帶式輸送機(jī)小半徑轉(zhuǎn)彎裝置在煤礦運(yùn)輸中的應(yīng)用

袁揚(yáng)

摘 要：為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)環(huán)節(jié)，降低運(yùn)行成本，提高運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，以鶴煤八礦143膠帶上山主運(yùn)輸系統(tǒng)為例，提出小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置運(yùn)輸與傳統(tǒng)皮帶搭接運(yùn)輸兩種解決方案。并從運(yùn)輸效率、經(jīng)濟(jì)效益及優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定采用小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置作為143膠帶上山主運(yùn)輸轉(zhuǎn)彎方式，并運(yùn)用理論計(jì)算法對(duì)此運(yùn)輸系統(tǒng)的帶式輸送機(jī)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，143膠帶上山主運(yùn)輸系統(tǒng)采用小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置變向轉(zhuǎn)彎輸送，提升了煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸效率，改善了運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本降低10%，故障點(diǎn)少，降低了生產(chǎn)成本，每年為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約500萬(wàn)元。

關(guān)鍵詞：143膠帶上山;小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置;變向轉(zhuǎn)彎輸送;選型設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TD524 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）10-0047-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.010

Application of Small Radius Turning Device of Belt Conveyor in Coal Mine Transportation

YUAN Yang

（Zhong Yun International Engineering Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，China）

Abstract：In order to simplify the system links，reduce the operation cost and improve the stability and production efficiency of the transportation system，taking the 143 belt up the mountain main transportation system of Hemei No.8 Coal Mine as an example，two solutions of small curvature radius turning device transportation and traditional belt lap transportation are put forward. Through the comparative analysis of transportation efficiency，economic benefits，advantages and disadvantages，it is finally determined to use the small curvature radius turning device as the main transportation turning mode of 143 belt up the mountain，and the theoretical calculation method is used to select and design the belt conveyor of the transportation system. The results show that the main transportation system of 143 belt up the mountain adopts the turning device with small curvature radius to change to turning transportation，which improves the transportation efficiency of the main transportation system of the coal mine and improves the reliability of the transportation system. In the later stage，the operation and maintenance cost is reduced by 10%，the number of fault points is less，the production cost is reduced，and the economic benefit for the enterprise is about 5 million yuan every year.

Keywords： 143 tape up the mountain;small curvature radius turning device;change direction and turn conveying;lectotype design

0 引言

隨著煤礦綜采、綜掘朝著機(jī)械化和智能化方向發(fā)展，井下主運(yùn)輸設(shè)施對(duì)煤礦生產(chǎn)效率的影響也越來(lái)越重要。要提高煤礦生產(chǎn)效率就必須優(yōu)化主運(yùn)輸系統(tǒng)，在井下以最短的時(shí)間利用最佳的運(yùn)輸方式使煤炭提升至地面，從而實(shí)現(xiàn)煤礦井下主運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化運(yùn)行[1-3]。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)物料只能在直線內(nèi)輸送，若輸送線路改變方向，需要兩部輸送機(jī)相互搭接才能實(shí)現(xiàn)，從而限制了主運(yùn)輸系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，故障點(diǎn)會(huì)相應(yīng)增加。以往的研究主要限于對(duì)轉(zhuǎn)彎裝置的結(jié)構(gòu)及膠帶機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算等進(jìn)行研究，如吳振濤等[4]對(duì)DZ-Ⅳ型帶式轉(zhuǎn)向裝置的基本結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)、使用范圍進(jìn)行了介紹;王國(guó)清等[5]介紹了DTL80/30/2×450帶式輸送機(jī)的主要技術(shù)要求和設(shè)計(jì)計(jì)算;孫威威[6]分析了煤礦膠帶機(jī)轉(zhuǎn)彎裝置的主要技術(shù)特點(diǎn)與性能，并提出膠帶機(jī)轉(zhuǎn)彎裝置的保障措施。

筆者以鶴煤八礦143膠帶上山主運(yùn)輸系統(tǒng)為例，介紹了小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置運(yùn)輸與傳統(tǒng)皮帶搭接運(yùn)輸兩種解決方案，并從運(yùn)輸效率、經(jīng)濟(jì)效益及優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定采用小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置更適合作為143膠帶上山的主運(yùn)輸系統(tǒng)，并運(yùn)用理論計(jì)算法對(duì)此運(yùn)輸系統(tǒng)帶式輸送機(jī)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。

