长距离、大运量下运带式输送机的设计探究
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作者: 李桂香
［摘 要］带式输送机是煤矿现代化发展中关键设备之一。长距离、大运量、高速成为带式输送机的最新发展方向。本文通过系统的动态建模计算和仿真分析,将静态设计结论和动态分析结果相结合,指出长运距、大运量下运带式输送机的启动、运行和制动过程中存在的问题,并提出可行的控制理论和解决方案。
［关键词］带式输送机；大运量；长距离
［中图分类号］TH222 ［文献标识码］A ［文章编号］1005-6432（2011）49-0137-02
1 我国煤矿用带式输送机的发展
1.1 大型化、智能化
为了适应高产高效集约化生产的需要,带式输送机的运输能力要加大,控制自动化水平要提高,长运距、高带速、大运量、大功率是带式输送机今后发展的必然趋势。
1.2 扩大功能,一机多用化
带式输送机是一种理想的连续运输设备,但目前其效能还没有充分发挥。如将带式输送机结构做适当修改,并采取一定的安全措施,就可拓展功能,做到一机多用,使其发挥最大的经济效益。
1.3 开发专用机种
中国煤矿的地质条件差异较大,在运输系统的布置上经常会出现一些特殊要求,如弯曲、大倾角(>25°)直至垂直提升、长运距下运带式输送机等,而有些场合常规的带式输送机是无法满足要求的。
2 长距离、大运量下运带式输送机关键技术的分析
2.1 下运带式输送机的基本组成
带式输送机主要由输送带、驱动装置(电动机、减速机、软启动装置、制动器、联轴器、逆止器)、传动滚筒、改向滚筒、托辊组、拉紧装置、卸料器、机架、漏斗、导料槽、安全保护装置以及电气控制系统等组成。
2.2 驱动方案的确定
带式输送机的驱动部是整机组成的关键部件。长距离、大运量下运带式输送机对驱动部的要求比通用带式输送机的要求更高,它要求驱动装置能提供平稳、平滑的启动和停车制动力矩,以保证输送带不出现超速、打滑及输送带上的物料不出现滚料和滑料现象。
下运带式输送机受地形条件和装载量的影响,其启动工况比较复杂,应考虑如下几种：①负载量小或空载,松闸后带式输送机不能自启动；②负载量较大,松闸后带式输送机能自启动,但自然加速度较小；③负载量大,松闸后带式输送机能自启动,且自然加速度较大。
2.3 新型下运带式输送机驱动组合及其控制过程
多数下运带式输送机采用以下几种驱动部组合方式：①电动机―制动装置―减速器―滚筒；②电动机―限矩型液力耦合器―制动装置―减速器―滚筒；③电动机―限矩型液力耦合器―减速器―可控制动装置―滚筒；④电动机―软启动―减速器―液压软制动―盘式制动装置―滚筒；⑤电动机―软启动―减速器―液力软制动―盘式制动装置―滚筒；⑥电动机―软启动―减速器―可控盘式制动装置―滚筒；⑦电动机―软启动―减速器―液黏软制动―滚筒。
其中方式①～③多用于小型(短距离、小倾角、小运量、低带速)下运机上；方式④～⑦较适于大倾角下运输送机上。由上述方案可见,对于长距离、大运量下运带式输送机,可控制动装置必不可少,同时可控启动装置也成为必需。
为此我们提出一种经济实用的长距离、大运量、大功率下运带式输送机的驱动部组合方案。该方案驱动部主要由以下设备组成:电动机、联轴器、调速型液力耦合器、减速机、可控制动装置、驱动滚筒等。
3 长距离、大运量下运带式输送机设计
3.1 带式输送机的设计计算
(1)输送带运行速度的选择
输送带运行速度是输送机设计计算的重要参数。目前DTII系列带式输送机推荐的带速为1.25～4m/s。对于下运带式输送机,考虑管理难度大,一般确定带速为2～3.5m/s。根据工作面顺槽胶带机的规格(带宽1.2m、带速3.15m/s),工作面的实际生产能力,煤流的不均匀性等因素,同时考虑工作面煤仓无缓冲作用的状况(约3米深),确定固定下运带式输送机带速3.15m/s。
(2)输送带宽度计算
①按输送能力确定带宽
带式输送机的输送能力与带宽和带速的关系是：
Q=KB2vγc t/h
式中：K――货载断面系数,K值与货载在输送带上的堆积角有关。
B――输送带宽度,m；
V――输送机速度,m/s；
γ――运送货载的集散容重,t/m3；
C――输送机倾角对输送量的影响系数。
当输送量已知时可按下式求得满足生产能力所需的带宽B1：
②按输送物料的块度确定带宽B2
因为本带式输送机输送原煤,且amax=300mm故有：
B2≥2×amax+200=2×200+200=800mm
