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        露天礦井帶式輸送機(jī)運(yùn)行阻力與功率消耗因素研究分析

        2021-04-05 15:06:58魏永輝
        中國金屬通報(bào) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:摩擦阻力托輥指代

        魏永輝

        (伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 伊寧 835100)

        帶式輸送機(jī)是由摩擦提供驅(qū)動力,從而達(dá)到連續(xù)輸送目的的機(jī)械,目前,主要被用來對物料/物品進(jìn)行輸送,在煤礦等領(lǐng)域均得到了廣泛運(yùn)用。隨著使用次數(shù)的增加,越來越多人開始注意到輸送機(jī)較易出現(xiàn)能源浪費(fèi)的問題,基于節(jié)能減排視角,對上述問題成因加以分析,其現(xiàn)實(shí)意義有目共睹。

        1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

        1.1 輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

        輸送機(jī)作用主要是將輸送帶一端的物料向另一端進(jìn)行輸送。目前,大部分露天煤礦所用輸送機(jī),均包括托輥、輸送帶以及驅(qū)動裝置等部分,接下來,筆者將逐一對各部分作用進(jìn)行介紹。

        托輥被用來對輸送帶物料進(jìn)行支撐,確保其能夠被輸送到相應(yīng)區(qū)域;輸送帶是物料輸送所依托載體;驅(qū)動裝置的作用,主要是為輸送機(jī)提供動力;儲帶裝置的存在,能夠確保多余皮帶得到有效保管與利用;拉緊裝置存在的意義,則是避免滾筒、皮帶間摩擦力過小,導(dǎo)致打滑等問題出現(xiàn)[1]。

        1.2 運(yùn)行原理概述

        組成帶式輸送機(jī)的構(gòu)件,主要是滾筒還有閉合輸送帶。通過將皮帶緊套在滾筒上的方式,確保所構(gòu)成環(huán)形完全封閉,且滾筒與皮帶間存在較大摩擦力。在驅(qū)動滾筒持續(xù)運(yùn)行時,上述摩擦力的存在,可確保輸送帶始終處于運(yùn)行狀態(tài),物料自然能夠得到高效輸送。對輸送機(jī)來說,輸送帶扮演著牽引機(jī)構(gòu)和承載機(jī)構(gòu)的角色,其作用是對物料進(jìn)行輸送,要想確保牽引力達(dá)到理想狀態(tài),關(guān)鍵是借助張緊裝置,對滾筒、皮帶做張緊處理,通過增加摩擦力的方式,為牽引力提供保證。此外,對輸送機(jī)能力加以衡量的依據(jù),通常是圍包角和摩擦系數(shù),由此可見,確保輸送機(jī)發(fā)揮出應(yīng)有作用的前提,便是以實(shí)際情況為依據(jù),對阻力與摩擦力加以調(diào)整。

        2 輸送機(jī)運(yùn)行所受阻力分析

        對處于運(yùn)行狀態(tài)的輸送機(jī)而言,可能使其運(yùn)行受阻的阻力,通常分為主要阻力/次要阻力/其他阻力,下文將逐一進(jìn)行介紹,供相關(guān)人員參考。

        2.1 主要阻力

        輸送帶中間段發(fā)生的阻力為主要阻力,簡單來說,就是利用輸送機(jī)對煤炭進(jìn)行輸送時,受物料、托輥與輸送帶存在相互作用影響所形成阻力。對強(qiáng)調(diào)長距離輸送的煤礦輸送機(jī)而言,主要阻力是無法被忽視的部分,其占比通常大于其他阻力因素之和。

        結(jié)合輸送帶運(yùn)行情況不難看出,主要阻力往往可被分為擠壓阻力、運(yùn)行阻力、壓陷阻力和擺動阻力。擠壓阻力的成因是輸送帶為懸垂曲線,還有物料存在粘結(jié)力與摩擦力,由此可見,擠壓阻力既與物料特性相關(guān),還與輸送帶張力及載荷相關(guān),輸送帶垂度往往會隨著張力的增加而減小,此時,物料被拉伸或擠壓的情況有所緩和,阻力自然較小。運(yùn)行阻力與密封阻力、摩擦阻力密切相關(guān),其中,占據(jù)主導(dǎo)位置的是密封阻力,除特殊情況外,運(yùn)行阻力均由托輥轉(zhuǎn)速及荷載所決定。壓陷阻力出現(xiàn)的原因,主要是輸送帶有硬度及彈性存在,若外界所施加重力的不斷增加,輸送帶便會與托輥重合,隨著重合部分向前行進(jìn),運(yùn)行阻力出現(xiàn)。這里要明確一點(diǎn),該阻力并不受輸送帶張力影響。通過上文的敘述可知,輸送帶為懸垂曲線,在輸送帶通過有托輥存在的區(qū)域時,將會被托輥反復(fù)彎曲,而反復(fù)彎曲所形成阻力,即為擺動阻力。

