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。
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)
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]。
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)。
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
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
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)。
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。
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。
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。