馬香玲

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

目前工作面帶式輸送機(jī)多采用阻燃整芯PVG/PVC 型輸送帶。為了滿足長(zhǎng)距離工作面輸送機(jī)安全運(yùn)行，結(jié)合國(guó)內(nèi)PVG/PVC 輸送帶縱向拉斷強(qiáng)度和帶速水平，在帶式輸送機(jī)中采用中部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效果顯著，其可大幅度降低輸送帶張力[1-4]，有效地減小了輸送帶最大點(diǎn)張力，降低了輸送帶強(qiáng)度和自重，其對(duì)選擇經(jīng)濟(jì)安全的輸送帶有著重要的意義。

本文結(jié)合陜西省黃陵建莊礦業(yè)有限公司建北煤礦（5.0 Mt/a）長(zhǎng)距離工作面帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，依據(jù)DT Ⅱ（A）帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，采用卸載式滾筒中部驅(qū)動(dòng)技術(shù)，分析帶式輸送機(jī)各特征點(diǎn)張力，得出了中部驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位置的計(jì)算原則、方法和數(shù)學(xué)模型，滿足了長(zhǎng)距離工作面帶式輸送機(jī)輸送帶的安全系數(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的可靠運(yùn)行。

1 建北煤礦工作面帶式輸送機(jī)主要設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)礦井開拓要求，建北煤礦工作面長(zhǎng)度L=3962 m，傾角δ=0°～2°，工作面峰值輸送量Q=2000 t/h，提升高度為H=138 m。

依據(jù)輸送量2000 t/h 及原煤粒度≤300 mm 要求，設(shè)計(jì)選用阻燃整芯輸送帶PVG2500（2500 N/mm）。按照原煤靜堆積角α=40°、動(dòng)堆積角θ=15°、堆積密度ρ=900 t/m3、輸送帶上物料最大截面積S=0.151 2 m2進(jìn)行輸送機(jī)設(shè)計(jì)選型計(jì)算。見表1。

表1 工作面帶式輸送機(jī)主要設(shè)計(jì)依據(jù)

2 中部驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

2.1 中部驅(qū)動(dòng)技術(shù)

中部驅(qū)動(dòng)與頭部單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)原理相同，中部卸載式驅(qū)動(dòng)滾筒趨入點(diǎn)和奔離點(diǎn)的輸送帶張力同樣滿足歐拉公式[5]，即滿足驅(qū)動(dòng)滾筒不打滑要求。

滾筒卸載式中部驅(qū)動(dòng)滾筒的輸送帶趨入點(diǎn)與奔離點(diǎn)的張力差為該滾筒需要輸出的圓周驅(qū)動(dòng)力。采用滾筒卸載式中間驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輸送帶張力由輸送機(jī)尾部改向滾筒線性增大至中間驅(qū)動(dòng)滾筒趨入點(diǎn)，再經(jīng)該滾筒下降至奔離點(diǎn)后，又開始線性增加至下一中部驅(qū)動(dòng)滾筒趨入點(diǎn)[6-7]。如此接力，由各中部驅(qū)動(dòng)分擔(dān)整機(jī)的總圓周驅(qū)動(dòng)力。滾筒卸載式中部驅(qū)動(dòng)正是利用了這一原理，來達(dá)到降低輸送機(jī)輸送帶最大張力、延長(zhǎng)輸送距離的目的[5][8][9]。

2.2 設(shè)計(jì)原則

1）中部驅(qū)動(dòng)點(diǎn)數(shù)確定

對(duì)于帶式輸送機(jī)，理論上在負(fù)載一定的情況下，總圓周驅(qū)動(dòng)力是一定的，滾筒卸載式中間驅(qū)動(dòng)點(diǎn)設(shè)置越多，輸送帶最大張力就降低得越多[5][9]。然而根據(jù)煤礦井下工作面的生產(chǎn)要求，工作面需定期更換開采。作為工作面主運(yùn)輸設(shè)備的工作面帶式輸送機(jī)需要被定期拆裝，為適應(yīng)此種工況，方便快捷地拆裝設(shè)備，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少中部驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，通常僅布置一個(gè)中部驅(qū)動(dòng)點(diǎn)[1]。

2）驅(qū)動(dòng)功率單元確定

由于滾筒卸載式中部驅(qū)動(dòng)是輔助性驅(qū)動(dòng)，應(yīng)充分考慮發(fā)揮頭部主驅(qū)動(dòng)裝置的作用，考慮帶式輸送機(jī)元部件小型化和通用化，一般各驅(qū)動(dòng)單元取相同。為了簡(jiǎn)化中間驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一般滾筒卸載式中間驅(qū)動(dòng)只采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒[10-11]進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2.3 布置方案

