大高差下運(yùn)帶式輸送機(jī)制動(dòng)器設(shè)計(jì)方案研究

高 源

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

煤礦通常使用帶式輸送機(jī)來(lái)完成煤炭的運(yùn)輸任務(wù)，帶式輸送機(jī)逐漸向著長(zhǎng)距離、高帶速、大運(yùn)量方向發(fā)展，致使井下帶式輸送機(jī)工況越來(lái)越復(fù)雜，尤其體現(xiàn)在大高差下運(yùn)發(fā)電工況帶式輸送機(jī)中，復(fù)雜工況下的大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)中的制動(dòng)器配置問(wèn)題就顯得尤為重要。結(jié)合崖坪煤礦東二大巷帶式輸送機(jī)實(shí)際案例，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，針對(duì)設(shè)計(jì)方案中制動(dòng)器的可靠性進(jìn)行校核[1-6]。

1 東二大巷帶式輸送機(jī)理論計(jì)算

崖坪煤礦東二大巷帶式輸送機(jī)基本參數(shù)如下：輸送量Q=1800 t/h，全長(zhǎng)3750 m，根據(jù)東二大巷開拓布置，確定下運(yùn)高度340 m，帶寬B=1400 mm，帶速V=3.5 m/s，最大傾角-17°，電機(jī)正常工況下處于發(fā)電工況（屬于長(zhǎng)運(yùn)距，大高差帶式輸送機(jī)），驅(qū)動(dòng)單元及制動(dòng)器布置在輸送機(jī)機(jī)尾。

1.1 東二大巷帶式輸送機(jī)受力計(jì)算

圓周驅(qū)動(dòng)力FU的計(jì)算：

式中：C為附加阻力系數(shù)，取1.05；f為模擬摩擦系數(shù)，取0.012（發(fā)電工況）；L為輸送機(jī)長(zhǎng)度，L=3750 m；qRO為承載托輥單位長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，qRO=20.52 kg/m；qRU為回程托輥單位長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，qRU=7.76 kg/m；qB為單位長(zhǎng)度輸送帶的質(zhì)量，qB=65.8 kg/m；qG為單位長(zhǎng)度輸送物料質(zhì)量（qG=Q/3.6 V），qG=142.86 kg/m；FS1為主要特種阻力，F(xiàn)S1=18 933 N；FS2為附加特種阻力，F(xiàn)S2=5040 N；H為設(shè)備運(yùn)行高度，H=-340 m（下運(yùn)）；FSt為下運(yùn)傾斜阻力，F(xiàn)St=-476 495 N；帶式輸送機(jī)平均傾角δ=5°（最大處傾角17°）。

按照最不利發(fā)電工況（全程有煤）計(jì)算：FU=-312 704 N。

根據(jù)圓周驅(qū)動(dòng)力計(jì)算出軸功率PA=FU×V/1000＝1094 kW，取電機(jī)綜合備用系數(shù)K=1.4 倍，計(jì)算電機(jī)功率N=K·PA=1532 kW，最終確定電機(jī)功率為3×560 kW。

通過(guò)計(jì)算逐點(diǎn)張力為：F1=289 810 N，F(xiàn)2=602 514 N，F(xiàn)1-2=445 750 N ，F(xiàn)3≈F4=30 704 N。逐點(diǎn)張力示意圖如圖1。

圖1 帶式輸送機(jī)逐點(diǎn)張力示意圖

1.2 東二大巷帶式輸送機(jī)制動(dòng)力矩計(jì)算

東二大巷帶式輸送機(jī)總體為傾斜向下布置，全程有煤情況下電機(jī)做負(fù)工時(shí)為最不利工況，此種情況下制動(dòng)停車工況制動(dòng)力矩計(jì)算如下：

FB=（m1+m2）aB-FU* （2）

式中：FB為制動(dòng)停車所需制動(dòng)力，N；FU*為帶式輸送機(jī)制動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，N；aB為帶式輸送機(jī)制動(dòng)停車減速度，取aB=0.2 m/s2計(jì)算；m1為帶式輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)體（輸送帶、物料和托輥）轉(zhuǎn)換到輸送帶上直線運(yùn)動(dòng)的等效質(zhì)量，kg；m2為帶式輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件（電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、滾筒）換算到輸送帶上直線運(yùn)動(dòng)的等效質(zhì)量，kg。

全程滿負(fù)荷運(yùn)輸情況下制動(dòng)所需的制動(dòng)力矩：

式中：n為驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量，n=3；JiD為驅(qū)動(dòng)單元旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ii為驅(qū)動(dòng)單元旋轉(zhuǎn)部件至傳動(dòng)滾筒的傳動(dòng)比；r為傳動(dòng)滾筒半徑，m；Ji為驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ri為滾筒半徑。

式中：f為模擬阻力系數(shù)，考慮滿負(fù)荷下運(yùn)工況下，f取0.012；C為附加阻力系數(shù)，取C=1.05。

式中：MB為制動(dòng)滾筒所需制動(dòng)力矩，N·m；η為制動(dòng)器到制動(dòng)滾筒的傳動(dòng)效率；制動(dòng)器制動(dòng)效率：η=1，i=1，D=1.4。

因此制動(dòng)器的制動(dòng)力矩M制=2MB=847 116 N·m。

2 制動(dòng)器可靠性驗(yàn)算

制動(dòng)系統(tǒng)是帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的重要一環(huán)，制動(dòng)效果也直接影響著帶式輸送機(jī)運(yùn)行是否安全。大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)在滿負(fù)荷運(yùn)行的過(guò)程中，一旦不能良好的制動(dòng)，將會(huì)存在較大的安全隱患，在此種工況下大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)制動(dòng)器的可靠性顯得尤為重要，以下對(duì)不同方案配置情況下制動(dòng)器的可靠性進(jìn)行理論計(jì)算驗(yàn)證。

