周廣宇，賈秋勝，劉銀，高沖

(1.新汶礦業(yè)集團(tuán)(伊犁)能源公司， 新疆 伊寧 835000； 2.山東科技大學(xué)， 山東 青島 266590)

0 引言

隨著我國(guó)高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井的建設(shè)，工作面順槽長(zhǎng)距離大運(yùn)量可伸縮帶式輸送機(jī)已廣泛應(yīng)用于煤礦井下輸送，這種運(yùn)輸設(shè)備的最大特點(diǎn)是使生產(chǎn)系統(tǒng)更加緊湊、集中和合理。受采區(qū)布置的影響，下運(yùn)工況的帶式輸送機(jī)不斷被應(yīng)用。由于下運(yùn)帶式輸送機(jī)的張力分布、驅(qū)動(dòng)方式、制動(dòng)方式等具有特殊性，所以其工況研究及應(yīng)用顯得尤為重要[1]。

伊犁四號(hào)礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.00 Mt/a，采區(qū)工作面運(yùn)輸順槽帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)為下運(yùn)帶式輸送機(jī)，運(yùn)量2 500 t/h，帶速4 m/s，運(yùn)距1 800 m，巷道無起伏，為連續(xù)下山，平均坡度為-6°，提升高度為-190 m。本文針對(duì)下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)的特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，采用最新技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，著重解決長(zhǎng)距離大運(yùn)量下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難題及可能存在的超速、打滑、飛車等事故，以確保其安全、可靠運(yùn)行。

1 系統(tǒng)工況分析

常規(guī)帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)原則是傳動(dòng)裝置應(yīng)設(shè)置在高張力處，以提高傳動(dòng)滾筒的傳動(dòng)效率；而張緊裝置應(yīng)設(shè)置在低張力處，且張緊力應(yīng)為主動(dòng)張緊，以降低張緊裝置的初張力和膠帶的最大張力。因此，從設(shè)計(jì)的合理性出發(fā)，該帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)布置在帶式輸送機(jī)的上方，而張緊裝置應(yīng)布置在帶式輸送機(jī)的下方。這是目前常規(guī)固定型下運(yùn)帶式輸送機(jī)的布置方式。但采煤工藝的特殊性決定了該帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)裝置必須布置在下方。這就是下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)的矛盾所在，也是下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)的技術(shù)難題。它不能按照常規(guī)的固定型下運(yùn)帶式輸送機(jī)或上運(yùn)(或平運(yùn))可伸縮帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)布置方式來考慮[2]。

下運(yùn)帶式輸送機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)為發(fā)電工況，其物料的下滑力特別大。電動(dòng)機(jī)為發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行工況，將電動(dòng)機(jī)電量回饋于電網(wǎng)，使帶式輸送機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)裝置與驅(qū)動(dòng)裝置必須布置在帶式輸送機(jī)的下方，即帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)裝置與驅(qū)動(dòng)裝置布置在帶式輸送機(jī)的最低張力處，而帶式輸送機(jī)的機(jī)尾處于最高張力點(diǎn)。為降低張緊裝置的張緊力，不得不把張緊裝置的位置前移。圖1為下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)的常規(guī)設(shè)計(jì)布置方式。

圖1 下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)的常規(guī)設(shè)計(jì)布置方式

通過帶式輸送機(jī)張力分布計(jì)算不同工況下輸送帶張力分布值[3],結(jié)果如表1所示(傳動(dòng)滾筒圓周力配比為1∶1)。

表1 最大發(fā)電工況與最大電動(dòng)工況的張力分布值

這種布置方式僅僅減小了所需張緊裝置的張緊力，符合了帶式輸送機(jī)對(duì)張緊裝置張緊力的要求。但由于傳動(dòng)裝置位置的原因，其設(shè)計(jì)方法依然是行不通的。輸送帶張力特別大，使帶式輸送機(jī)的制動(dòng)控制及其輸送帶強(qiáng)度等不能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)方案及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 驅(qū)動(dòng)方式

