长距离顺槽掘进胶带输送机优化设计
2019-08-08单永泉
单永泉
(神东煤炭集团布尔台煤矿,内蒙古 鄂尔多斯 017000)
0 引言
胶带输送机作为一种现代工业机电一体化中的远距离输送设备,具有结构简单、成本低廉等特点,特别适用于中心距较大的传动。煤矿井下顺槽掘进过程中广泛采用胶带输送机作为主运输设备,由于普通1 m胶带输送机的运距最大为1 000 m,在长距离顺槽掘进过程中,需要安装多部胶带机,而每增加一台设备维护成本也相应增加,安全系数则相应降低。因此,怎样使顺槽中安装的胶带输送机越少,采用新技术、新设备增加单部胶带机的运距,实现胶带输送机在长距离顺槽掘进过程中的优化设计布置很有必要。为此,结合长距离顺槽的地质条件,从胶带输送机的设计及选型等方面进行分析,以期实现胶带输送机的优化布置。
1 胶带输送机结构及应用工况
1.1 胶带输送机的结构简介
胶带输送机是一种以胶带兼作牵引机构和承载机构、靠摩擦力进行传动的连续式运输设备,它以挠性输送带作为物料的承载物和牵引机构,根据摩擦原理,由驱动滚筒带动输送带将物料输送到所需要的地方。它的输送量大、运送距离长,工作稳定、可靠性高,而且可伸缩胶带机因其机身结构简单,拆装方便,非常适合工作面不断推移,顺槽长度不断发生变化的工作场所。它有一个储带装置,可以把多余的胶带暂时存储起来,以适应工作面伸长或缩短的需要,是一种较好的顺槽运输设备,所以被广泛应用于煤矿采掘设备的后配套运输系统中[1-2]。
以煤矿井下常用的1 m胶带输送机为例,其主要部件由电机传动系统、输送带、机架、驱动滚筒、卸载滚筒、机尾滚筒、改向滚筒、顶底托辊、张紧系统、皮带清扫器、给料和卸料装置等组成。驱动滚筒通过联轴器和驱动电机减速器的传动轴连接,储带仓中的改向滚筒和机尾前部的改向滚筒是为了增加驱动滚筒和机尾改向滚筒的包角及改向而设置,其中储带仓中的改向滚筒用于机架储带仓皮带的折叠改向,并为张紧系统提供物理条件。
1.2 应用工况及存在问题
以布尔台煤矿4-2煤一盘区运输顺槽为例。该矿4-2煤一盘区所处地理位置地表起伏较小,总体呈南东低,北西高趋势,大部分被风积沙所覆盖,煤层整体起伏较小,局部起伏较大,巷道前段沿3-1煤层掘进,并掘进300 m左右后沿4-2上煤层掘进,为使巷道平缓过渡,巷道在掘进中坡度一般不超过3°~5°。掘进范围内3-1煤层与2-2煤层间距厚度为55~65 m,4-2上煤层与2-2煤层间距厚度为75 m左右。
布尔台煤矿4-2煤一盘区运输顺槽设计长度一般5 200 m左右,巷道高度3.8 m,煤尘局部起伏最大处达到40 m,掘进过程中为了满足主运输要求,结合现有胶带输送机运输能力,通常设计安装3部1 m胶带输送机,由于巷道前300 m沿3-1煤层掘进,后4 900 m左右沿4-2上煤层掘进,故前300 m的巷道煤层起伏最大,为了便于胶带输送机管理,通常第一部胶带机安装DSP1080胶带输送机,运输距离700 m左右,第二部安装DSJ100/100/2×160变频胶带输送机,运输距离2 500 m左右,第三部安装DSJ100/100/2×160变频胶带输送机,运输距离2 000 m左右。
以上胶带输送机的安装设计存在诸多问题,例如,整条运输顺槽胶带输送机安装数量过多,需要增加检修人员和岗位人员,加大了人工成本,违背了减员增效的原则。此外,DSP1080胶带机因其结构的特殊性和早期设计存在的缺陷,在实际使用中存在一些无法解决的问题,给用户带来了许多不便;主要表现在DSP1080胶带机采用单电机直接启动驱动,电机功率160 kW,电机直接启动不仅造成设备的冲击加速设备的磨损,而且直接启动对胶带机沿线人员的安全造成威胁,二者电机功率过小运输能力有限满足不了长距离运输的需求,再者电机不能根据负载的大小调节输出,增加了电能的消耗,起不到节能增效的作用[3-4]。
2 长距离顺槽掘进胶带输送机的优化设计
针对在长距离顺槽掘进过程中胶带输送机安装设计上存在的缺陷和不足,结合掘进巷道的地质条件和实际情况,对整个运输系统进行了优化分析,主要从设备选型和安装布置方面进行了优化设计。
2.1 设备选型优化分析
