閆 旭

(神華神東煤炭集團公司皮帶機公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

0 引言

目前大型煤礦主運輸系統(tǒng)采用的運輸技術(shù)是固定式膠帶機，屬于基礎(chǔ)建設(shè)工程的范疇，安裝后，很少改變膠帶機的結(jié)構(gòu)，因此主運膠帶機通常選用的設(shè)備及部件富裕系數(shù)較高，安全性能很好，但是也存在不節(jié)能浪費的現(xiàn)象。固定式膠帶機在原有基礎(chǔ)條件不變的情況下，想提高產(chǎn)能，提高效率就變得比較復(fù)雜，可操作余地較小，因此帶面類型的替換是節(jié)能降耗的一個研究方向。

1 使用編織帶替代鋼芯帶的意義

主運膠帶機是礦井運輸?shù)难屎硪?，主運膠帶機的穩(wěn)定性也決定了礦井煤炭的產(chǎn)量，因此設(shè)計的時候通常較為保守，為實現(xiàn)安全穩(wěn)定的運行，其帶面選用鋼芯帶，并提高其安全系數(shù)，通常安全系數(shù)達到10以上，但是鋼芯帶自身重量較大，又會增加一定的負載，這樣雖然保證了運輸安全，但是也大大地提高了膠帶機的能耗。而目前膠帶機技術(shù)已經(jīng)有了突飛猛擊的發(fā)展，由過去的液力耦合器、CST發(fā)展到如今的變頻驅(qū)動。變頻驅(qū)動技術(shù)的普及已經(jīng)有了較長的時間，但是使用單位并沒有充分的發(fā)揮變頻器在膠帶機運輸系統(tǒng)中的優(yōu)勢，例如其平穩(wěn)的啟動/停機性能、較高的功率平衡度、準(zhǔn)確的膠帶機故障判斷能力，這些性能若充分利用，膠帶機帶面的選型是可以按照德國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)6以上去選取的，這樣可以大大地降低帶面的重量、成本以及能耗，因此，在采用變頻驅(qū)動技術(shù)的膠帶機上，選擇一種重量相對較輕的帶面替代鋼芯帶具有重要的經(jīng)濟價值。與此同時，為了進一步降低帶面帶來的能耗損失，降低安全系數(shù)的同時，也可以選擇編織帶替代鋼芯帶，從自身重量上去解決設(shè)備負載大的問題。

2 實施中解決的重大技術(shù)問題

經(jīng)過深入研究、考察、論證與設(shè)計，決定選擇一個具有代表性的礦井進行實驗。該礦膠帶機長5 750 m，寬1.6 m，由8臺電機驅(qū)動，原鋼絲繩帶面長度11 650 m，現(xiàn)將該帶面更換成編織帶。編織帶與傳統(tǒng)鋼絲繩皮帶相比，不僅具備強度高，抗撕裂等優(yōu)點，而且在保持帶體強度不下降的情況下，重量也減輕 30%～60%，由于采用了有機纖維，帶芯也不再受電磁干擾，同時還具備耐磨、阻燃、耐火等特性，因此非常適用于礦井和港口等現(xiàn)場的長距離物料輸送。在國家積極倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟和節(jié)能減排的大背景下，使用編織帶替代鋼絲繩帶面是一次有意義的嘗試。

2.1 膠帶機由液壓張緊升級為全自動變頻張緊

由于編織帶相對于鋼絲繩帶面來說，其拉伸系數(shù)相對較高，鋼絲繩帶面的伸長率約為0.15%，而編織帶的伸長率為0.3%，這樣在膠帶機啟動及運行過程中，帶面會有較大的延伸，帶面延長的部分向儲帶倉里延伸，此時需要較快的張緊速度去保持膠帶機的張緊力，該膠帶機在用的張緊為液壓式張緊，其工作性能穩(wěn)定，張緊力大，但是油缸形成較短，張緊速度相對緩慢，因此，紡織帶面替換鋼絲繩帶面在此膠帶機上，有可能出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，因此需要對張緊部進行改造。由于現(xiàn)場空間有限，增加油缸行程比較困難，所以選擇變頻張緊系統(tǒng)替代液壓張緊，變頻張緊是通過四象限變頻器驅(qū)動張緊電機，然后連接減速器及卷筒實現(xiàn)張緊的裝置，四象限變頻器具有軟制動功能，可以在松張緊的時候，將張緊力做功轉(zhuǎn)化成電能回饋到電網(wǎng)之中，并且可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速定距后制動器抱閘的過程，使用效果穩(wěn)定可靠，張緊速度可由電機的轉(zhuǎn)速控制，應(yīng)用靈活性好，響應(yīng)速度快，因此用變頻張緊可應(yīng)對帶面更換后產(chǎn)生的問題。

