礦用下運(yùn)帶式輸送機(jī)設(shè)計探索

楊澤民

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 設(shè)備修造廠， 山西 晉中 032000)

帶式輸送機(jī)根據(jù)被運(yùn)輸物料的提升高度分為上運(yùn)和下運(yùn)。上運(yùn)帶式輸送機(jī)應(yīng)用較多，相關(guān)研究較深，其設(shè)計理論與方法也較成熟。而下運(yùn)帶式輸送機(jī)容易出現(xiàn)打滑、撒料、飛車等事故，在煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計中很少使用，尤其是16°以上的下運(yùn)帶式輸送機(jī)，其相關(guān)的研究也較少[1]. 但在一些特殊情況下的運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計中，為減少工程量、降低基建費(fèi)用，不可避免地會使用下運(yùn)帶式輸送機(jī)。因此，需要對下運(yùn)帶式輸送機(jī)的設(shè)計進(jìn)行分析研究。

1 煤礦井下帶式輸送機(jī)類型

煤礦用井下帶式輸送機(jī)大致分為兩大類：一類是固定帶式輸送機(jī)，一類是可伸縮帶式輸送機(jī)。固定帶式輸送機(jī)主要用于集中巷和主提升運(yùn)輸系統(tǒng)，其輸送帶多為鋼絲繩芯?？缮炜s帶式輸送機(jī)主要用于掘進(jìn)工作面和順槽工作面，其輸送帶多為PVC或PVG. 用于掘進(jìn)工作面的帶式輸送機(jī)由于運(yùn)輸量很小，在此不做探討，僅對集中巷用固定下運(yùn)帶式輸送機(jī)和順槽用可伸縮下運(yùn)帶式輸送機(jī)的設(shè)計進(jìn)行研究和探索。

2 下運(yùn)帶式輸送機(jī)的阻力計算

下運(yùn)帶式輸送機(jī)同上運(yùn)及水平運(yùn)輸帶式輸送機(jī)一樣，其傳動滾筒上所需的圓周驅(qū)動力FU也是輸送機(jī)上所有的阻力之和，其計算公式[2]如下：

FU=FH+FN+FS1+FS2+FST

(1)

式中：

FU—圓周驅(qū)動力,N；

FH—主要阻力，N；

FN—附加阻力，N；

FS1—主要特種阻力，N；

FS2—附加特種阻力，N；

FST—傾斜阻力，N.

對于長度大于80 m的帶式輸送機(jī)也可以用下式進(jìn)行計算：

FU=C×FH+FS1+FS2+FST

(2)

式中：

C—長度附加系數(shù)。

對于下運(yùn)帶式輸送機(jī)，其傾斜阻力為FST負(fù)值，公式演變?yōu)椋?/p>

FU=C×f×L×g[qRO+qRU+(2qB+qG)cosδ]+

FS1+FS2-qGHg

FS1和FS2忽略不計,上式簡化為:

FU=C×f×L×g[qRO+qRU+(2qB+qG)cosδ]-

qGHg

(3)

式中：

f—模擬摩擦系數(shù)；

L—帶式輸送機(jī)長度，m；

g—重力加速度，m/s2；

qRO—承載分支每米托輥旋轉(zhuǎn)部分重量，kg；

qRU—回程分支每米托輥旋轉(zhuǎn)部分重量，kg；

qB—每米輸送帶重量，kg；

qG—每米物料重量，kg；

δ—帶式輸送機(jī)傾角，(°)；

H—機(jī)頭尾高差(取正值)，m.

主要阻力FH大于傾斜阻力FST時，電機(jī)做正功；主要阻力FH小于傾斜阻力FST時，電機(jī)做負(fù)功，此時帶式輸送機(jī)為下運(yùn)帶式輸送機(jī)。

井下用長距離帶式輸送機(jī)布置形式隨巷道起伏多變，一條帶式輸送機(jī)往往會出現(xiàn)多段上運(yùn)或下運(yùn)的情況。在設(shè)計時，應(yīng)考慮在極端狀況下的不均勻載荷，電動機(jī)會出現(xiàn)電動狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)、最大電動狀態(tài)、最大發(fā)電狀態(tài)、滿載狀態(tài)等多種工況。比如：最大電動狀態(tài)為所有水平和上運(yùn)段滿載，下運(yùn)段空載時的工況；最大發(fā)電狀態(tài)為所有下運(yùn)段滿載，其它段空載的工況。設(shè)計時如考慮不周全，帶式輸送機(jī)運(yùn)行時可能會出現(xiàn)飄帶、跑偏、打滑、甚至斷帶等事故。

3 DTL系列固定落地式下運(yùn)帶式輸送機(jī)的設(shè)計

集中巷用DTL系列固定落地式下運(yùn)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動形式通常分為機(jī)頭驅(qū)動、機(jī)尾驅(qū)動和機(jī)頭機(jī)尾同時驅(qū)動3種形式。機(jī)頭機(jī)尾同時驅(qū)動時，功率平衡實(shí)現(xiàn)比較困難，因此大多數(shù)帶式輸送機(jī)選用機(jī)頭或機(jī)尾驅(qū)動的形式。

3.1 布置形式

1) 對于下運(yùn)帶式輸送機(jī)而言，在安裝條件允許的前提下，為保證膠帶與傳動滾筒有足夠的摩擦力，首選機(jī)尾驅(qū)動形式，這種布置形式相當(dāng)于上運(yùn)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動反轉(zhuǎn)，其布置見圖1.