1 運(yùn)輸系統(tǒng)概況

鶴煤八礦現(xiàn)有143膠帶上山主運(yùn)輸系統(tǒng)總長(zhǎng)約1 000 m，2002年鋪設(shè)安裝了三部帶式輸送機(jī)進(jìn)行搭接運(yùn)輸，擔(dān)負(fù)整個(gè)礦井原煤的運(yùn)輸任務(wù)，是礦井主煤流運(yùn)輸線。其中二、三部帶式輸送機(jī)所在的巷道為一條直線，與一部帶式輸送機(jī)斜巷有166°的折角轉(zhuǎn)彎，如圖1所示?，F(xiàn)已安裝143膠帶上山一、二、三部帶式輸送機(jī)均為DTL100/2×90型，總長(zhǎng)約為1 000 m，傾角為14°～19°（平均為17°）。位于下部的143膠帶上山三部帶式輸送機(jī)尾部從煤倉(cāng)下口給煤機(jī)接料，經(jīng)二部、一部帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載后卸至現(xiàn)有帶式輸送機(jī)系統(tǒng)。

自2019年底鶴煤八礦南煤北運(yùn)成功改造后，井下煤炭的運(yùn)輸方式由原通過(guò)南翼膠帶運(yùn)輸線運(yùn)輸改為由143膠帶上山運(yùn)輸線運(yùn)輸，由此造成143膠帶上山主運(yùn)輸系統(tǒng)帶式輸送機(jī)設(shè)備的負(fù)荷增加，由于設(shè)備老化導(dǎo)致經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)壓死或損壞現(xiàn)象，目前已無(wú)法滿足礦井正常生產(chǎn)的需求。

由于運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，需要簡(jiǎn)化系統(tǒng)環(huán)節(jié)，降低運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)輸效率，改善運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行安全，進(jìn)行多方案研究和設(shè)備選型設(shè)計(jì)則成為提升運(yùn)輸效率的關(guān)鍵。

2 轉(zhuǎn)彎方式的選擇

結(jié)合礦井生產(chǎn)能力及現(xiàn)有143膠帶上山一部、二部和三部帶式輸送機(jī)布置現(xiàn)狀，對(duì)轉(zhuǎn)彎處提出以下兩個(gè)改造方案。一是通過(guò)小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的變向輸送;二是通過(guò)新鋪設(shè)兩條帶式輸送機(jī)相互搭接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

143膠帶上山主運(yùn)輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎方式的選擇應(yīng)優(yōu)先考慮由單一運(yùn)輸方式組成的主運(yùn)輸系統(tǒng)，盡可能簡(jiǎn)化系統(tǒng)環(huán)節(jié)，降低運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)輸效率，進(jìn)一步提升礦井的“四化”水平。對(duì)比以上兩種轉(zhuǎn)彎方式，由于143膠帶上山的巷道轉(zhuǎn)角為14°，轉(zhuǎn)角較小，通過(guò)小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的變向輸送更具優(yōu)勢(shì)。143膠帶上山帶式輸送機(jī)中部轉(zhuǎn)彎通過(guò)一組由中間轉(zhuǎn)彎段和前、中、后部過(guò)渡段托輥組成的成套小曲率半徑自然轉(zhuǎn)彎裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)自然轉(zhuǎn)彎輸送物料。

143膠帶上山帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)彎方式對(duì)比見(jiàn)表1。綜合考慮，本研究中優(yōu)先選用方案一。

3 143膠帶上山帶式輸送機(jī)選型設(shè)計(jì)

礦井井型為0.9 Mt/a，工作制度為年工作330 d，日提升18 h。通過(guò)理論計(jì)算法進(jìn)行選型計(jì)算。

3.1 初定設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)礦方提供的相關(guān)資料，輸送能力Q=500 t/h，設(shè)計(jì)暫按機(jī)長(zhǎng)為1 000 m、傾角為15°～20°進(jìn)行選型計(jì)算，其中傾角15°的段長(zhǎng)為680 m;傾角20°的段長(zhǎng)為320 m。上托輥間距ao=1.2 m，上托輥槽角為35°。下托輥為V形托輥，間距au=3.0 m。上下托輥輥徑為133 mm。