帶有中部驅(qū)動的膠帶機機頭張緊力F的作用是保證頭部驅(qū)動不打滑的，經(jīng)計算和實踐證明張緊力F在≥60 kN的情況下，就可以保證膠帶機頭驅(qū)不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，這樣較低的張力控制有利于延長儲帶倉及張緊裝置的使用壽命，并提高安全系數(shù)。

圖1 變頻張緊示意圖

2.2 中部驅(qū)動啟動打滑問題

在調(diào)試階段出現(xiàn)了膠帶機啟動時中部驅(qū)動打滑的現(xiàn)象，經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)是由中部驅(qū)動張力不足造成的。以前用液壓張緊由于存在過張緊的現(xiàn)象，其張力可以傳遞到中部驅(qū)動，而現(xiàn)在改成變頻張緊，其張緊力設(shè)定是按照理論分析得出的準(zhǔn)確不打滑張力值，因此在此張力下打滑說明了原有膠帶機在布置上一直忽略了張緊力要選擇合適值的問題，出現(xiàn)中部驅(qū)動打滑就提高機頭的張緊力，這種做法雖然可以實現(xiàn)解決啟動打滑的問題，但過大的張緊力對整個膠帶機系統(tǒng)是有負面影響的，儲帶倉鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的強度需要提高很多，而且會帶來更大的安全隱患，所以通過這一點發(fā)現(xiàn)了一個使用和配套存在的問題。通過研究膠帶機繞帶圖可知，膠帶機中部驅(qū)動的不打滑張緊力是從前驅(qū)動部的高張力區(qū)也就是載荷面?zhèn)鬟f過來的，因此可以考慮利用頭驅(qū)的驅(qū)動力來給中部驅(qū)動提供一定的張緊力，因此在膠帶機啟動時先啟動頭驅(qū)，延時一段時間后等張緊力傳遞到中部驅(qū)動時再啟動中驅(qū)。此時間t是根據(jù)驅(qū)動力和帶面延伸估算的數(shù)值，通過現(xiàn)場幾次的啟動實驗選擇了一個合理的值既保證膠帶機穩(wěn)定啟動和運行，又不會產(chǎn)生過張緊的現(xiàn)象。此種解決辦法還可以做到更加嚴(yán)謹(jǐn)可靠，就是在中驅(qū)動部的低張力區(qū)，安裝一個壓帶滾筒，然后在滾筒的下面安裝壓力傳感器，根據(jù)壓力值去計算不打滑張力值，這樣就可以實現(xiàn)膠帶機中部驅(qū)動張緊力的實時監(jiān)控。

2.3 多電機驅(qū)動下的隱性打滑問題

調(diào)試正常后在運行過程中發(fā)現(xiàn)，某些運輸情況下膠帶機中部驅(qū)動位置有燒膠皮的味道，仔細觀察該膠帶機的7#/8#電機有隱性打滑的現(xiàn)象，一般情況下只有張緊力低才會造成打滑，但是通過研究確定中部驅(qū)動的張緊力是足夠的，而該膠帶機的隱性打滑出現(xiàn)在前半部膠帶機有煤而后部膠帶機無煤的工況，因此需要分析此種工況下打滑的根本原因。

在變頻器主從控制技術(shù)中，傳動系統(tǒng)由幾個驅(qū)動單元共同完成驅(qū)動。根據(jù)使用工況的不同主要有2種耦合方式，一種為剛性耦合(如刮板機)，所謂剛性耦合，即幾個不同的電動機軸之間通過軸、鏈條、齒輪等硬連接方式進行耦合，在這種情況下，只要其中一個傳動進行運動，另外一個或幾個傳動也將被動運行。

