大型帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)能力校核計(jì)算*

張建軍，許 寧，趙 炎

(神華黃驊港務(wù)公司，河北滄洲 061113)

0 引言

帶式輸送機(jī)是散裝物料的主要運(yùn)輸工具之一，在能源領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。其具有高速化、自動(dòng)化、連續(xù)性作業(yè)的特點(diǎn)，自1975年被發(fā)明以來(lái)，被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、煤炭、港口、糧食等領(lǐng)域［1－2］。目前，帶式輸送機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是長(zhǎng)運(yùn)距、大帶寬、大運(yùn)載能力、大傾角。僅就神華黃驊港務(wù)公司而言，由于其三、四期工程使用了筒倉(cāng)儲(chǔ)煤工藝，建有儲(chǔ)煤能力達(dá)3萬(wàn)t的筒倉(cāng)48座，相比傳統(tǒng)堆場(chǎng)型儲(chǔ)煤工藝而言，大大節(jié)約了堆場(chǎng)的占地面積，取消了堆料機(jī)、取料機(jī)的中間環(huán)節(jié)，很大程度上提高了煤碼頭自動(dòng)化作業(yè)程度，有效提高了裝船作業(yè)效率。伴隨著筒倉(cāng)儲(chǔ)煤工藝，相應(yīng)的帶式輸送機(jī)的運(yùn)距、運(yùn)載能力、爬坡角度都要有所提高，該公司所使用的皮帶機(jī)最長(zhǎng)運(yùn)距達(dá)到1 700 m，帶寬最大為2 400 mm，最大作業(yè)能力達(dá)到9 200 t/h。

隨著帶式輸送機(jī)向大型化方向發(fā)展，皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力就顯得尤為關(guān)鍵，如果驅(qū)動(dòng)能力不能滿(mǎn)足要求，輸送機(jī)的動(dòng)力來(lái)源就得不到保障，將直接影響其作業(yè)能力。因此，帶式輸送機(jī)安裝完成后進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)，業(yè)主和監(jiān)理方不僅需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考核其性能，還應(yīng)該從理論角度，根據(jù)設(shè)備安裝的實(shí)際情況與所要達(dá)到的性能參數(shù)，計(jì)算出所需的驅(qū)動(dòng)功率，進(jìn)而與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝的電機(jī)總功率比較，以此來(lái)判斷帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)能力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1 公式推導(dǎo)

1.1 圓周驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

圓周驅(qū)動(dòng)力是驅(qū)動(dòng)滾筒的牽引力，等于皮帶機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的各種阻力之和［3］。圓周驅(qū)動(dòng)力如下:

式中:FH為主要阻力，N;FSt為傾斜阻力，N;FS1為特種主要阻力，N;FS2為特種附加阻力，N;C為阻力系數(shù)，與皮帶機(jī)長(zhǎng)度L有關(guān)。

1.1.1 主要阻力FH

輸送機(jī)的主要阻力是物料及皮帶運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的阻力與托輥旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的阻力之和［4］，即:

式中:f為模擬摩擦系數(shù);L為輸送機(jī)長(zhǎng)度，m;g為重力加速度;qRO為承載托輥組每米長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，kg/m;qRU為回程托輥每米長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，kg/m;qG為每米長(zhǎng)度輸送物料質(zhì)量，kg/m;qB為每米長(zhǎng)度輸送帶質(zhì)量，kg/m;δ為輸送機(jī)傾角。

1.1.2 主要特種阻力FS1

主要特種阻力由托輥前傾的摩擦阻力Fε和被輸送物料和導(dǎo)料槽擋板之間的摩擦阻力Fgl兩部分構(gòu)成，計(jì)算方法如下:

式中:Fε可按如下方式計(jì)算:

①三個(gè)等長(zhǎng)輥?zhàn)拥那皟A上托輥:

②二輥式的前傾下托輥:

式中:Cε為槽型系數(shù)，30°時(shí)為0.4，35°時(shí)為0.43，45°時(shí)為0.5;μ0為托輥和輸送帶間的摩擦系數(shù)，一般取0.3～0.4;ε為托輥前傾角度;λ為回程托輥仰角;Lε為裝有前傾托輥的輸送機(jī)長(zhǎng)度，m。

另外，F(xiàn)gl計(jì)算如式(6):

式中:S為最大物料截面積，m2;l為導(dǎo)料槽擋板長(zhǎng)度，m;b1為導(dǎo)料槽裙板間寬度，m;μ1為物料與導(dǎo)料擋板間的摩擦系數(shù)，一般取0.5～0.7。