依據(jù)中部驅(qū)動(dòng)技術(shù)原理和工作面帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)原則，根據(jù)黃陵建北煤礦工作面帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)采用頭部集中雙滾筒3 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)+1個(gè)中部滾筒雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，功率配比2:1:2，共5套驅(qū)動(dòng)裝置。建北煤礦工作面帶式輸送機(jī)頭部2:1集中驅(qū)動(dòng)+中部2 套驅(qū)動(dòng)布置簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 建北煤礦工作面帶式輸送機(jī)中部驅(qū)動(dòng)布置簡(jiǎn)圖

3 中部驅(qū)動(dòng)位置數(shù)學(xué)模型確定與關(guān)鍵點(diǎn)張力分析

3.1 初定工作面帶式輸送機(jī)基本參數(shù)

根據(jù)黃陵建北煤礦工作面帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)，初定帶式輸送機(jī)基本參數(shù)為：機(jī)長(zhǎng)L=3962 m，輸送量Q=2000 t/h，傾角δ=0°～2°，提升高度H=138 m，帶寬B=1.2 m，帶速V=4.5 m/s，托輥直徑159 mm，上托輥間距1.2 m，下托輥間距3 m，模擬摩擦系數(shù)f=0.028。建北煤礦工作面帶式輸送機(jī)主要計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 建北煤礦工作面帶式輸送機(jī)主要計(jì)算參數(shù)

其中，上分支主要阻力：

下分支主要阻力：

FH2=[（qB+qRU）·f·cosδ-qB·sinδ]·g=0.2 N/m

3.2 圓周驅(qū)動(dòng)力及電機(jī)功率計(jì)算

1）圓周驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

圓周驅(qū)動(dòng)力為輸送機(jī)所有阻力之和[12]。即總阻力包括：主要阻力、附加阻力、特種阻力、提升阻力。

在確定帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)方案前期，對(duì)于大型帶式輸送機(jī)而言，附加阻力和特種阻力對(duì)總阻力影響較小，可暫不計(jì)入[13]。所以依據(jù)式（1）以及表2中主要計(jì)算參數(shù)，計(jì)算總阻力FU=419 162 N。

2）電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

式中：PM為驅(qū)動(dòng)功率，kW；K為電機(jī)備用系數(shù)，取1.2。

依據(jù)式（2）計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率PM=2263 kW。設(shè)計(jì)采用5 套驅(qū)動(dòng)裝置，故單臺(tái)電機(jī)功率為453 kW，選用500 kW 電機(jī)。

采用永磁驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

式中：T為電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，55 r/min；PM為電機(jī)功率，取453 kW。

經(jīng)計(jì)算T=78 657 N·m，選礦用隔爆型永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)TBVF-500/60YC，1140 V，額定功率500 kW，額定轉(zhuǎn)矩86 818 N·m，5 臺(tái)。

3.3 中部驅(qū)動(dòng)位置確定數(shù)學(xué)模型及計(jì)算

1）中部驅(qū)動(dòng)位置確定數(shù)學(xué)模型

如圖1，頭部驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)滾筒2 奔離點(diǎn)處輸送帶的初張力為F2，使其先滿足傳動(dòng)滾筒2 的歐拉公式 ，即為滿足不打滑時(shí)最小張力，傳動(dòng)滾筒1趨入點(diǎn)輸送帶張力為F1。依據(jù)等功率分配法，則有

式中：Fe為輸送帶許用張力，N；F1為頭部傳動(dòng)滾筒1 輸送帶趨入點(diǎn)張力，N；F2為頭部傳動(dòng)滾筒2 輸送帶奔離點(diǎn)張力，N；FU為根據(jù)負(fù)載計(jì)算的總驅(qū)動(dòng)力，即總阻力，N。

在中間驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)的輸送帶張力F8應(yīng)滿足：

則有L1≤（F1-F8）/FH1（4）

式中：L2為中部傳動(dòng)滾筒中心與頭部滾筒中心的距離，m；F8為中部傳動(dòng)滾筒輸送帶奔離點(diǎn)張力，N；FH1為上分支主要阻力，N/m。

中部驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)滾筒趨入點(diǎn)輸送帶張力F7應(yīng)滿足：

式中：F7為中部傳動(dòng)滾筒輸送帶趨入點(diǎn)張力，N；F4為尾部滾筒輸送帶奔離點(diǎn)張力，N；L為頭部卸載滾筒中心與尾部滾筒中心線的距離，m。

