楊福珍

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷轉(zhuǎn)變，科技創(chuàng)新、煤礦新技術(shù)、新工藝的發(fā)展與應(yīng)用，煤炭在能源結(jié)構(gòu)中起到壓艙石的作用日益突顯。為確保煤炭能源供應(yīng)，煤礦資源整合項(xiàng)目增多，隨之而來的主斜井帶式輸送機(jī)擴(kuò)能改造項(xiàng)目也逐漸增多。主斜井帶式輸送機(jī)作為礦井煤炭運(yùn)輸提升系統(tǒng)中的咽喉環(huán)節(jié)和關(guān)鍵設(shè)備，其擴(kuò)能改造后自身安全性及可靠性直接關(guān)系到煤礦的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[1]。筆者以榆樹灣煤礦擴(kuò)能改造為例，對主斜井帶式輸送機(jī)改造思路進(jìn)行分析、探討，為類似改擴(kuò)建礦井提供設(shè)計(jì)思路，并與各位設(shè)計(jì)同仁共勉。

1 主斜井帶式輸送機(jī)改造設(shè)計(jì)方案

1.1 主斜井帶式輸送機(jī)現(xiàn)狀

榆樹灣煤礦位于榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)中部，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8.00 Mt/a，擬將煤礦生產(chǎn)能力提高至12.00 Mt/a。結(jié)合煤礦井下煤層實(shí)際賦存條件，考慮到井下煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)中無緩沖環(huán)節(jié)，因此必須對主斜井帶式輸送機(jī)進(jìn)行擴(kuò)能改造。主斜井帶式輸送機(jī)自2005年投入使用，至今已安全運(yùn)行近15 a，其主要技術(shù)參數(shù)為：輸送量Q=3 500 t/h，帶寬B=1 600 mm，帶速V=4.5 m/s，輸送長度L=1 350 m，傾角δ=16°。隔爆變頻電動機(jī)：功率N=1 650 kW，4臺，電壓U=2 300 V；減速器：型號ML3PSF140，減速比i=31.091，4臺；阻燃型鋼絲繩芯輸送帶強(qiáng)度ST/S4500；逆止器：型號DSN1000，額定逆止力矩1 000 kN·m，1套；盤式制動器：型號KPZ-?2000/540，額定制動力矩540 kN·m，1臺；機(jī)頭布置雙傳動滾筒，功率配比2∶2，驅(qū)動系統(tǒng)采用中壓隔爆變頻電動機(jī)+減速器的驅(qū)動方式，4套驅(qū)動系統(tǒng)均布置在地面井口驅(qū)動機(jī)房內(nèi)，驅(qū)動機(jī)房內(nèi)部設(shè)置一臺20/5t電動雙梁橋式起重機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)房內(nèi)設(shè)備的安裝及檢修任務(wù)。主斜井帶式輸送機(jī)整體布置如圖1所示。

圖1 主斜井帶式輸送機(jī)整體布置

1.2 改造原則

為確保榆樹灣煤礦擴(kuò)能改造達(dá)到12.00 Mt/a的生產(chǎn)能力，主斜井提升能力由3 500 t/h至少要增加至4 500 t/h。但考慮到本礦井為生產(chǎn)礦井，總的改造原則是：充分利用現(xiàn)有設(shè)備及基礎(chǔ)，改造工程量小、投資省、改造工期短以及對煤礦生產(chǎn)影響降到最低[2]。確定了本次主斜井帶式輸送機(jī)擴(kuò)能改造需遵循的基本原則，具體有6點(diǎn)：①煤礦生產(chǎn)能力達(dá)到12.00 Mt/a。由于井下煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)中無緩沖環(huán)節(jié)，故需提高主斜井帶式輸送機(jī)的峰值輸送量。②利用現(xiàn)有驅(qū)動單元。現(xiàn)有的4套中壓2 300 V、單機(jī)功率1 650 kW的隔爆變頻驅(qū)動系統(tǒng)可以繼續(xù)使用，無需改變目前驅(qū)動系統(tǒng)及驅(qū)動單元[3]。③主斜井井筒斷面保持不變。利用現(xiàn)有主斜井帶式輸送機(jī)的支腿和中間架，為保證安全間隙，通過更改上、下托輥組槽角及固定方式來滿足設(shè)備外形尺寸和安全距離。④驅(qū)動機(jī)房內(nèi)的主斜井帶式輸送機(jī)基礎(chǔ)及地腳螺栓盡量不改造。由于驅(qū)動機(jī)房內(nèi)土建基礎(chǔ)受力很大、改造難度大，盡量可以通過提高帶速、增加帶寬來降低受力，盡量利用已有基礎(chǔ)及地腳螺栓[4]。⑤對煤礦生產(chǎn)影響降到最低。由于榆樹灣煤礦主產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的商品煤，且煤炭產(chǎn)品有穩(wěn)定的市場用戶，具有明顯的市場競爭力，故本次擴(kuò)能改造應(yīng)將煤礦生產(chǎn)的影響范圍降到最低。⑥驅(qū)動機(jī)房內(nèi)部能利用的空間有限，設(shè)備基礎(chǔ)加固困難；已有的高壓配電室需要新建，低壓配電室基于現(xiàn)有布置進(jìn)行改造。

