连续皮带机的关键参数分析

乔伟杰

（阳煤集团三矿， 山西 阳泉 045000）

引言

随着现代化矿井的建设，矿井运输方式获得了巨大的发展，皮带运输逐渐成为矿井主要运输方式，相应的皮带运输带来许多技术难题[1-3]。许多学者对皮带运输相关问题进行了研究，并取得了一定的成果，并对皮带的动态特性进行研究，大大提高了皮带的工作效率及安全性[4-7]。基于前人的研究，本文以新界煤矿为工程背景，针对长距离皮带运输的关键参数进行分析。

1 工程概况

新界煤矿主斜井选取连续皮带出渣机作为主要运输方式，主斜井下坡的坡度为6°，井筒斜长约为6 320 m，井筒明槽段的长度约为150 m，埋深的最大值约为640 m。井筒开挖面的直径约7.3 m，支护衬砌后井筒直径约6.4 m，管片的长度为1.5 m，一个管片作为一环，推进一环产生的渣土体积约为63 m3，推进一环需要的时间大约需要20～40 min，运输渣土的路面宽度约为3.5 m。考虑到井筒掘进时产生渣土的体积以及施工的场地需求，连续皮带出渣机输送长度需要留有一定富裕系数，最大输送距离约6 245 m。皮带运输材料为掘进后留下的渣土，渣土的容重2.4 t/m3。皮带运输机包括卸载装置、卷带装置、夹带装置、放带装置和储带及张紧装置等附件，由于需要在隧道外部安装这些附件，增加了皮带机在地面的长度，需要在地面预留长度为130 m的距离。

2 皮带机的关键参数分析

连续皮带机驱动形式包括三种，分别为：头部集中布置驱动装置、头部和中间分别布置驱动装置以及多级皮带输送机搭接。三种驱动形式各有其优缺点，适用于不同的地质及生产条件，当运输距离较长时头部集中布置驱动装置可能造成动力不足，需要改进相应的设备，成本较高且运输过程不稳定，所以不采用该种方式布置皮带驱动装置。而多级皮带搭接这种方式在皮带搭接处需要的空间较大，而井筒直径相对较小，不能满足多级皮带搭接，也不适用于主斜井运输。综合考虑各方面的因素，选择头部和中间分别布置驱动装置的方式来布置皮带，输送机搭接可选用强度低的输送带，输送带规格降低，成槽性好，可保证大运量要求。

皮带运输距离越长，其遇到的阻力也越大，阻力主要来自四个部分，第一部分是由承载分支和回程分支托辊带来的旋转阻力以及输送带和物料带来的摩擦阻力组成主要阻力，第二部分是由单个位置的摩擦阻力和惯性阻力组成的附件阻力，另外两个阻力分别为特种阻力和倾斜提升阻力。井筒掘进长度约为6 320 m，相应的皮带最长延伸到6 245 m，托辊自身旋转的阻力、托辊与皮带间的阻力及物料与皮带间的阻力都会影响皮带的运输，运输距离增加时，所需要的动力也更大。在长距离运输过程中，皮带容易跑偏，如果没有及时进行纠正，可能造成物料洒落和托辊磨损等危害，严重时还会引发皮带脱离托辊，造成较大事故。倾斜提升阻力主要是由于地形具有坡度，本矿井条件下井筒的坡度为6°，皮带运输机将掘进留下的渣土从640 m井下运输到地面，皮带和渣土的自重较大带来的阻力也较大，皮带运输时遇到的阻力越大，皮带受到的张力也越大，大大降低了皮带运输机各个部件的强度，影响皮带的使用寿命。

2.1 输送带参数确定

2.1.1 输送带带速确定

参照《DTII（A）型带式输送机设计手册》可以得到皮带运输机的单次循环最大出渣量为510 t/h，同时根据矿井实际条件，渣土的最大粒径取300 mm，运输长度为6 320 m，倾角为6°。根据输送带设计手册可知，带速取值为1.25～4 m/s之间，同时考虑本矿井井筒倾角为6°运输距离大约为6 320 m，对输送带提出更高要求，参照不同类型渣土带速表，初步确定带速为2.5 m/s。