3.2 計(jì)算圓周驅(qū)動(dòng)力和傳動(dòng)功率

驅(qū)動(dòng)圓周力的計(jì)算方式見(jiàn)式（1）。

Fu=CFH+FS1+FS2+FSt+FN? ? （1）

式中：C為附加阻力系數(shù)，C=1.09;FH為輸送機(jī)的主要阻力，F(xiàn)H=46.68 kN;FS1為主要特種阻力，F(xiàn)S1=0.110 kN;FS2為輸送帶清掃器摩擦阻力，F(xiàn)S2=1.75 kN;FSt為傾斜阻力，F(xiàn)St=155.58 kN;FN為輸送帶繞經(jīng)滾筒的纏繞阻力，F(xiàn)N=0.52 kN。經(jīng)計(jì)算驅(qū)動(dòng)圓周力Fu=208.84 kN;傳動(dòng)滾筒軸功率PA=Fu×v=522.10 kW。

其中，F(xiàn)H=fLgcosδ（qRO+qRU+2qB+qG），其中g(shù)為重力加速度，g=9.81 m/s2;f為模擬摩擦系數(shù)，f=0.03;L為輸送機(jī)長(zhǎng)度，L=1 000 m;δ為輸送機(jī)在運(yùn)行方向的傾斜角;δ為15°～20°;qRO為承載分支托輥每米長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，qRO=18.4 kg/m;qRU為回程分支托輥每米長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，qRU=5.7 kg/m;qB為每米長(zhǎng)輸送帶的質(zhì)量，qB=43 kg/m;暫定膠帶為ST型鋼絲繩芯阻燃帶，帶強(qiáng)為2 500 N/mm;qG為每米長(zhǎng)輸送物料的質(zhì)量，qG=Q/（3.6×v）=55.56 kg/m，，此處v為輸送帶速度，v=2.5 m/s。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)H=46.68 kN。

FS1=Fgl，F(xiàn)gl為導(dǎo)料槽欄板的摩擦阻力，F(xiàn)gl=μ2Iv2ρgl/（v2b12）。在本運(yùn)輸帶式輸送機(jī)中，μ2為物料與導(dǎo)料槽間的摩擦系數(shù)，μ2=0.7;b1為導(dǎo)料槽兩欄板間寬度，b1=0.8 m;l為導(dǎo)料槽欄板長(zhǎng)度，l= 3.0 m;Iv為輸送能力，Iv=Q/（3.6ρ）=0.154 m3/s;經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)gl=0.110 kN;FS1= Fgl=0.110 kN。

FS2=APμ3。A為清掃器與輸送帶接觸面積，A=0.025 m2;P為清掃器與輸送帶的壓力，P=10×104 N/ m2;μ3為清掃器與輸送帶間的摩擦系數(shù)，μ3=0.7。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)S2=1.75 kN。

FSt=qGgH。H為物料提升高度，H=285.44 m。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)St=155.58 kN。

FN=12B（200+0.01F/B）d/D，F(xiàn)為滾筒上輸送帶的平均張力，F(xiàn)=224.53 kN;d為輸送帶的厚度，d=22 mm;D為滾筒直徑，D=1 250 mm。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)N=0.52 kN。

3.3 電機(jī)功率的計(jì)算

電動(dòng)機(jī)總功率的計(jì)算公式如式（2）。

N=PA/η1=614.24 kW? ? （2）

式中：N為電動(dòng)機(jī)總功率;η1為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率，η1取0.85。

3.4 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇

根據(jù)輸送能力、帶速、功率等因素，驅(qū)動(dòng)裝置采用防爆型永磁同步變頻直驅(qū)電動(dòng)系統(tǒng)，選用2臺(tái)400 kW的防爆型永磁同步變頻直驅(qū)電機(jī)（含專用變頻器和水冷系統(tǒng)），采用雙滾筒驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，選用2臺(tái)KPZ1200/2×160型制動(dòng)裝置及2套NJZ200型逆止器裝置。