1.3 改造方案

根據(jù)確定的改造原則，主斜井帶式輸送機(jī)峰值為3 500 t/h的輸送量，已不能滿足礦井?dāng)U能改造到12.00 Mt/a的需求，峰值輸送量至少要增加至4 500 t/h，原有的主斜井帶式輸送機(jī)已不能滿足輸送能力要求，經(jīng)過設(shè)計(jì)核算，所需電機(jī)總功率需由現(xiàn)在的4×1 650 kW增加到5×1 650 kW。阻燃鋼絲繩芯輸送帶強(qiáng)度需由現(xiàn)在的ST/S4500更改為ST/S5000。故提出3個擴(kuò)能改造方案，各方案主斜井帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 各方案主斜井帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

對主斜井帶式輸送機(jī)3個改造方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比見表2。

表2 各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

經(jīng)過比較，方案Ⅱ施工工期最短，投資適中，提升能力較大，煤礦改造后生產(chǎn)能力更有保障，同時各驅(qū)動基礎(chǔ)受力均在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)，故榆樹灣煤礦主斜井帶式輸送機(jī)擴(kuò)能改造確定采用方案Ⅱ。

1.5 改造實(shí)施內(nèi)容

1.5.1 整機(jī)布置改造

根據(jù)確定的方案Ⅱ?qū)Ρ据斔蜋C(jī)整機(jī)進(jìn)行了局部改造，主要改造內(nèi)容如下。改造后主斜井帶式輸送機(jī)整體布置如圖2所示。

圖2 改造后主斜井帶式輸送機(jī)整體布置

換輸送帶：本輸送機(jī)輸送量增大，且進(jìn)行了增帶寬提帶速，因此需要將原有帶寬B=1 600 mm、阻燃型鋼絲繩芯輸送帶強(qiáng)度ST/S4500更換為帶寬B=1 800 mm、強(qiáng)度為ST/S5000。

更換傳動滾筒：帶速提高至5.0 m/s，減速比保持不變[5]，拆除已有第一、第二傳動滾筒。將第一、第二傳動滾筒由原來φ1 800 mm更換為φ2 000 mm、L=2 000 mm，且第一傳動滾筒處的增面滾筒由φ800 mm更換為φ1 250 mm。

更換驅(qū)動裝置底座：為使輸送機(jī)剖料點(diǎn)位置保持不變，傳動滾筒中心線需降低83 mm。第一、第二驅(qū)動裝置底座的底板位置保持不動，改造底座的頂板位置及其開孔，并降低肋板高度83 mm。新構(gòu)造的底座頂板螺栓開孔與驅(qū)動裝置螺栓位置保持一致。

增加一套相同的驅(qū)動單元：在現(xiàn)有驅(qū)動機(jī)房內(nèi)增加一套驅(qū)動單元及相關(guān)部件，形成功率配比2∶2∶1的驅(qū)動布置形式。新增驅(qū)動單元包括隔爆變頻電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、傳動滾筒(φ2 000 mm)、改向滾筒(φ1 400 mm)、機(jī)架等[6]。