实际确定宽度时B=max{1000B1,B2},故可选用1200mm宽度的输送带。
3.2 线路阻力的计算
线路阻力(输送带运行阻力)包括直线阻力和弯曲段阻力。除了上述基本阻力外,还受附加阻力,由于附加阻力较小,在整机运行过程中相对基本阻力的比例很小,在计算分析过程中可以忽略不计,不会影响分析结果,计算整机功率时,考虑电机加权系数。
3.3 输送带张力的计算
用逐点法计算输送带关键点张力,输送带张力应满足两个条件：
(1)摩擦传动条件:即输送带的张力必须保证输送机在任何正常工况下都无输送带打滑现象发生。
Symax=S1［1+(eμα－1)/n］
式中：Symax――输送带与传动滚筒相遇点张力,N；
S1――输送带与传动滚筒分离点处张力,N；
μ――传动滚筒与输送带间的摩擦系数,采用包胶滚筒,μ=0.3；
α――输送带与传动滚筒间的围包角,取α=200°;
n――摩擦力备用系数,n=1.3。
(2)垂度条件:即输送带的张力必须保证输送带在两托辊间的垂度不超过规定值,或满足最小张力条件。
Szmin=5glt′(q+qd)cosβ
Skmin=5glt″qdcosβ
其中：Szmin――重载段输送带最小点张力,N；
Skmin――空载段输送带最小点张力,N；
本带式输送机各关键点垂直度条件为：
Szmin=5×9.8×1.2×(159+42.36)×cos(0°)=11840N
Skmin=5×9.8×3×42.36×cos(－0°)=6227N
3.4 滚筒的选择与减速器的选择
滚筒是带式输送机的又一重要部件,按其结构与作用的不同分为传动(驱动)滚筒、改向滚筒等。其直径应根据输送带的带芯层数来决定。
(1)传动滚筒直径的选择
D1=1400mm
(2)改向滚筒直径选择
a.尾部改向滚筒直径
尾部改向滚筒的直径一般比传动滚筒直径小一级,但是本输送机由于靠近驱动部滚筒合力较大,所以取：D2=600mm。
b.拉紧滚筒
拉紧滚筒处受张力也较大,可取:D3=600mm
(3)减速器的选型
根据带速、传动滚筒直径和电动机转速推知减速器的传动比为：
3.6 软启动装置的选用
根据以上各种软启动装置的原理及性能,依据我国煤矿井下长运距、大运量下运带式输送机的工作特点,软启动装置的选型应考虑以下几个原则:
①输送机的工作重要性;②输送机长度及运量大小；③输送机带速；④输送机经济性,性能要求越好,投资价格越高。
综合考虑以上分析,结合本台带式输送机的自身特性,我们决定采用YOTCK560型调速型液力耦合器,YOTCK560型调速型液力耦合器传递功率155~360 kW。
3.7 张紧位置的确定
(1)拉紧力及拉紧行程的计算
①拉紧力的计算。根据以上设计计算可得：PH=425644N
②拉紧行程的计算。计算拉紧行程的公式如下：
ΔL=KL+(1～2)B
式中：ΔL――拉紧行程,m；
L――输送带长度,m；
B――带宽,m；
K――伸长系数,钢丝绳芯带取0.002。
ΔL=0.002×3005+1.5×1.2=7.81m
考虑其他因素,取ΔL=20m。
(2)拉紧装置选择
带式输送机上采用的拉紧装置有固定绞车式拉紧、重锤拉紧和自动拉紧三种形式。比较三种方式可知：
①固定绞车式拉紧装置的拉紧滚筒在带式输送机运转过程中位置是固定的,这种拉紧方式结构简单、紧凑、对污染不敏感,工作可靠,拉紧行程长,调整方便;缺点是输送机运转过程中由于输送带的弹性变形和塑性伸长引起的张力降低,可能导致输送带在滚筒上打滑。
②重锤拉紧装置是利用重锤的重量产生拉紧力,并保证输送带在各种工况下有恒定的拉紧力,可以自动补偿由于温度改变和磨损而引起输送带的伸长变化。该种装置结构简单、工作可靠、维护量小,是一种经济较理想的拉紧装置,特别适用于固定带式输送机,但该装置占用空间较大,工作拉紧力不能自动调整且拉紧行程有限。根据使用场合的不同,可分为重锤垂直拉紧装置和重锤车式拉紧装置等。
③自动拉紧装置是一种在输送机工作中能按一定的要求自动调节拉紧力的拉紧装置。它使输送带具有合理的张力,自动补偿输送带的弹性变形和塑性变形,尤其是在启动时可以增大拉紧,防止启动过程中输送带打滑,正常工作时,减小拉紧力,保证输送带的安全性。
本机是具有输送距离长,输送带较大,由于倾角较小,采用重锤拉紧难以控制拉紧力,同时拉紧设计占用空间大,成本也较大,用其他拉紧方式拉紧行程难以保证,综合考虑设备的工作稳定性和经济性,选用液压自动拉紧装置拉紧方式。
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