圖1 驅(qū)動在機(jī)尾下運(yùn)示意圖

2) 在安裝和給煤條件不允許時，也可以采用機(jī)頭驅(qū)動的形式。為了保證膠帶與傳動滾筒有足夠的摩擦力，通常將張緊裝置前置，其布置形式見圖2.

圖2 驅(qū)動在機(jī)頭下運(yùn)示意圖

3.2 驅(qū)動及制動

下運(yùn)帶式輸送機(jī)使用過程中，主要阻力FH小于傾斜阻力FST時，電機(jī)做負(fù)功，即電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，其供電開關(guān)應(yīng)選軟啟開關(guān)或四象限變頻器，保證電流回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。下運(yùn)帶式輸送機(jī)應(yīng)配置專用控制系統(tǒng)，在帶式輸送機(jī)停機(jī)時，盤式制動器應(yīng)先投入制動，在電動機(jī)電流為零時切斷電源，靠制動器實(shí)現(xiàn)制動停機(jī)，在制動器的選擇和制動曲線的調(diào)整方面，要結(jié)合帶式輸送機(jī)的具體參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。在條件允許的情況下，制動器與滾筒聯(lián)接時應(yīng)減少聯(lián)軸器等中間傳動環(huán)節(jié)，直接安裝于傳動滾筒軸端或傳動滾筒筒皮兩端，實(shí)現(xiàn)可靠制動。制動器必須帶有UBS電源，滿足帶式輸送機(jī)在故障斷電時，能準(zhǔn)確調(diào)整液壓比例閥，從而平穩(wěn)制動，其制動力矩必須滿足靜制動力矩的2～2.5倍。

對盤式制動器的具體要求如下：1) 下運(yùn)帶式輸送機(jī)專用電控配合，保證帶式輸送機(jī)的停車減速度在0.05～0.3 m/s2連續(xù)可調(diào)，有載起動時具有可控起動性能。2) 當(dāng)控制系統(tǒng)或電機(jī)突然斷電、輸送帶超速、打滑及其它保護(hù)停車指令發(fā)出時，能實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)安全可靠制動。3) 盤式制動器采用常閉形式，在不增加其它裝置的情況下，具有定車功能。4) 制動時，盤面溫升小，制動無火花，井下使用時要有良好的防爆性能。5) 盤式制動器液控系統(tǒng)應(yīng)采用雙回路、電液比例閥調(diào)整技術(shù)，能按設(shè)定制動曲線平穩(wěn)制動。

3.3 阻尼裝置

為進(jìn)一步提高下運(yùn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性，可在承載段增加阻尼裝置，阻尼裝置有以下幾種類型：阻尼托輥、聚氨酯阻尼板、阻尼鋼板和阻尼膠帶等，阻尼裝置的數(shù)量和間距根據(jù)帶式輸送機(jī)的運(yùn)量和角度進(jìn)行調(diào)整，以皮帶機(jī)運(yùn)行時不打滑、不超速為目的。阻尼裝置的結(jié)構(gòu)見圖3，4.

圖3 阻尼托輥結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 阻尼板結(jié)構(gòu)示意圖

阻尼托輥的阻尼力取決于托輥本身的阻尼力和托輥的布置密度,阻尼板的阻尼力計算如下：

F阻=μ×(qG+qB)g×cosδ

(4)

式中：

μ—膠帶與阻尼板的摩擦系數(shù)。

3.4 膠帶安全措施

為了提高下運(yùn)帶式輸送機(jī)的安全性能，在設(shè)計時，應(yīng)增加防止斷帶的安全措施。鋼絲繩膠帶應(yīng)考慮配置鋼絲繩在線檢測儀，對鋼絲繩膠帶實(shí)時檢測，發(fā)現(xiàn)斷股、抽頭情況時，診斷、記錄并報告故障點(diǎn)。對于PVC、PVG膠帶，在安全系數(shù)的選擇上應(yīng)大于水平和上運(yùn)膠帶，對膠帶接頭要做日常觀察記錄，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。在條件允許的情況下，建議安裝斷帶抓捕器，斷帶抓捕器在膠帶運(yùn)行速度超過設(shè)定速度時，對膠帶進(jìn)行抓捕，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

下運(yùn)帶式輸送機(jī)的制動除盤式制動器外，還有液力制動器、液壓調(diào)壓制動器、液壓調(diào)速制動器和液粘可控制動裝置等，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，定車制動效果不理想，在個別情況下有使用。