更換托輥組：在保證井筒斷面尺寸不變的前提下，支腿及中間架均保持不變。上托輥組更換為深V四輥φ159 mm(間距為1.2 m)，最大槽角達(dá)到60°。既可以保證輸送帶變寬不影響井筒斷面寬度，也可以避免原煤運(yùn)輸過程中的撒煤情況。下托輥組更換為15°V形下托輥φ159 mm，間距為3 m[7]。

更換逆止器：一般情況下，主斜井帶式輸送機(jī)逆止器安全系數(shù)不低于1.75。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，已有逆止器安全系數(shù)為1.41，不能滿足安全使用要求。需拆除已有逆止器DSN 1000，新增2臺逆止器DSN 1300，一用一備。安裝在第一、第二傳動滾筒軸上，且需重新在驅(qū)動機(jī)房土建梁上構(gòu)造逆止器支架基礎(chǔ)螺栓[8]。

更換制動器：拆除已有制動器KZP-φ2000/540，新增2套制動器KPZ-φ2000/6×YZ 200。分別安裝在2個φ1 400 mm的改向滾筒上，且改向滾筒所對應(yīng)的傳動滾筒機(jī)架應(yīng)設(shè)置制動器支座位置，用來固定和安裝制動器[9]。

更換驅(qū)動機(jī)房內(nèi)電動雙梁橋式起重機(jī)：由于驅(qū)動機(jī)房內(nèi)設(shè)備改造完成后最大不可拆件為傳動滾筒，其重量為20.965 t。為了便于設(shè)備的安裝和檢修，主斜井驅(qū)動機(jī)房內(nèi)電動雙梁橋式起重機(jī)起重量由Q=20/5 t更換為Q=25/5 t。

改造尾部自控液壓張緊裝置及相關(guān)部件：現(xiàn)有張緊油缸可以滿足安全使用要求。需要改造張緊小車和更換張緊滾筒[10]。將張緊小車軸承座加寬200 mm，張緊小車軌距保持不變。

改造傳動滾筒機(jī)架：由于帶寬由1 600 mm變?yōu)? 800 mm，傳動滾筒長度由1 800 mm變?yōu)? 000 mm，則第一、第二傳動滾筒機(jī)架軸承座間距由2 450 mm變?yōu)? 650 mm。將現(xiàn)有機(jī)架的寬度由2 450 mm改造成2 650 mm，寬度增加200 mm，軸承座高度降低83 mm，再將現(xiàn)有機(jī)架底板拆除，構(gòu)造新的機(jī)架底板形成異形梁，且新構(gòu)造的機(jī)架底板螺栓開孔與已有驅(qū)動機(jī)房內(nèi)基礎(chǔ)螺栓位置保持一致。

1.5.2 電氣設(shè)備及土建結(jié)構(gòu)改造

由于新增一套驅(qū)動裝置，電氣設(shè)備需要增加一臺1 650 kW變頻器、一臺中壓柜及其它相關(guān)設(shè)備等；驅(qū)動機(jī)房內(nèi)第一、第二驅(qū)動平臺所受合張力分別增加582.9 kN和206 kN，合張力增幅較大。考慮到主提升專業(yè)提給土建資料時第一、第二驅(qū)動平臺所受合張力分別為2 300 kN和350 kN，因此第一驅(qū)動平臺所受合張力能夠滿足結(jié)構(gòu)受力要求，第二驅(qū)動平臺所受合張力增加72.9 kN，合張力增幅較小。經(jīng)過結(jié)構(gòu)專業(yè)核算，原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)梁柱能滿足改造后的抗拉和抗剪的要求。但由于方案Ⅱ需新增一套驅(qū)動裝置及相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，因此需對第一、第二驅(qū)動平臺進(jìn)行局部加固改造，包括結(jié)構(gòu)梁增寬增高及增加立柱。

2 動態(tài)運(yùn)行模擬分析

帶式輸送機(jī)的啟動過程是帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。輸送機(jī)各部件的受力狀況都是在啟動過程中達(dá)到最大，分析輸送機(jī)各部件的最大受力時，要對啟動過程進(jìn)行動力學(xué)分析。利用Overland動態(tài)分析軟件對改造后的主斜井帶式輸送機(jī)主要部件進(jìn)行校核、分析。