根據(jù)分析計(jì)算，當(dāng)帶式輸送機(jī)重載運(yùn)行時(shí)，其物料的下滑力特別大，在物料重力的作用下輸送帶自發(fā)向下運(yùn)行。這時(shí)帶式輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，物料的勢(shì)能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，其驅(qū)動(dòng)方式不能采用調(diào)速型液力偶合器或液粘裝置，否則無法快速實(shí)現(xiàn)同步投入和同步斷開。為了保證帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行，并充分利用再生能源，需采用四象限變頻器進(jìn)行帶式輸送機(jī)的控制。下運(yùn)帶式輸送機(jī)采用四象限變頻調(diào)速裝置可以實(shí)現(xiàn)可控起車、調(diào)速和功率平衡等控制要求；同時(shí)，電動(dòng)機(jī)反向發(fā)電制動(dòng)產(chǎn)生的電能經(jīng)濾波器消除諧波后，通過回饋單元將電能回饋到電網(wǎng)，既保證了帶式輸送機(jī)的安全運(yùn)行，又再生了能源。

2.2 可控制動(dòng)停車分析

當(dāng)大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，物料在重力作用下產(chǎn)生的下滑分力主要由電動(dòng)機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的制動(dòng)力來平衡。當(dāng)停機(jī)制動(dòng)或采區(qū)突然停電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力消失，物料在重力作用下產(chǎn)生的下滑分力和物料的慣性力都將作用在制動(dòng)系統(tǒng)上。如果沒有合適、可靠的制動(dòng)系統(tǒng)，有可能造成飛車、打滑、滾料等事故[4]。

該帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)采用雙系統(tǒng)比例液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)控制，使帶式輸送機(jī)在重載正常停車時(shí)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動(dòng)停車，尤其保證了非正常停車時(shí)的平穩(wěn)制動(dòng)停車。制動(dòng)系統(tǒng)分為控制部分、信號(hào)傳感反饋部分和制動(dòng)部分。控制部分得到制動(dòng)指令信號(hào)，通過發(fā)出定值電流與壓力信號(hào)傳感的反饋緩慢調(diào)節(jié)比例閥電流到0 A，使比例閥開口逐漸變小，制動(dòng)壓力緩慢降到0 MPa，制動(dòng)器抱閘完畢，停止制動(dòng)泵電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)制動(dòng)過程。通過調(diào)整比例閥電流的減速時(shí)間，使制動(dòng)時(shí)間控制在40 s內(nèi)，制動(dòng)減速度控制在0.1 m/s2。在整個(gè)制動(dòng)過程中，制動(dòng)器負(fù)荷逐漸增大，可滿足阻尼制動(dòng)的要求。當(dāng)系統(tǒng)突然斷電時(shí)，電磁換向閥失電復(fù)位，溢流閥和調(diào)速閥投入使用。通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥的開度在最佳范圍內(nèi)，使減速時(shí)間控制在25 s左右，制動(dòng)減速度約為0.16 m/s2，也可滿足阻尼制動(dòng)的要求。

2.3 阻尼技術(shù)

該帶式輸送機(jī)屬于比較典型的大型下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)，超越了常規(guī)的帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法。要解決大型下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)最可靠、最切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方法，便是采用阻尼技術(shù)。

當(dāng)帶式輸送機(jī)向下運(yùn)行時(shí)，設(shè)法采用阻尼技術(shù)來平衡物料的下滑力，即設(shè)置一種有效的專用阻尼裝置與帶式輸送帶之間形成滑動(dòng)摩擦力(即阻尼力)，其阻尼系數(shù)遠(yuǎn)大于帶式輸送機(jī)的運(yùn)行阻力系數(shù)。通過適當(dāng)調(diào)整阻尼板的數(shù)量和對(duì)輸送帶的接觸壓力小，可以使阻尼裝置產(chǎn)生的阻尼力抵消被輸送物料產(chǎn)生的下滑力，使帶式輸送機(jī)變發(fā)電工況為電動(dòng)工況，既減小了驅(qū)動(dòng)裝置所需的電動(dòng)機(jī)功率，又降低了輸送帶的張力。

阻尼裝置采用超高分子量聚乙烯材料制造的專用雙抗(阻燃、抗靜電)阻尼裝置，其安裝方式完全按照托輥安裝方式，其安裝數(shù)量取決于帶式輸送機(jī)的物料下滑力與帶式輸送機(jī)的運(yùn)行工況條件。阻尼裝置的作用是當(dāng)輸送帶在載荷狀態(tài)下，其下垂度增加，使輸送帶與阻尼裝置之間形成滑動(dòng)摩擦，產(chǎn)生摩擦阻力(即阻尼力)，且摩擦力與裝載量成正比，即裝載量越大，阻尼力越大。這與實(shí)際運(yùn)行工況要求是一致的。