現(xiàn)有階段，當(dāng)帶式輸送機(jī)需要緊急制動(dòng)時(shí)，由于大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)下運(yùn)作用力較大，可能會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)器施閘已經(jīng)將制動(dòng)滾筒完全制動(dòng)，但由于高差較大物料在重力的作用下帶動(dòng)膠帶繼續(xù)下滑，膠帶受到的下滑力大于制動(dòng)滾筒與膠帶間的摩擦力繼續(xù)滑動(dòng)，造成制動(dòng)失效等情況，此時(shí)制動(dòng)器的布置形式就需要慎重考慮，以下就結(jié)合東二大巷帶式輸送機(jī)制動(dòng)器設(shè)計(jì)實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)算。

根據(jù)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中輸送帶不打滑公式：

式中：F2min為滾筒奔離點(diǎn)張力；FUmax為圓周驅(qū)動(dòng)力；eμα為歐拉系數(shù)，為常數(shù)，與滾筒表面摩擦系數(shù)和膠帶圍包角有關(guān)，在《DT ⅡA 型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表3-13 可查。

當(dāng)帶式輸送機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電停機(jī)，制動(dòng)器介入工作，此時(shí)傳動(dòng)滾筒僅受制動(dòng)力，不再受圓周驅(qū)動(dòng)力。由于制動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)力都是作用在傳動(dòng)滾筒上，公式中FUmax可替換為F制用來(lái)校核制動(dòng)工況下輸送帶不打滑條件，通過(guò)推導(dǎo)滿足不打滑條件為F2min/F制≥1/（eμα1-1） 。則可根據(jù)此公式用來(lái)驗(yàn)證制動(dòng)器不打滑條件。

通過(guò)以上理論計(jì)算帶式輸送機(jī)需要的總制動(dòng)力矩為847 116 N·m，根據(jù)制動(dòng)力矩反算作用在制動(dòng)滾筒上的制動(dòng)力為F制=1 271 150 N。帶式輸送機(jī)各點(diǎn)受力參數(shù)詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表1，當(dāng)制動(dòng)器施閘時(shí)，帶式輸送機(jī)僅受制動(dòng)力，可利用歐拉系數(shù)推導(dǎo)公式進(jìn)行不打滑驗(yàn)算。

表1 帶式輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)表

計(jì)算出總制動(dòng)力矩，根據(jù)常規(guī)布置方式僅第一制動(dòng)滾筒放置一臺(tái)制動(dòng)器，α1=200°，根據(jù)歐拉系數(shù)查表eμα1=2.85。

根據(jù)不打滑推導(dǎo)公式F2min/F制=602 514/1 271 150=0.47 ＜1/(eμα1-1) ，不滿足不打滑條件；通過(guò)驗(yàn)算此種布置方式由于作用在滾筒上的制動(dòng)力過(guò)大，將制動(dòng)滾筒制動(dòng)后膠帶還會(huì)在制動(dòng)滾筒上滑動(dòng)，導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)失效，存在嚴(yán)重安全隱患，所以此種布置方式不能滿足制動(dòng)器選型條件。

3 提出解決方案

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，提出制動(dòng)器分散布置解決方案，即將2 臺(tái)制動(dòng)器分別作用在2 個(gè)制動(dòng)滾筒上，降低單一制動(dòng)滾筒所承擔(dān)的制動(dòng)力。根據(jù)不打滑公式計(jì)算原則，當(dāng)帶面在滾筒上圍包角不變的情況下，減小作用力能有效降低帶面打滑情況。對(duì)布置兩臺(tái)制動(dòng)器不打滑條件進(jìn)行計(jì)算。則每個(gè)制動(dòng)滾筒承擔(dān)的制動(dòng)力為FB=F制/2=605 083 N，制動(dòng)器布置如圖2。

圖2 制動(dòng)器分散布置示意圖

第一制動(dòng)滾筒放置一臺(tái)制動(dòng)器：α1=200°，eμα1=2.85；不打滑條件：F2/FB=0.9 ≥1/(eμα1-1) ，滿足不打滑條件。

第二制動(dòng)滾筒放置二臺(tái)制動(dòng)器：α2=200°，eμα2=2.85；不打滑條件：F1-2/FB=0.7 ≥1/(eμα1-1) ，滿足不打滑條件。

通過(guò)驗(yàn)算此種布置形式滿足制動(dòng)滾筒不打滑條件，并能充分發(fā)揮制動(dòng)器性能，以避免由于制動(dòng)滾筒與膠帶打滑無(wú)法提供足夠的制動(dòng)力矩從而造成的安全隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

崖坪煤礦東二大巷帶式輸送機(jī)已于2022 年1月完成聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況及檢測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明，該制動(dòng)設(shè)備滿足帶式輸送機(jī)大傾角下運(yùn)不同復(fù)雜工況應(yīng)用的需求。通過(guò)以上理論計(jì)算研究從前期驗(yàn)證了制動(dòng)器配置方案，最大程度上減小了大傾角下運(yùn)發(fā)電工況帶式輸送機(jī)因制動(dòng)器配置方案不合理造成的制動(dòng)失靈、帶面飛車等情況，為前期帶式輸送機(jī)制動(dòng)器配置方案提供了有力依據(jù)。