2.1.2 由运量确定输送带宽度

带式输送机的带速、宽度和输送能力之间的关系可用式（1）表示：

式中：Q1为单次循环最大出渣量，t/h；K为货物断面系数，410；B为输送带宽度，m；v1为输送带带速，m/s；γ为输送料容量，t/m3；c为皮带机倾角对输送量的影响系数，取0.98；ζ为速度系数，取0.90。

2.1.3 由渣土最大粒径确定输送带宽度

根据输送带满足最大颗粒的粒径，可得到式（3）：

式中：dmax为运送颗粒的最大粒径，取300 mm。最后输送带宽度为根据运输量和运料粒径决定的最大值，即最后得到输送带的宽度为800 mm。

针对前面确定的输送带宽度，根据带速进行宽度校核，

式中：Qn为输送带理论运输量，t/h；S为输送带运载的货物最大横截面积，取0.042 m2；v为输送带带速，2.5 m/s；k为倾斜输送机面积折减系数，由倾角表取0.94；γ=2.5 t/m3。

计算得Qn=889 t/h。

根据上面计算结果可知皮带实际输送量小于理论输送量，从而可以确定所选择的带速2.5 m/s满足皮带运输要求，带宽和速度都合理。

2.2 皮带阻力及各点张力的计算

2.2.1 皮带总阻力计算

每米输送带运输的货物质量为：

参照带宽与辊径表可知承载分支每组托辊旋转部分的质量qz为10.23 kg，回程分支每组托辊旋转部分质量qr为8.65 kg，最后计算得知承载分支托辊组单位长度旋转部分质量为，回程分支托辊组单位长度旋转部分质量为kg/m，式中az和ar分别为承载分支托辊间距和回程分支托辊间距，其值分别为1.5 m和3 m。

根据前面求出的质量，进行皮带主要阻力的计算，具体如式（7）所示：

式中：f为阻力系数，取0.03；L为输送带长度，m；L′为承载分支水平段长度，为130 m。

输送带额外阻力包括清扫器和卸料器所产生的阻力，计算如式（8）：

式中：Fe为特种阻力，N；Fq为清扫器带来的阻力，480 N；Fx为卸料器带来的阻力，1 200 N。

计算得Fe=2 400 N。

皮带提升时所承受的阻力通过式（9）计算：

从而得出皮带运输的总阻力包括上面所计算的三种阻力，总阻力计算式如下所示：

式中：J为附加阻力系数，J=（L+1 000）/L。

2.2.2 各点张力Sn计算

由于驱动装置按照1∶1功率配比，总动力等于总阻力，根据欧拉公式计算各点张力，计算如下所示：

式中：FL1、FL2为机头第一和第二驱动滚筒圆周力，N；μ2、φ2为机头第二驱动滚筒的摩擦系数和包角；Si为i处的张力。

2.3 中间驱动装置位置确定

中间驱动装置安装位置，输送带工作中由于磨损以及其他安全要求，必须具有一定富裕系数保证皮带正常运行，必须满足式（15）：

最后得到皮带最大张力为

式中：m为输送带安全系数；σs为输送带强度，N/mm；[m]为输送带许用安全系数，取7。

经计算可知输送带长度达到3 265 m时，输送带强度不能满足运输要求，可能发生事故，综合考虑相关因素确定中间驱动装置安装于距离机头3 000 m处。

3 结论

针对新界煤矿主斜井长距离皮带运输的特点，选取采用头部和中间布置驱动装置的皮带运输方式，根据本矿井条件，分别计算皮带的宽度、阻力以及各点张拉力，得到了皮带的宽度为800 mm，皮带运行速度为2.5 m/s，皮带中间驱动装置位于3 000 m处，皮带的最大张力值为268.54 kN，皮带的运行阻力系数为0.04。