2.1 張力分析

改造后主斜井帶式輸送機(jī)在重載啟動過程中的各部件所受張力如圖3所示。

圖3 張力-時間曲線

從圖3中可以看出，頭部傳動滾筒處輸送帶所受張力最大為1 306.8 kN，尾部張緊處輸送機(jī)所受張力最小為55.3 kN。

2.2 速度分析

輸送機(jī)采用S形曲線啟動方式，啟動速度曲線如圖4所示。

圖4 速度-時間曲線

從圖4中可以看出，啟動過程速度主要分為4階段：第1階段是勻加速啟動，第2階段是恒速爬行階段，第3階段是正弦加速度啟動，第4階段是穩(wěn)定運(yùn)行階段。起動后帶速達(dá)到0.5 m/s穩(wěn)定運(yùn)行8 s后，再往上加速(52 s左右)至5.0 m/s。

2.3 功率分析

各電機(jī)所需軸功率如圖5所示。

圖5 功率-時間曲線

從圖5中可以看出，#1驅(qū)動裝置處的2臺電機(jī)軸功率為2 086 kW，則電機(jī)的安全系數(shù)最小能達(dá)到1.55。既能增加電機(jī)的安全性，也可以通過這種方式提高輸送機(jī)的提升能力。

2.4 不打滑分析

輸送帶在傳動滾筒繞入點(diǎn)的張力和繞出點(diǎn)的張力之比如圖6所示。

圖6 扭矩-時間曲線

從圖6中可以看出，傳動滾筒繞入點(diǎn)的張力和繞出點(diǎn)的張力之比的最大值均小于打滑條件。因此在啟動工況下，輸送帶和傳動滾筒之間滿足不打滑條件[11]。

2.5 滾筒合力分析

各滾筒所受合張力如圖7所示。

圖7 滾筒合力-時間曲線

從圖7中可以看出，第一傳動滾筒所受最大合張力為2 026.4 kN，小于靜態(tài)計(jì)算的2 165.9 kN。第二傳動滾筒所受最大合張力為1 091.2 kN，小于靜態(tài)計(jì)算的1 319.9 kN。因此傳動滾筒均能滿足啟動工況下的受力要求。

3 改造創(chuàng)新點(diǎn)

改造完成的主斜井帶式輸送機(jī)采用5套驅(qū)動系統(tǒng)，運(yùn)用Overland動態(tài)分析軟件進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)，優(yōu)化關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)選型及布置，解決了現(xiàn)場施工難度大和工期緊的難題，改造創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：①主斜井帶式輸送機(jī)設(shè)備改造時均利用已有地腳螺栓，無需重新改造基礎(chǔ)，重新構(gòu)造非標(biāo)機(jī)架和底座等，節(jié)約了制造時間和土建結(jié)構(gòu)施工基礎(chǔ)的時間[12]。②通過壓縮關(guān)鍵工作、增加人員或平行工作等方式減少停產(chǎn)工期。③在已有驅(qū)動機(jī)房再布置一套驅(qū)動裝置，形成功率配比2∶2∶1的驅(qū)動布置方式，減小了輸送帶的強(qiáng)度，增加了電機(jī)安全系數(shù)，提高了煤礦的的主提升能力。④上托輥組由三托輥槽角35°，更換為深V四輥φ159，最大槽角達(dá)到60°，既預(yù)防了物料下滑的現(xiàn)象，又可以避免原煤運(yùn)輸過程中的撒煤情況，保證了輸送機(jī)的安全運(yùn)行。⑤運(yùn)用Overland動態(tài)分析軟件對改造后的主斜井帶式輸送機(jī)進(jìn)行動態(tài)模擬分析，模擬出實(shí)際運(yùn)行工況。結(jié)果表明，各種工況下輸送機(jī)均能正常安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

國內(nèi)外帶式輸送機(jī)朝著大功率、大輸送量、高帶速方向發(fā)展。主斜井帶式輸送機(jī)的成功改造，既節(jié)省投資成本，又節(jié)約改造工期。不僅提高了整個煤礦的主提升能力，而且主斜井帶式輸送機(jī)的安全可靠運(yùn)行得到了保障。為今后類似主斜井帶式輸送機(jī)的改造起到了借鑒作用。