丁愛國(guó)，趙 奇，張 濤

(1.大同煤礦集團(tuán)朔州煤電機(jī)電裝備制造有限公司，山西 朔州 036000；2.大同煤礦集團(tuán)朔州煤電小峪煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000；3.大同煤礦集團(tuán)朔州煤電機(jī)電裝備制造有限公司，山西 朔州 036000)

0 引 言

目前，煤礦傳統(tǒng)皮帶運(yùn)輸巷采用三相異步電動(dòng)機(jī)+聯(lián)軸器+減速機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這樣傳統(tǒng)皮帶機(jī)電機(jī)通過(guò)減速機(jī)傳動(dòng)給滾筒的模式用于力矩傳輸,使用減速機(jī)和對(duì)輪力矩在傳遞過(guò)程中損失約為 10%～15%，且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的55%，而采用一體永磁電滾筒可以將傳遞過(guò)程的損失降為0，且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的220% ,當(dāng)工況需要滿載或過(guò)載啟動(dòng)時(shí),無(wú)需人工卸載即可直接啟動(dòng),從而避免了因堵轉(zhuǎn)、過(guò)載造成的電機(jī)損壞，提高傳動(dòng)效率，達(dá)到節(jié)能目的。筆者通過(guò)對(duì)永磁滾筒電機(jī)進(jìn)行選型、驅(qū)動(dòng)架設(shè)計(jì)，得出了驅(qū)動(dòng)布置方式為三驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)架采用兩個(gè)倒L型結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到了皮帶運(yùn)輸機(jī)能夠安全高效運(yùn)行的目的，解決了原來(lái)驅(qū)動(dòng)部采用電機(jī)、液力耦合器、減速機(jī)的低效率驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)備穩(wěn)裝占用空間大等問(wèn)題。

1 永磁電滾筒在皮帶運(yùn)輸機(jī)上的選型計(jì)算方法

驅(qū)動(dòng)部是皮帶運(yùn)輸機(jī)的關(guān)鍵部位，肩負(fù)著能否拉出煤的重任，因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)部的選型計(jì)算顯得尤為重要，為了提高傳動(dòng)效率、節(jié)能環(huán)保、維護(hù)成本低以及減少穩(wěn)裝占用空間，因此本文驅(qū)動(dòng)部選用永磁電滾筒。

1.1 某礦原始參數(shù)

(1) 輸送物料：煤

(2) 物料特性：①塊度：0～300 mm；②散裝密度：ρ=0.85 t/m3；③在輸送帶上堆積角：ρ=35°；④物料溫度：小于50 ℃。

(3)工作環(huán)境：井下

(4)輸送系統(tǒng)及相關(guān)尺寸：①運(yùn)距：L=1 900 m；②傾斜角：β=0.1°；③最大運(yùn)量：Q=2 000 t/h。

初步確定輸送機(jī)布置形式為多個(gè)滾筒驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)圖1,2,3.驅(qū)動(dòng)滾筒

1.2 永磁滾筒直驅(qū)電機(jī)選型方法

永磁滾筒直驅(qū)電機(jī)在皮帶機(jī)帶寬、帶速選擇上與普通電機(jī)方法一致，此處不再論述。經(jīng)計(jì)算皮帶機(jī)最大帶速為4 m/s，帶寬為1.2 m。

傳動(dòng)滾筒上所需圓周驅(qū)動(dòng)力為：Fu=158 720 N。

1.2.1 傳動(dòng)功率計(jì)算

傳動(dòng)滾筒軸功率PA：

(1)

電動(dòng)機(jī)功率PM：

(2)

式中：η為傳動(dòng)效率，一般在0.85～0.95之間選??；永磁滾筒電機(jī)功率因數(shù)可達(dá)0.95，且沒有聯(lián)軸器、減速器等其他機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以η1、η2都為1，這是與異步電機(jī)的計(jì)算的主要區(qū)別。η1為聯(lián)軸器效率，按1計(jì)算。η2為減速器傳動(dòng)效率，按每級(jí)齒輪傳動(dòng)效率，按1計(jì)算。η′為電壓降系數(shù)，一般取0.90～0.95。η″為多電機(jī)功率不平衡系數(shù)，一般取0.90～0.95，單驅(qū)動(dòng)時(shí)，η″=1。

根據(jù)計(jì)算出的PM值，選定電動(dòng)機(jī)功率。選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為額定功率P=315 kW，數(shù)量3臺(tái)。若按異步電機(jī)結(jié)構(gòu)方式計(jì)算，功率至少在1 000 kW，可見永磁滾筒電機(jī)效率明顯高于普通電機(jī)。

2 永磁滾筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)架設(shè)計(jì)

目前煤礦井下可伸縮皮帶驅(qū)動(dòng)機(jī)架設(shè)計(jì)形式主要有三角架、倒T型架，L型架。三角架結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，但是傾斜安裝，因永磁滾筒接線腔的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致永磁滾筒電機(jī)接線喇叭嘴也傾斜放置。倒T型架適用于L型瓦座的滾筒，不適合永磁滾筒電機(jī)。L型結(jié)構(gòu)利于滾筒高低調(diào)節(jié)，易于和后面驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一，為此設(shè)計(jì)選用L型結(jié)構(gòu)。