        2.2 次要阻力

        在驅(qū)動站/改向站部件上發(fā)生的阻力,通常為次要阻力。首先是基于裝料點(diǎn)對物料進(jìn)行加速處理而帶來阻力,還有輸送帶和物料間存在的摩擦阻力。在到達(dá)輸送帶前,物料往往具有不同于輸送帶的運(yùn)行方向及速度,這也是投影速度形成的原因[2]。除特殊情況外,物料速度均較輸送帶速度更小,此時,就需要輸送帶對物料做加速處理,確保二者同時運(yùn)行。若二者運(yùn)行速度存在較大差異,便會有相對摩擦出現(xiàn),無論是摩擦,還是上文提到的加速力量,均屬于典型的運(yùn)行阻力。其次是處于加速區(qū)域的物料和導(dǎo)料板間存在的摩擦阻力。導(dǎo)料板往往需要承受較大壓力,當(dāng)物料處于運(yùn)動狀態(tài)時,必然會有摩擦阻力出現(xiàn),有關(guān)人員可利用現(xiàn)有公式,對摩擦阻力進(jìn)行計(jì)算。再次是輸送帶清掃器運(yùn)行帶來摩擦阻力。要想對輸送帶煤渣進(jìn)行有效清理,關(guān)鍵是對清掃器施加壓力,摩擦阻力隨之形成。最后是改向阻力。帶式輸送機(jī)所用輸送帶,其塑性及彈性相對固定,如果輸送帶有改向需求,先要進(jìn)行彎曲,再拉直,要想使輸送帶彎曲,通常要向其輸入較多能量,隨后,通過釋放儲存能量的方式,確保輸送帶能夠被拉直。這里要明確一點(diǎn),輸送帶彈性有限,這也導(dǎo)致其所釋放能量往往無法與輸入能量持平,能量被消耗的情況無法避免。而所消耗能量的外在表現(xiàn),便是改向阻力。

        2.3 其他阻力

        作為出現(xiàn)頻率較低的阻力,對帶式輸送機(jī)而言,其他阻力主要是指特殊阻力與附加阻力。

        第一,并非全部帶式輸送都有特殊阻力存在,只有輸送機(jī)增加了某些裝置,才能夠出現(xiàn)特殊阻力。對處于正常運(yùn)行狀態(tài)的輸送機(jī)而言,該阻力出現(xiàn)的概率極低,因此,下文在對運(yùn)行阻力進(jìn)行計(jì)算時,默認(rèn)忽略特殊阻力所帶來影響。

        第二,附加阻力往往是指落料阻力和轉(zhuǎn)動阻力,對強(qiáng)調(diào)高帶速與大運(yùn)量的煤礦輸送機(jī)來說,該阻力同樣可以選擇忽略。

        3 功率消耗核心因素與計(jì)算

        基于露天煤礦開采開展設(shè)計(jì)工作,有關(guān)人員往往以礦井輸送力、生產(chǎn)力為主要依據(jù),對帶式輸送機(jī)加以選擇。在強(qiáng)調(diào)高帶速、長距離與大運(yùn)量運(yùn)行的當(dāng)下,運(yùn)行速度固定的傳統(tǒng)輸送機(jī),要想長期處于正常運(yùn)行狀態(tài),通常要消耗大量功率,這并不符合現(xiàn)代社會倡導(dǎo)的節(jié)能減排,要想使該問題得到有效解決,關(guān)鍵是明確輸送機(jī)消耗功率的因素,從而有針對性的提出優(yōu)化方案。

        3.1 影響因素

        即便是處于正常運(yùn)行狀態(tài)的輸送機(jī),帶上煤流量也并不穩(wěn)定,這便是輸送機(jī)負(fù)載頻繁出現(xiàn)變化的原因,由此可見,要想減少輸送機(jī)所消耗能源,確保其擁有更為理想的運(yùn)行效率,前提是全面分析運(yùn)行工況,

        礦用帶式輸送機(jī)的特點(diǎn),主要是高帶速、長距離與大運(yùn)量,因此,給輸送機(jī)運(yùn)行帶來阻力較小的特殊阻力、附加阻力,除特殊情況外,有關(guān)人員均可對其進(jìn)行忽略?;诖?,從理論上說,對輸送機(jī)運(yùn)行所需牽引力進(jìn)行計(jì)算的公式為:在 式 中,Wk用來指代回程基本阻力。Wz用來指代承重基本阻力。Wq用來指代傾斜阻力。q用來指代物料密度,單位是kg/m。iq′用來指代回程旋轉(zhuǎn)線密度,單位是kg/m。q i′用來指代承重旋轉(zhuǎn)線密度,單位同上。qd用來指代輸送帶密度,單位同上。g用來指代重力加速度,單位是m/s2。β用來指代巷道斜角,單位是°,如果輸送機(jī)為向上輸送,那么,巷道斜角為正,若輸送機(jī)需要向下輸送,則巷道斜角的數(shù)值為負(fù)。fi用來指代承重阻力系數(shù)。li用來指代輸送帶具體長度,單位是m。ci用來指代相關(guān)系數(shù)。f0i用來指代無關(guān)系數(shù)。