則有L2≥（F4+FH1L-Fe）/FH1（5）

根據(jù)式（4）、式（5），中部驅(qū)動(dòng)位置可在以下范圍內(nèi)選取，即確定中部驅(qū)動(dòng)位置的數(shù)學(xué)模型。

2）各特征點(diǎn)張力及中間驅(qū)動(dòng)位置計(jì)算

根據(jù)工作面帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，依據(jù)上述式子與中部位置確定的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算各特征點(diǎn)張力，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各特征點(diǎn)張力

依據(jù)各張力點(diǎn)張力數(shù)值，根據(jù)中部驅(qū)動(dòng)位置計(jì)算模型式（6）計(jì)算，可得頭部滾筒中心與中部傳動(dòng)滾筒中心的距離L1可取范圍為1558 m≤L1≤2588 m。

中部驅(qū)動(dòng)裝置初步位置依據(jù)上述數(shù)學(xué)模型確定后，具體位置還應(yīng)考慮工作面輸送機(jī)線路布置、安裝和供電便利等因素。圓周驅(qū)動(dòng)力計(jì)入附加阻力和特種阻力，再采用閉環(huán)逐點(diǎn)張力詳細(xì)計(jì)算方法計(jì)算出各特征點(diǎn)的輸送帶張力。其中中部傳動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)最小張力必須同時(shí)滿足傳動(dòng)滾筒不打滑條件和輸送帶承載分支垂度最小張力F承min要求。

建北煤礦工作面帶式輸送機(jī)經(jīng)詳細(xì)計(jì)算后，逐點(diǎn)計(jì)算各特征點(diǎn)張力：

①F1=296 812 N ＜Fe=300 000 N，滿足輸送帶許用張力要求；②F2=45 315 N；③F1-2=129 147 N；④F3≈F4=47 187 N ＞F承min=23 470 N，滿足輸送帶垂度最小張力要求；⑤F7=291 953 N ＜Fe=300 000 N，滿足輸送帶許用張力要求；⑥F8=108 785 N＞F承min=23 470 N，滿足輸送帶垂度最小張力要求。

根據(jù)以上計(jì)算，各張力點(diǎn)均滿足輸送帶垂度最小張力要求和傳動(dòng)滾筒不打滑條件，確定各特征點(diǎn)張力后，根據(jù)式（6）計(jì)算可得中部驅(qū)動(dòng)位置在距機(jī)頭1567 m處。此位置為各特征點(diǎn)張力較優(yōu)的位置。

3.4 關(guān)鍵點(diǎn)張力要求分析

1）目前國(guó)內(nèi)工作面可伸縮帶式輸送機(jī)可用的阻燃整芯PVG 輸送帶成熟規(guī)格為PVG2500 N/mm，計(jì)算長(zhǎng)距離復(fù)雜工作面輸送帶的許用張力Fe可采用該帶強(qiáng)計(jì)算。

2）依據(jù)負(fù)載計(jì)算總功率后，先初步確定主驅(qū)動(dòng)和中部驅(qū)動(dòng)的功率配比，且要充分發(fā)揮主驅(qū)動(dòng)裝置的作用，考慮部件通用化。一般取等功率單元，主驅(qū)動(dòng)功率是單個(gè)中部驅(qū)動(dòng)功率的整數(shù)倍[10]。以此原則確定主驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)的最小張力。

3）確定驅(qū)動(dòng)單元數(shù)量和電機(jī)功率后，依據(jù)輸送帶最大張力不得大于許用張力，中部驅(qū)動(dòng)輸送帶奔離點(diǎn)最小張力不小于輸送帶承載分支垂度最小張力要求，依此確定中部驅(qū)動(dòng)的位置。

4 結(jié)語

1）在長(zhǎng)距離工作面帶式輸送機(jī)中通過增設(shè)中間驅(qū)動(dòng)裝置，均衡負(fù)載，分擔(dān)總功率，有效降低了輸送機(jī)最大點(diǎn)張力，從而使最大點(diǎn)張力滿足輸送帶的許用張力，滿足長(zhǎng)距離工作面帶式輸送機(jī)的阻燃輸送帶PVG2500 縱向拉斷強(qiáng)度運(yùn)行要求。

2）利用輸送帶傳動(dòng)原理，確定優(yōu)先發(fā)揮主傳動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)力原則，使得中部驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)滿足承載分支垂度最小張力要求，以及滿足主傳動(dòng)滾筒和中部傳動(dòng)滾筒趨入點(diǎn)張力小于輸送帶許用張力，得出了長(zhǎng)距離工作面帶式輸送機(jī)的中部驅(qū)動(dòng)位置計(jì)算數(shù)學(xué)模型，為確定類似項(xiàng)目的中部驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位置提供參考和借鑒。