另外一種為柔性耦合(如帶中部驅(qū)動的膠帶機)中部驅(qū)動只能帶動其后部皮帶，無法將驅(qū)動力傳遞到機頭部驅(qū)動單元。

該膠帶機出現(xiàn)7#/8#電機打滑，主要發(fā)生在前半部膠帶機有煤，后半部膠帶機沒有煤的情況，這種條件下前后驅(qū)動部的驅(qū)動力是不一樣的，前半部膠帶機的1#/2#/3#/4#電機在當(dāng)前情況下輸出轉(zhuǎn)矩較大。而后半部膠帶機是空載的，5#/6#/7#/8#電機轉(zhuǎn)矩需求相對較小。這種情況不得不考慮變頻器功率平衡的問題了，通過與變頻器廠家交流發(fā)現(xiàn)，廠家的控制方式是采用轉(zhuǎn)矩跟隨控制技術(shù)實現(xiàn)功率平衡的，中部驅(qū)動的5#/6#電機跟隨1#/2#/3#/4#電機的轉(zhuǎn)矩平均值，7#/8#電機的轉(zhuǎn)矩是前6部電機轉(zhuǎn)矩的平均值，這樣情況在膠帶機滿載的時候是沒有問題的，因為機頭和中驅(qū)轉(zhuǎn)矩需求相差不大，8臺電機幾乎可以做到平均分配轉(zhuǎn)矩，但是當(dāng)后半部皮帶機沒有煤的時候，其轉(zhuǎn)矩需求很小5#/6#電機分擔(dān)轉(zhuǎn)矩后，剩下的7#/8#電機跟隨前6臺電機的轉(zhuǎn)矩，此時出現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩過剩，這2個電機無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩跟隨(因為空載已經(jīng)不需要過多的轉(zhuǎn)矩了)，因此這兩臺電機就不斷地通過提高轉(zhuǎn)速提高摩擦力來補償轉(zhuǎn)矩，進而實現(xiàn)接近前6臺電機的轉(zhuǎn)矩值，但是帶中部驅(qū)動的膠帶機，屬于軟連接，所以即使7#/8#如何控制也不能將力傳遞到機頭，使其他驅(qū)動電機降低轉(zhuǎn)矩輸出，因此造成了打滑現(xiàn)象。

最終解決辦法是將中部驅(qū)動7#/8#電機的轉(zhuǎn)速限定在一定的區(qū)間內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)后部皮帶空載的狀況時對其進行速度限制，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩跟隨不上時，提高轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象，也可以采用速度跟隨的控制方式，但是程序更改工程較大，所以采用速度限制的控制辦法解決該問題，進而繼續(xù)完善程序。

在原鋼絲繩膠帶機時也有這種現(xiàn)象，但是當(dāng)時過張力的問題使系統(tǒng)控制，配套存在的問題掩蓋掉了一部分，經(jīng)過本次系統(tǒng)科學(xué)的調(diào)整，有效地提高了膠帶機的使用安全系數(shù)，同時各點張力科學(xué)的合理分布對延長帶面及相關(guān)部件的使用時間具有重要的作用，也可以提高膠帶機的整機使用壽命。

3 能耗分析

3.1 能耗理論分析

鋼芯帶面換成編織帶最主要的變化是單位重量的變化，型號為ST2500 B1 600(8+7.2+8)的鋼芯帶重量為65 kg/m，而編織輸送帶重量為45 kg/m，因此從降低運輸重量的角度上分析，該膠帶機在更換帶面后其運行阻力將有一定的降低。輸送機的主要阻力FH是物料及輸送帶移動和承載分支及回程分支托輥旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生阻力的總和，可用式(1)計算。

FH=fLg[qRO+qRU+(2qB+qG)cosδ]

(1)