1.1.3 附加特種阻力FS2

針對(duì)煤炭輸送帶而言，附加特種阻力主要是指清掃器與輸送帶之間摩擦而產(chǎn)生的阻力，因此FS2計(jì)算如式(7):

式中:n為清掃器個(gè)數(shù)，包括頭部清掃器和回程清掃器;A為清掃器與輸送帶接觸面積，m2;P為清掃器于輸送帶之間的壓力，N/m2，一般取3×104～10×104N/ m2;μ2為清掃器和輸送帶之間摩擦系數(shù)，一般取0.5～0.7。

1.1.4 傾斜阻力FSt

傾斜阻力是針對(duì)提升輸送帶而言的，是由于物料自重產(chǎn)生的，計(jì)算如式(8):

式中:H為輸送機(jī)受料點(diǎn)與卸料點(diǎn)間的高度差，m，輸送機(jī)向上提升時(shí)，H取正值。

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算

傳動(dòng)滾筒軸功率PA計(jì)算方法如式(9):

由于傳動(dòng)裝置存在功率損耗，因此電機(jī)的實(shí)際功率要比傳動(dòng)滾筒軸功率大。電動(dòng)機(jī)輸出功率要經(jīng)過(guò)高速聯(lián)軸器、液力偶合器、減速機(jī)、低速聯(lián)軸器等傳動(dòng)部件傳遞到驅(qū)動(dòng)滾筒上，對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸送機(jī)來(lái)說(shuō)，還需考慮電機(jī)啟動(dòng)不平衡性帶來(lái)的影響。電機(jī)功率計(jì)算如式(10):

式中:η為傳動(dòng)效率;η'為壓降系數(shù);η″為多電機(jī)驅(qū)動(dòng)不平衡系數(shù)。

1.3 驅(qū)動(dòng)能力驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算得出的理論電機(jī)功率值PM，與現(xiàn)場(chǎng)安裝電機(jī)的總功率P進(jìn)行比較，當(dāng)P≥PM時(shí)，說(shuō)明皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。反之，則不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，需施工單位加以整改。

2 實(shí)例計(jì)算

以神華黃驊港務(wù)公司BH11－1皮帶機(jī)為例，對(duì)輸送帶的驅(qū)動(dòng)能力計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。神華黃驊港務(wù)公司經(jīng)過(guò)四期工程建設(shè)，已發(fā)展成為年下水能力達(dá)到2億t的大型專(zhuān)業(yè)化煤炭運(yùn)輸碼頭。煤炭經(jīng)鐵路運(yùn)送到黃驊港，利用翻車(chē)機(jī)卸載直到裝船出海過(guò)程中全部需要借助帶式輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，目前全港已建成皮帶機(jī)102條，正在建設(shè)的皮帶機(jī)21條。其中，BH11－1皮帶機(jī)是為儲(chǔ)煤筒倉(cāng)輸煤的4條干線(xiàn)之一，全長(zhǎng)為1 214 m，爬坡角度為12°，帶寬為2 200 mm，爬坡高度為53.7 m，額定帶速為5 m/s，額定作業(yè)能力為8 000 t/h，最大作業(yè)能力為9 200 t/h。該皮帶機(jī)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 BH11－1皮帶機(jī)簡(jiǎn)圖

2.1 圓周驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

2.1.1 主要阻力FH計(jì)算

該皮帶機(jī)的主要阻力需分兩段計(jì)算，分別為平直段922 m與爬坡段292 m。先確定模擬摩擦系數(shù)f，取值如表1所列。

表1 模擬摩擦系數(shù)f

根據(jù)式(2)需確定如下參數(shù)，考慮到BH11－1的使用環(huán)境，選取f=0.025;經(jīng)查設(shè)計(jì)圖紙，可計(jì)算出承載托輥每米旋轉(zhuǎn)質(zhì)量qRO=113.02 kg/m;回程托輥每米旋轉(zhuǎn)質(zhì)量qRU=29.70 kg/m;每米皮帶質(zhì)量qB=72.60 kg/m;根據(jù)皮帶機(jī)帶速與最大作業(yè)能力可計(jì)算出最大負(fù)載時(shí)每米皮帶上物料質(zhì)量qG=511.11 kg/m。由此可得:FH=236 629.47 N。

2.1.2 主要特種阻力FS1計(jì)算

針對(duì)BH11－1皮帶機(jī)而言，主要特征阻力由三部分構(gòu)成，分別是前傾承載前傾槽型托輥摩擦阻力Fε1、回程前傾平托輥摩擦阻力 Fε2及導(dǎo)料槽摩擦阻力Fgl。

計(jì)算承載摩擦阻力Fε1時(shí)，根據(jù)式(4)需確定如下參數(shù):該皮帶機(jī)選用40°槽型托輥，因此Cε=0.47;摩擦系數(shù)μ0=0.32;承載面安裝有前傾托輥長(zhǎng)度分別為平直段Lε1=805 m，爬坡段Lε2=280 m;查圖紙可得托輥前傾角度ε1=1.68°;由此可得承載面前傾托輥?zhàn)枇?