阻尼裝置采用的超高分子量聚乙烯的分子量在200萬以上，摩擦因數(shù)μ≥0.3，分子團(tuán)呈飽和狀態(tài)，化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面活性很低，沒有在滑動(dòng)摩擦中產(chǎn)生分子黏著現(xiàn)象。另外，超高分子量聚乙烯的硬度低，不會(huì)對(duì)輸送帶造成剪切損傷，減小了摩擦發(fā)熱和表面撕裂。

該帶式輸送機(jī)阻尼裝置的阻尼力FN為：

FN=μLNgqcosβ

(1)

式中:LN為帶式輸送機(jī)鋪設(shè)的阻尼裝置長(zhǎng)度，m

設(shè)定帶式輸送機(jī)阻尼裝置的阻尼力等于物料的下滑力FX=gqH時(shí)，則有：

LN=H/μcosβ=190/0.3×cos 6°=636 m

(2)

該帶式輸送機(jī)的阻尼裝置設(shè)置長(zhǎng)度大于帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度的1/3，即運(yùn)距1 800 m，大約設(shè)置420套阻尼裝置可抵消全部物料的下滑力。同時(shí),為克服重載緊急停車時(shí)卸載點(diǎn)張力下降的影響，在卸載裝置與傳動(dòng)裝置之間1套增加重錘張緊裝置。根據(jù)計(jì)算合理配置配重大小，保證卸載裝置回徑段恒張力，消除驅(qū)動(dòng)部打滑的風(fēng)險(xiǎn)?？傮w設(shè)計(jì)布置方案見圖2。

圖2 改造后的總體設(shè)計(jì)布置方案

此時(shí)，帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)功率及其輸送帶張力計(jì)算結(jié)果如表2所示(傳動(dòng)滾筒圓周力配比為1∶1)。

表2 帶式輸送機(jī)采用阻尼裝置的張力分布值

采用阻尼裝置后，運(yùn)行工況大大改變，張緊裝置張緊力、電動(dòng)機(jī)功率及輸送帶張力下降特別明顯，最大電動(dòng)機(jī)功率788 kW，輸送帶最大張力315 kN，為輸送機(jī)正常運(yùn)行創(chuàng)造了條件，并可實(shí)現(xiàn)可控制動(dòng)與停車。

2.4 電控系統(tǒng)

下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)采用四象限變頻器驅(qū)動(dòng)，采用變頻快速絞車進(jìn)行儲(chǔ)帶倉張緊，采用可控盤式制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)，加之驅(qū)動(dòng)數(shù)量多，附屬電氣設(shè)備多，相互之間時(shí)間上配合關(guān)系較復(fù)雜，工況較多。其電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)顯得尤為重要。結(jié)合實(shí)際，共有以下幾種主要控制邏輯[5]。

1) 正?？蛰d起停車，開啟盤閘，閘開信號(hào)返回后，給出變頻器啟動(dòng)信號(hào)，帶式輸送機(jī)運(yùn)行；停車時(shí)，先給出盤閘及變頻器停止信號(hào)，盤閘在比例閥作用下緩慢降為0 MPa，變頻器在可控方式下緩慢降為0 Hz，調(diào)整盤閘比例電流減速時(shí)間，使抱閘時(shí)間比變頻器減速時(shí)間長(zhǎng)約10 s。

2) 當(dāng)正常帶載起車時(shí)，開啟盤閘，受物料下滑力的影響，在閘開信號(hào)未返回前，帶式輸送機(jī)在重力作用下開始向下運(yùn)行。若等待閘開信號(hào)返回后啟動(dòng)

變頻器將造成主從機(jī)功率不平衡、系統(tǒng)故障停車。因此，在電控程序設(shè)計(jì)中增加條件——開啟盤閘，膠帶監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)速后，即給出變頻器啟動(dòng)信號(hào)。

3) 當(dāng)異常帶載停車(失電狀態(tài))時(shí)，監(jiān)測(cè)盤閘及變頻器運(yùn)行信號(hào)消失，系統(tǒng)給出變頻自動(dòng)張緊停車信號(hào)，依靠盤式制動(dòng)器的固定延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)安全停車，減加速度控制在0.2 m/s2。

3 結(jié)語

長(zhǎng)距離大運(yùn)量下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)為發(fā)電工況，通過合理設(shè)置阻尼裝置，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)及張緊形式，在可控制動(dòng)、自動(dòng)張緊及電控方式實(shí)現(xiàn)自平衡，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)。伊犁四礦長(zhǎng)距離大運(yùn)量下運(yùn)可伸縮帶式輸送機(jī)自安裝投入生產(chǎn)以來，各項(xiàng)性能良好，達(dá)到了安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求。