運行。⑤運用Overland動態分析軟件對改造后的主斜井帶式輸送機進行動態模擬分析，模擬出實際運行工況。結果表明，各種工況下輸送機均能正常安全穩定運行。

4 結論

國內外帶式輸送機朝著大功率、大輸送量、高帶速方向發展。主斜井帶式輸送機的成功改造，既節省投資成本，又節約改造工期。不僅提高了整個煤礦的主提升能力，而且主斜井帶式輸送機的安全可靠運行得到了保障。為今后類似主斜井帶式輸送機的改造起到了借鑒作用。