式中：f—模擬摩擦系數(shù)，根據(jù)工作條件及制造安裝水平?jīng)Q定，一般可按表查??；L—輸送機長度(頭尾滾筒中心距)，m；g—重力加速度；qRO—承載分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分重量，kg/m；qRU—回程分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，kg/m；qG—每米長度輸送物料質(zhì)量，kg/m；qB—每米長度輸送帶質(zhì)量，kg/m；β—輸送機的工作傾角。

由公式(1)可知，輸送帶的重量qB是影響整機運行阻力的重要因素，在運量和運送長度確定的條件下，輸送機的水平運行阻力主要取決于模擬摩擦系數(shù)f、帶面質(zhì)量qB、托輥旋轉(zhuǎn)質(zhì)量qRO和qRU、帶速v等，本次研究的主要變化是帶面質(zhì)量qB，摩擦系數(shù)f可能在更換帶面后出現(xiàn)一定的變化但是需要運行一段時間后取數(shù)據(jù)進行詳細分析。

重載3 000 t/h運量時阻力下降=54.9/577.6=9.5%；重載3 500 t/h運量時阻力下降=54.9/632.2 =40/388=8.7%；重載4 000 t/h運量時阻力下降=54.9/686.8=40/419=8.0%。

需要說明的是以上數(shù)據(jù)是根據(jù)鋼芯帶重量65 kg/m，編織帶面重量45 kg/m的數(shù)據(jù)進行計算的，而實際使用中鋼芯帶已經(jīng)出現(xiàn)磨損，且重量降低明顯，編織帶是新帶面沒有磨損，因此以上計算僅作為理論依據(jù)，與實際結(jié)果會存在一定差距。

3.2 實際能耗分析對比

能耗記錄分析：選取帶面更換安裝前后10 d的數(shù)據(jù)進行對比，取每日設(shè)備運轉(zhuǎn)的平均轉(zhuǎn)矩和平均電流，參數(shù)見表1。

表1 膠帶機換帶面前后運行參數(shù)

注：鋼芯帶時間為2017年6月20日～6月28日，編織帶時間為2017年7月4日～7月16日；圖2各運行時間與之相同。

a-平均電流及轉(zhuǎn)矩百分比趨勢圖；b-運量趨勢圖圖2 運行趨勢圖

趨勢曲線分析：平均電流、轉(zhuǎn)矩和運量趨勢如圖2所示。由曲線帶面更換前后，膠帶機的轉(zhuǎn)矩和電流變化不大，但有升高的趨勢，從2017年7月4日至7月16日的平均電流為328.53，較更換前6月20日至6月28日提高10.70%，轉(zhuǎn)矩提高13.03%，前后兩段時間的日平均煤量分別為：45 542 t/日，45 036 t/日，煤量變化不大，噸煤耗電量見表2。能耗提高的原因可能與煤量統(tǒng)計不準(zhǔn)確，或芯帶面磨損單位重量較輕且壓線阻力較低有一定關(guān)系。

空載能耗分析：由于重載時影響數(shù)據(jù)的因素較多，比如每天煤量沒有準(zhǔn)確值，對比的時間不同帶面的瞬時煤量也無法確定，這些原因都影響測量的準(zhǔn)確性，唯有空載時對比才是最能直接地體現(xiàn)出膠帶機在不同帶面下所消耗功率的差別，見表3。由該表可以看出當(dāng)皮帶空載時平均電流升高0.7%，轉(zhuǎn)矩升高4.4%，因此編織帶在空載時不節(jié)能，與鋼芯帶相比，其帶面重量降低了30.8%，但卻并沒有節(jié)能，其原因有以下幾點：①鋼芯帶是舊帶面，磨損較嚴(yán)重，其現(xiàn)在每米的重量與編織帶接近，因此編織帶沒有了重量降低的優(yōu)勢；②編織帶是新帶面，其自身覆蓋層較厚，且在受力時壓陷幅值較大，因此壓線阻力相對較大。

表2 噸煤耗電量

表3 空載能耗

4 結(jié)語

在膠帶機得到不斷發(fā)展革新的今天，大膽的嘗試和突破固有技術(shù)愈發(fā)重要，膠帶機運輸技術(shù)節(jié)能水平的提高，可有效地為綠色礦井建設(shè)提供良好、穩(wěn)定、安全的技術(shù)支撐。