3.5 輸送機(jī)膠帶張力的計(jì)算

輸送機(jī)要正常運(yùn)行，必須滿足以下兩個(gè)條件。

3.5.1 滿足輸送帶下垂度要求。為了限制輸送帶在兩組承載托輥間的下垂度，作用在輸送帶上任意一點(diǎn)的張力必須大于承載分支和回程分支最小張力的較大值Fmin。其中，承載分支Fcmin=a0（qB+qG）g/[8（h/a）max]=14.50 kN ;回程分支Fhmin=auqBg/[8（h/a）max]=15.82 kN ;（h/a）max為輸送帶許用的最大垂度，（h/a）max=0.01，因此Fmin=15.82 kN。

3.5.2 輸送帶不打滑。輸送帶不打滑條件為S1≥Fumaxeμα/（eμα-1）。其中Fumax為啟動(dòng)工況傳動(dòng)滾筒圓周力，采用可控張力拉緊裝置時(shí)Fumax=Fu/2;驅(qū)動(dòng)滾筒的圍包角a1=170°，a2=200°;μ為輸送帶與傳動(dòng)滾筒的摩擦系數(shù)，μ=0.25。

S3=S4>Fmin=15.82 kN，取S3=S4=20 kN。

S1=S4+（qRO+qB+qG）fLgcosα+FSt+qBHg=328.95 kN

S1-2=S1-Fu1max=224.53 kN

S2=S1-2-Fu2max=120.11 kN

S1/S1-2=1.47≤[eμα1]=2.1

S1-2/ S2=1.87≤[eμα2]=2.4

式中：eμα為尤拉系數(shù)。

根據(jù)以上計(jì)算可知，滿足不打滑要求。輸送機(jī)膠帶的最大張力Smax=328.95 kN，膠帶的安全系數(shù)SA=7.6。參照2021年3月1日開(kāi)始實(shí)施的《帶式輸送機(jī)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50431—2020），當(dāng)采用鋼絲繩芯輸送帶時(shí)，安全系數(shù)宜取7～9，所以選用ST2500型鋼絲繩芯輸送帶滿足生產(chǎn)使用要求。根據(jù)傳動(dòng)滾筒傳遞扭矩及合力要求，選用傳動(dòng)滾筒直徑?為1 250 mm。

3.6 拉緊裝置的選擇

選用ZYJ-100/16.5D型液壓自動(dòng)張緊裝置，最大拉緊行程為20 m，張緊力為100 kN。

3.7 根據(jù)選型計(jì)算

確定143膠帶上山帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為B=1 000 mm，Q=500 t/h，v=2.5 m/s，L=1 000 m，δ=15°～20°;膠帶為ST型鋼絲繩芯阻燃帶，帶強(qiáng)為2 500 N/mm;電機(jī)功率為N=2×400 kW，2套;制動(dòng)器為KPZ-1200/2×160型，2套;逆止器為NJZ200型，2套;液壓自動(dòng)張緊裝置為ZYJ-100/16.5D型，1套。帶式輸送機(jī)采用防爆永磁同步變頻直驅(qū)電機(jī)，并配備防打滑保護(hù)裝置、煙霧保護(hù)裝置、溫度保護(hù)裝置、堆煤保護(hù)裝置、自動(dòng)灑水裝置、防跑偏保護(hù)裝置、斷帶保護(hù)裝置、雙向拉繩開(kāi)關(guān)等。

4 結(jié)語(yǔ)

①143膠帶上山帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)彎巷道采用小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置，省去了前后膠帶機(jī)搭接裝置，從而提高原有運(yùn)輸系統(tǒng)的安全可靠性。

②小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置實(shí)現(xiàn)了從裝運(yùn)到卸載的一條龍不轉(zhuǎn)載運(yùn)輸，大大提高了運(yùn)輸效率。

③現(xiàn)有帶式輸送機(jī)本體支架及托輥可利用，新購(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)彎裝置及配套的滾筒、電控即可滿足使用要求，減少投資，提高重復(fù)利用率。

④采用小曲率半徑轉(zhuǎn)彎裝置轉(zhuǎn)彎，前期較傳統(tǒng)搭接運(yùn)輸少投入21.6萬(wàn)元，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理費(fèi)用降低10%，故障點(diǎn)少，降低了生產(chǎn)成本，每年為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約500萬(wàn)元。

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