        另外,在確定消耗因素時,有關(guān)人員還要掌握以下公式:

        在式中,Q用來指代煤流量,單位是t/h。將上述公式結(jié)合后可知,可能給功率帶來影響的因素,主要為qd/qi′/qi′/fi/li/β/Q/v。對帶式傳輸機(jī)而言,在上述因素中,qd/qi′/qi′′/li/β均有固定值對應(yīng),另外,fi為速度函數(shù)。因此,對輸送機(jī)所消耗功率起決定作用的因素,主要是Q和v,其中,v代表輸送機(jī)實(shí)際帶速。

        3.2 影響因素匹配分析

        除特殊情況外,對特定輸送機(jī)所消耗功率有直接影響的因素為v、Q。如果輸送機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài),那么,Q相對穩(wěn)定,此時,功率和v成正比,也就是說,如果v提高,該輸送機(jī)的功率消耗量也會有所增加,反之,其功率消耗量會隨著帶速的降低而減少[3]。由于將輸送機(jī)帶速降低這一過程,通常會被帶強(qiáng)及帶寬所制約,因此,如果條件允許,有關(guān)人員應(yīng)以輸送機(jī)運(yùn)行可靠且安全為前提,酌情降低帶速,以此來達(dá)到節(jié)能的最終目的。

        研究表明,要想使輸送機(jī)表現(xiàn)出理想的安全性,前提是確保輸送帶張力始終處于安全系數(shù)所界定范圍內(nèi),這也給有關(guān)人員提出了全新要求,即:以輸送帶具備長期、穩(wěn)定運(yùn)行的條件為前提,通過調(diào)整運(yùn)行速度的方式,避免大量功率被不必要消耗的情況出現(xiàn)。

        如果輸送機(jī)運(yùn)行正常,此時,皮帶承受物料密度的最大值為qm,而用來描述Q和v的關(guān)系的公式為:

        只要qm處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi),輸送機(jī)就能夠表現(xiàn)出理想的安全性。由此可見,基于帶強(qiáng)得到滿足,對輸送機(jī)速度加以調(diào)整,可確保v隨Q變化而出現(xiàn)變化。若Q是0,那么,v同樣為0。對處于正常運(yùn)行狀態(tài)的輸送機(jī)而言,要想避免Q過小的情況出現(xiàn),最應(yīng)當(dāng)注意的就是減少輸送機(jī)啟停次數(shù),若輸送機(jī)Q過小,此時,有關(guān)人員可將其與最小值畫上等號,為后續(xù)工作的開展提供便利。在輸送機(jī)運(yùn)行正常的前提下,給煤量往往處于αQM的范圍,且%,要想達(dá)到節(jié)能的最終目的,關(guān)鍵是最大程度避免qm出現(xiàn)變化,那么:

        圖1是此時Q和v所對應(yīng)變化關(guān)系[4]。

        圖1 Q和v的關(guān)系

        如果Q出現(xiàn)明顯降低,有關(guān)人員可選擇對變頻器頻率進(jìn)行減小的方式,確保Q和v所對應(yīng)匹配關(guān)系能夠達(dá)到理想狀態(tài)。同樣,如果Q在短時間內(nèi)大幅增加,只有對v進(jìn)行增加,確保二者匹配科學(xué)且合理,才能取得理想的節(jié)能效果。

        綜上所述,在對輸送機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時,有關(guān)人員應(yīng)以實(shí)際情況為依據(jù),對富裕量進(jìn)行預(yù)留,當(dāng)輸送機(jī)投入使用后,多數(shù)時間均不會出現(xiàn)達(dá)到設(shè)計(jì)最大值的情況,此時,僅需酌情增加填充率并減小帶速,便可使其功率損耗得到有效降低。

        4 結(jié)論

        上文對輸送機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,通過對運(yùn)行阻力、功率消耗加以分析的方式,明確在諸多因素中,給其功耗所帶來影響最為直觀的因素是煤流量和帶速,在此基礎(chǔ)上,又圍繞二者的匹配關(guān)系展開了討論。希望能為日后節(jié)能工作的落實(shí)提供幫助,在保證輸送機(jī)保有理想狀態(tài)的前提下,最大程度減少其所消耗能源,使節(jié)能減排目標(biāo)具備達(dá)成的先決條件。

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