4 順槽用DSJ系列可伸縮下運(yùn)帶式輸送機(jī)的設(shè)計

可伸縮帶式輸送機(jī)一般用于回采工作面順槽，其機(jī)尾一般采用自移機(jī)尾或軌道梁機(jī)尾，通常配合順槽用轉(zhuǎn)載機(jī)使用。當(dāng)其下運(yùn)時，在設(shè)計上應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

4.1 布置形式

由于順槽用帶式輸送機(jī)機(jī)尾會隨著工作面的推進(jìn)而不斷向前移動，因此傳動裝置無法布置在機(jī)尾，只能布置在機(jī)頭。順槽用帶式輸送機(jī)使用的膠帶通常為PVC或PVG膠帶，這種膠帶的伸長率為1%～1.5%，為保證傳動滾筒與膠帶不打滑，設(shè)計時，其張緊裝置和儲帶倉應(yīng)布置于卸載滾筒后，傳動滾筒之前。其布置形式見圖5.

圖5 順槽下運(yùn)示意圖

4.2 防跑偏托輥組

由于順槽用帶式輸送機(jī)機(jī)尾隨著工作面推進(jìn)經(jīng)常挪動，機(jī)身也隨之縮短，容易造成膠帶跑偏，為兼顧快速拆裝和調(diào)偏的功能，其托輥組在設(shè)計時采用以下幾種形式：前傾托輥組、帶調(diào)偏桿的托輥組、掛勾托輥組、錐形調(diào)心托輥組等。順槽下運(yùn)帶式輸送機(jī)在帶速、運(yùn)輸量都相對較小時，上下托輥組可以選用固定架前傾托輥組。由于這種托輥組托輥的旋轉(zhuǎn)方向和膠帶運(yùn)行方向不平行，膠帶和托輥間存在滑動摩擦力，在輸送機(jī)運(yùn)行時，會增大附加運(yùn)行阻力，起到一定的防跑偏效果和增大阻力作用。對高帶速、大運(yùn)量的大型皮帶輸送機(jī)，選用前傾托輥則應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。其它類型的托輥組通常用于水平或上運(yùn)的帶式輸送機(jī)。前傾托輥組見圖6.

圖6 前傾托輥組示意圖

4.3 機(jī)尾滾筒選型

順槽用下運(yùn)帶式輸送機(jī)往往要服務(wù)多個不同工況的工作面，滿載運(yùn)行時，其最大張力點(diǎn)在機(jī)尾滾筒處。因此機(jī)尾滾筒在設(shè)計時，要考慮輸送機(jī)最大運(yùn)量和最大角度時所受的張力，且不可直接用通用順槽帶式輸送機(jī)機(jī)尾滾筒。在工況發(fā)生變化時，要根據(jù)機(jī)尾最大張力，對機(jī)尾滾筒許用合力重新校核選型。

4.4 制動與控制

普通順槽用帶式輸送機(jī)適用于運(yùn)輸角度為0～4°的工況，一般情況為無制動或電力液壓塊式制動器。下運(yùn)順槽用帶式輸送機(jī)要求必須配制動器，由于制動力矩要大于水平運(yùn)輸，建議選擇液壓盤式制動器，制動器的選擇要求與固定帶式輸送機(jī)相同。在設(shè)計時，制動器盡可能直接安裝在傳動滾筒軸端。

控制系統(tǒng)是下運(yùn)帶式輸送機(jī)的核心，它對帶式輸送機(jī)各系統(tǒng)的控制邏輯和控制曲線不同于水平和上運(yùn)帶式輸送機(jī)，要用專用的下運(yùn)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)，其控制邏輯與固定帶式輸送機(jī)基本相同[3,4].

4.5 張緊裝置

為防止?jié)L筒與膠帶打滑，制動失效會導(dǎo)致飛車等事故，下運(yùn)帶式輸送機(jī)張緊裝置采用前置方式，為保證張緊裝置有足夠的張力，且張力可根據(jù)工況變化隨時調(diào)整，要求張緊裝置要配張力傳感器，液壓系統(tǒng)必須有蓄能器和張力下降保護(hù)單元[5].

同固定下運(yùn)帶式輸送機(jī)一樣，阻尼裝置是一種有效且較為經(jīng)濟(jì)的制動單元，用礦用廢舊膠帶制造的膠帶阻尼裝置在部分礦井得到應(yīng)用，效果良好。

5 結(jié) 語

下運(yùn)帶式輸送機(jī)是帶式輸送機(jī)的重要組成分支，設(shè)計時要結(jié)合巷道地形和運(yùn)輸形式，選擇合理的布置形式、驅(qū)動系統(tǒng)、制動裝置、控制系統(tǒng)、拉緊裝置等。電動機(jī)功率的選擇上必須留1.5倍以上的富余系數(shù)，制動器的制動力矩必須滿足靜制動力矩的2～2.5倍，必要時可以增加阻尼裝置和預(yù)防斷帶的安全保障措施。