史智杰

（1.太原重型機械集團有限公司，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024）

引言

排巖機是露天礦開采工藝中的重要設備（見圖1），隨著國內(nèi)工業(yè)自動化及露天開采技術(shù)的發(fā)展，排巖機在國內(nèi)得到廣泛應用。排料臂輸送系統(tǒng)關(guān)乎排巖機的生產(chǎn)能力，排料臂輸送機驅(qū)動電機的選擇十分重要，選擇合適的驅(qū)動電機既可以有效地使排巖機工作，又可以節(jié)約能源，避免浪費。本文根據(jù)排巖機的工作環(huán)境和狀況，計算輸送機輸送物料時受到的各種阻力，初步確定了排料臂輸送機驅(qū)動電機的功率，為4 500 t/h型排巖機排料臂輸送系統(tǒng)驅(qū)動電機的選型提供理論依據(jù)。

1 排料臂輸送機運行阻力計算

4 500 t/h 型排巖機排料臂輸送系統(tǒng)的主要工作參數(shù)，見表1。

表1 排料臂輸送機主要參數(shù)

根據(jù)國家標準GB 50431—2008，若帶式輸送機正功率工作，計算輸送機驅(qū)動電機所需要的功率，應按下式計算[1]：

式中：PM為驅(qū)動電機所需運行功率，kW；PA為傳動滾筒所需運行功率，kW；FU為傳動滾筒所需圓周力，N；v為輸送帶帶速，m/s；η1為系統(tǒng)綜合傳動效率，一般取0.85～0.95。

以排料臂上排時仰角達到最大的工況確定輸送機驅(qū)動電機的功率，需先確定輸送機在運行過程中各種作用力，不考慮特種阻力，則傳動滾筒所需圓周力主要由以下幾部分組成：

式中：FH為主要阻力，N；FN為附加阻力，N；FSt為傾斜阻力，N。

1.1 主要阻力FH

式中：qRO為承載分支每米托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，取280.6 kg；qRU為回程分支每米托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，取46.7 kg；qB為每米輸送帶質(zhì)量，取468 kg；qG為每米巖土物料質(zhì)量，取312.5 kg；g 為重力加速度，m/s2；δ 為排料臂仰角，°；f 為模擬摩擦系數(shù)，取0.02；L 為輸送長度，m。將數(shù)值代入公式計算得FH=7 954 N。

1.2 附加阻力

如下頁公式（5）所示，附加阻力FN主要由物料加速時的慣性力和摩擦力FbA、加速段物料與導料槽間的摩擦阻力Ff、輸送帶纏繞阻力F1、軸承阻力Ft組成。其中輸送帶纏繞阻力F1可按1 500 N 估算、軸承阻力Ft可按450 N 估算。

式中：FN為附加阻力，N；FbA為物料加速時的慣性力和摩擦力，N；Ff為物料與導料槽間的摩擦阻力，N；F1為輸送帶纏繞阻力，N；Ft為軸承阻力，N。

式中：FbA為物料加速時的慣性力和摩擦力，N；Q 為排巖機每小時輸送能力，t/m3；v 為輸送機帶速，m/s；v0為落料點物料在輸送帶運行方向上的分速度，m/s；Iv為輸送機輸送量，m3/s。

擬運送的的物料為松散均質(zhì)干砂土，巖土密度ρ=1 470 kg/m3，輸送帶最大仰角δ′為13°，巖土物料經(jīng)過轉(zhuǎn)載點落到排料臂輸送機上，物料與輸送機頭罩碰撞后改變運行軌跡，轉(zhuǎn)載溜槽為豎直型，若忽略巖土顆粒之間的碰撞，巖土物料在此過程中的運動可以簡化為自由落體運動，此過程中物料水平方向上幾乎沒有分速度。根據(jù)公式（6）、公式（7）可求物料加速時的慣性力和摩擦力得FbA=4 998 N。

式中：Ff為加速段巖土物料與導料槽間的摩擦阻力，N；μ2為物料與導料槽之間的摩擦系數(shù)，一般取0.5～0.7；lb為加速段導料槽長度，m；b1為導料槽寬度，m。