3 驅(qū)動(dòng)部設(shè)計(jì)計(jì)算

針對(duì)永磁滾筒電機(jī)的特性和多驅(qū)動(dòng)布置分析，最終設(shè)計(jì)為兩個(gè)倒L型驅(qū)動(dòng)架結(jié)構(gòu)形式，前部安裝兩個(gè)永磁滾筒電機(jī)，后部安裝一部永磁滾筒電機(jī)和一個(gè)改向滾筒。驅(qū)動(dòng)架以16 mm和20 mm厚的Q235鋼板焊接，通過(guò)螺栓連接在底座上，以此為模型進(jìn)行力學(xué)分析。

驅(qū)動(dòng)架主要受到瓦座螺栓預(yù)緊力、永磁滾筒電機(jī)瓦座對(duì)驅(qū)動(dòng)架產(chǎn)生的摩擦力,所有瓦座接觸面的摩擦力等于永磁滾筒電機(jī)的重力(32 500 N)、皮帶對(duì)滾筒張緊力從而對(duì)驅(qū)動(dòng)架產(chǎn)生的壓力、底部螺栓拉力。其中皮帶最大張緊力為30 kN，則一個(gè)永磁電機(jī)滾筒瓦座對(duì)驅(qū)動(dòng)架的壓力為60 kN，單個(gè)瓦座受力為30 kN，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)架受力分析

4 驅(qū)動(dòng)架連接計(jì)算

驅(qū)動(dòng)架與底座以3組6顆M26螺栓連接計(jì)算，對(duì)稱分布。當(dāng)皮帶產(chǎn)生張力時(shí)，驅(qū)動(dòng)架受螺栓拉力，地面阻轉(zhuǎn)力F產(chǎn)生的載荷Q,等效力矩為L(zhǎng)。設(shè)O點(diǎn)為支點(diǎn)，螺栓拉力距離O點(diǎn)為作用距離L3，則因皮帶張力兩永磁滾筒產(chǎn)生的壓力力矩分別是L1、L2。兩滾筒中心線距離差可達(dá)1 m，計(jì)算時(shí)按最大力矩差驗(yàn)算。地面對(duì)驅(qū)動(dòng)架合力方向向上：L3=450 mm，L3a=400 mm。

皮帶未張緊時(shí)受力：

F支持力+2f+G=0

當(dāng)受皮帶張力時(shí)：

F1+F2+F3+F+F支持力+2f+G=0

F1+F2=0,F+F3=0

F1×L1+F2×L2+F3×L3a+M=0

單個(gè)螺栓拉力為：

F3×L3a×2+M=F1×(L2-L1)

F3=480 000 N

M26 8.8級(jí)的高強(qiáng)度螺栓(抗拉強(qiáng)度800 MPa)。所以3組6顆M26螺栓滿足使用要求，但為增加安全系數(shù)，設(shè)計(jì)以5組10顆M26螺栓連接，可獲得更大的安全系數(shù)。

5 驅(qū)動(dòng)架數(shù)值模擬分析及再優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)驅(qū)動(dòng)架進(jìn)行受力分析，因底座螺栓連接，為簡(jiǎn)化模型，將底座設(shè)為固定體，按受力簡(jiǎn)圖，建立模型，在ANSYS計(jì)算軟件中按條件添加約束，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分和計(jì)算，計(jì)算應(yīng)力和形變。由有限元計(jì)算可見最大應(yīng)力處為125.27 MPa，在瓦架座鋼板邊緣處，如圖3所示。Q235需用應(yīng)力170 MPa，可以滿足使用。為了更加減小應(yīng)力，我們重新設(shè)計(jì)筋板位置，以達(dá)到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

圖3 模型應(yīng)力及形變圖

6 驅(qū)動(dòng)部安裝設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)部實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)部實(shí)物圖

驅(qū)動(dòng)部安裝永磁滾筒，重量大，承受膠帶張力大。特別是永磁滾筒電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，即便是低速時(shí)也輸出較大的扭矩，地面受力較大。在實(shí)際安裝調(diào)試過(guò)程中，也確實(shí)證實(shí)在電機(jī)啟動(dòng)共振點(diǎn)處，地面容易發(fā)生震顫，所有要建立穩(wěn)定的固定基座。此處設(shè)計(jì)以1 200×2 920×11 000 mm的混凝土澆筑基座，通過(guò)14個(gè)M32*1000的高強(qiáng)度地腳螺栓緊固，以地腳螺栓500 MPa拉力計(jì)算，緊固力可達(dá)562.6 kN。按設(shè)計(jì)施工安裝后，在實(shí)際使用中取得了良好的效果。電機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定，過(guò)共振點(diǎn)后運(yùn)行平穩(wěn)。

7 結(jié) 語(yǔ)

皮帶運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)部采用永磁電滾筒的驅(qū)動(dòng)方式，可獲得相當(dāng)可觀的節(jié)能效果，對(duì)驅(qū)動(dòng)架進(jìn)行設(shè)計(jì)，減小了驅(qū)動(dòng)架的占用空間，在國(guó)家煤礦資源整合的大環(huán)境下，大量煤礦需要改造成具有機(jī)械化、自動(dòng)化的高效礦井，對(duì)大功率、節(jié)能高效提出很高的要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)部的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，此次通過(guò)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)分析，最終加工出的驅(qū)動(dòng)架滿足生產(chǎn)要求，運(yùn)行良好，市場(chǎng)前景廣闊。