同樣，計(jì)算回程摩擦阻力Fε2時(shí)，根據(jù)式(5)需要確定參數(shù):回程皮帶安裝有前傾托輥長(zhǎng)度分別為平直段Lε2=782 m，爬坡段Lε2=256 m;查圖紙可得λ= 5°;ε2=1.04°;由此可得回程皮帶前傾托輥?zhàn)枇?

該皮帶機(jī)共有兩段導(dǎo)料槽，計(jì)算摩擦阻力Fgl時(shí)，根據(jù)式(6)需確定如下參數(shù):選取μ1=0.55;經(jīng)查圖紙可得最大物料截面積S=0.56 m2;導(dǎo)料槽總長(zhǎng)l =45.6 m;物料密度ρ=0.9×103 kg/m3;導(dǎo)料槽裙板內(nèi)寬b1=1.33 m;由此可得導(dǎo)料槽摩擦阻力為:

綜上，由式(3)可得主要特種阻力為:

2.1.3 附加特種阻力FS2

針對(duì)該皮帶機(jī)而言，附加特種阻力即清掃器與輸送帶之間的摩擦力。BH11－1皮帶機(jī)共安裝中段3個(gè)“V”型清掃器，頭部清掃器2個(gè)。根據(jù)式(7)，需確定如下參數(shù):選取摩擦系數(shù)μ2=0.5;清掃器與輸送帶之間的接觸面積分別為A頭=0.022 m2、A中=0.033 m2;清掃器與輸送帶之間的壓力P=4×104N/m2;由此可得附加特種阻力為:

2.1.4 傾斜阻力FSt

BH11－1皮帶機(jī)爬坡高度達(dá)到53.7 m，由此產(chǎn)生的傾斜阻力在總阻力中占有很大比重。根據(jù)式(8)可得:

綜上，由式(1)可知滾筒的圓周驅(qū)動(dòng)力等于輸送帶運(yùn)行時(shí)所有阻力之和，(根據(jù)輸送帶長(zhǎng)度，選取系數(shù)C=1.07)即:

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算

由式(9)可知，傳動(dòng)滾筒功率為:

BH11－1皮帶機(jī)采用的是5臺(tái)電機(jī)變頻啟動(dòng)的方式，電機(jī)輸出功率依次通過(guò)梅花聯(lián)軸器、二級(jí)減速器、彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器，最后傳遞給驅(qū)動(dòng)滾筒。根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置形式，選取傳遞效率η=0.92;壓降系數(shù)η'= 0.95;多電機(jī)驅(qū)動(dòng)不平衡系數(shù)η″=0.93。由此可得所需電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為:PM=3 664.46 kW。

2.3 驅(qū)動(dòng)能力校核

該皮帶機(jī)利用5臺(tái)功率為750 kW的電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，可得出皮帶機(jī)實(shí)際驅(qū)動(dòng)總功率P=3 750 kW。由于P＞PM，因此可以驗(yàn)證該條皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

詳細(xì)介紹了一種帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)能力校核的方法，根據(jù)帶式輸送機(jī)的安裝條件和性能要求，可計(jì)算出所需的驅(qū)動(dòng)功率，與現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總功率相比，來(lái)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)能力是否滿(mǎn)足使用要求。然后，以神華黃驊港務(wù)公司BH11－1皮帶機(jī)為例進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，驗(yàn)證了該皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)能力能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

［1］ 陳 鈺，戴建立.長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)分析發(fā)展現(xiàn)狀［J］.煤礦機(jī)電.2003(1):34－36.

［2］ 楊達(dá)文，鮑師云.常用帶式輸送機(jī)的現(xiàn)狀［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2003(1):4－6.

［3］ 趙道軍.長(zhǎng)運(yùn)距、大傾角、高強(qiáng)度帶式輸送機(jī)的研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2007.

［4］ 宋偉剛.散裝物料帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)［M］.沈陽(yáng):東北大學(xué)出版社，2000.