已知排料臂輸送機托輥組為三托輥式，帶寬B=1.6 m，托輥組側(cè)托輥軸線與水平線的夾角λ=35°，查表可知導料槽的寬度b1=1.2 m，摩擦系數(shù)μ2初選0.5，則巖土物料在輸送帶的靜摩擦力作用下勻加速至4 m/s，計算得加速段導料槽長度lb=1.6 m，將數(shù)據(jù)帶入公式（8）可求得加速段巖土物料與導料槽間的摩擦阻力Ff=1 477 N。將上述數(shù)據(jù)代入公式（5），可得附加阻力FN=4 998+1 477+1 500+4 50=8 425N。

1.3 傾斜阻力FSt

式中：H 為最大上排高度，m；L 為排料臂輸送機長度，取55 m；δ′為輸送帶最大仰角，取13°。

傾斜阻力是帶式輸送機向上運輸時為了克服重力將物料輸送到高處時受到的阻力。傾斜阻力要按照排料臂仰角最大的工況下進行計算，此時上排高度最大，最大上排高度為12.4 m，根據(jù)公式（9）可計算出傾斜阻力FSt=38 750 N。

1.4 運行阻力

考慮特種阻力，取放大系數(shù)1.2，則可得到運行阻力FU=1.2（FH+FN+FSt）=1.1×（7 954+8 425+38 750）=66 154 N。

2 電機功率計算及布置選型

取綜合傳動效率η1=0.9，將運行阻力FU、帶速v帶入上頁公式（2）并聯(lián)立公式（1），可得求得額定工作能力下驅(qū)動電機功率PM=294 kW。

2.1 電機選型

如圖2 所示，考慮到輸送機工作長度較短且要安裝在臂架上，為減輕重量及不必要的結(jié)構(gòu)，排巖機排料臂臂架設計較為緊湊，除中間安放輸送機外，兩側(cè)只留出不足半米的人員通道及欄桿，因此排料臂空間較為緊湊。如圖3 所示，傳統(tǒng)的驅(qū)動電機要實現(xiàn)調(diào)速變速還需要額外配備減速器、變速箱、耦合器等配套設備，體積大較笨重，不便于在排料臂上安裝使用。永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)相比，可在0 轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速之間進行無級調(diào)速，可省去齒輪變速箱、耦合器等裝置，實現(xiàn)對輸送機的直接驅(qū)動[2-3]；軟啟動、停機性能較好，調(diào)節(jié)范圍廣，結(jié)合PLC 控制技術(shù)提高輸送機運行的平穩(wěn)性和和啟動穩(wěn)定性，且能實現(xiàn)功率平衡，解決了傳統(tǒng)電機運行時功率不平衡、造成電機損壞的問題[4]。永磁電機驅(qū)動相較于傳統(tǒng)電機驅(qū)動相比能極大降低能耗，間接提高效益[5-6]，考慮到安裝、空間及經(jīng)濟性等因素，選擇永磁變頻直驅(qū)電機。

2.2 驅(qū)動形式

驅(qū)動形式有中間驅(qū)動和頭部集中驅(qū)動方式[7]。如下頁圖4 所示，雖然中間驅(qū)動可以降低輸送帶最大張力且使輸送帶受力較均勻，但是考慮到排料臂的空間問題，采用中間驅(qū)動方式會占用較大空間，給人員通行帶來不便；且排料臂輸送機長度只有50 余米，不屬于長距離帶式輸送機，張力不平衡問題可以通過在尾部安裝張緊裝置解決[8]，如下頁圖5～圖6 所示，因此采用頭部集中驅(qū)動的驅(qū)動方式。

3 結(jié)語

根據(jù)4 500 t/h 型排巖機的工作能力參數(shù)，計算了排料臂帶式輸送機運行過程中的運行阻力。計算出排料臂輸送機的運行阻力為66 154 N。并根據(jù)運行阻力確定了帶式輸送機驅(qū)動電機的額定功率應不低于294 kW，比較了傳統(tǒng)驅(qū)動形式和永磁直驅(qū)系統(tǒng)的優(yōu)劣勢，根據(jù)排巖機的情況選擇永磁直驅(qū)系統(tǒng)，采用永磁驅(qū)動電機、頭部集中驅(qū)動的驅(qū)動方式。為排巖機排料臂電機設計計算提供了理論依據(jù)。