DSP1080胶带输送机由于设计上的缺陷满足不了长距离运输和节能增效的需求,如今变频多驱的胶带输送机是主流趋势,因此选择神华皮带机公司生产的DSJ100/100/2×160(200)变频胶带输送机。对比DSP1080胶带输送机,此胶带机驱动方式由单驱160 kW双滚筒传动改变为双驱160 kW分别驱动方式,功率配比方式分别为160 kW、2×160 kW的双滚筒传动;驱动与传动滚筒的联接方式由原来的吊挂方式改变为基座式鼓型齿式联轴器连接;机头采用倒T型组焊整体底座方式、卸载架为复合组成的三角架形式;储带仓由原来的两边框式结构改变为底座式结构形式;固定式和游动小车的改向滚筒由原阶梯式布置改变为大小滚筒同水平布置结构形式;张紧系统彻底更新设计,具备自动、手动、卷带3种运行模式和快速反应的绞车控制;卷带改变原有模式,采用独立可拆结构方式,并有回转和升降功能;机身基本不变,纵梁连接由涨销改变为E型销连接形式;机尾采用独立可调式结构,并取消缓冲托辊,使得整体结构变的更加紧凑合理、使用和拆装更为安全和便捷、整体性能全面提高[5-6]。
DSJ100胶带输送机现有2种驱动方式,分别是2×160 kW和改进型2×200 kW,DSJ100/100/2×160胶带机设计运输能力1 000 t/h,运输距离2 500 m,储带长度120 m,DSJ100/100/2×200胶带机设计运输能力1 000 t/h,运输距离3 200 m,储带长度120 m,满足使用要求。
2.2 安装布置优化设计
以国家能源集团神东布尔台煤矿4-2煤一盘区42108运输顺槽为例分析,布尔台煤矿42108运输顺槽设计长度5 147 m,巷道高度3.8 m,煤层起伏最大处位于巷道300 m处,42108运顺机头至300 m处巷道落差32 m,由于巷道开口段煤层起伏大,为便于胶带输送机维护管理,结合42108运输顺槽地质条件综合考虑胶带输送机运输提升能力,在巷道掘进过程中,选择总计安装两部胶带输送机,第一部安装DSJ100/100/2×160变频胶带输送机,设计运输距离2 200 m,第二部安装DSJ100/100/2×200变频胶带输送机,设计运输距离2 947 m。
3 运输能力校验及经济效益
3.1 运输能力校验
DSJ100/100/2×160可伸缩带式输送机主要技术参数见表1。
表1 主要技术参数
一部胶带机其它参数:运输物料为原煤,堆积密度ρ为0.9 t/m3,实际运输能力Q为480 t/h;胶带倾角δ为1°,提升高度为44 m;运输距离L为2 200 m。每m机长物料质量QG的计算见式(1)
QG=Q/(3.6 V)
(1)
式中:V—带速,3.15 m/s;Q—运输能力,480 t/h。计算得QG=42.32 kg/m。
拉紧方式为电动机张紧绞车,清扫方式为头部布置H型橡胶清扫器,尾部布置角型清扫器。导料槽每节1 500 mm,设置节数3节。
托辊载荷校核:首先进行静载荷校核,其中重载段托辊校核依据式(2)
P0=e·a0·g(QG1+qB)
(2)
式中:e—托辊载荷系数,0.80;a0—上托辊距,1.50 m;qB—胶带质量,15.6 kg/m;P0e—托辊额定载荷,2 170.00 N。经计算,托辊静载荷满足要求。接着进行空载段托辊校核
Pu=e·au·qB·g
(3)
式中:au—下托辊距,3.0 m;e—托辊载荷系数,1.0;qB—胶带质量,15.6 kg/m;托辊额定载荷为603.00 N。经计算,托辊静载荷满足要求。
进行动载荷校核时分为重载段托辊校核和空载段托辊校核。重载段托辊净载荷
(4)
Pu=pu·fs·fa
(5)
式中:pu—空载段托辊静载荷,459.11 N;fs—运行系数,1.10;fa—工况系数,1.10。经计算,小于托辊额定载荷的603.00 N,托辊静载荷满足要求。
传动功率计算:传动滚筒轴的功率PA计算公式见式(6)
PA=FU·V
(6)
式中:FU—圆周驱动力,69 594.47 N;V—带速,3.15 m/s。计算得PA为219.23 kW。电动机功率PM计算见式(7)
PM=PA/(η1·η2·η3·η4)
(7)
式中:η1—联轴器效率,0.992;η2—减速器效率,0.941;η3—电压降系数,0.900;η4—不平衡系数,1.000。计算得,PM=281.01 kW。
驱动设备选型:采用2台电机驱动,计算电机功率N=281.01 kW,电压等级为660 V,电动机转速为1 480 rpm,实选电机功率N=2×160 kW,电动机型号为YBS-160-4P,共计2台,电机满足要求。
同理,依据第一步胶带机的校验公式计算可知,第二部胶带机也满足运输能力需求。
3.2 经济效益
对比布尔台煤矿4-2煤一盘区运输顺槽以前所安装布置的3部胶带输送机,优化后安装2部变频胶带输送机,平均每天节省一名检修工,两名岗位工,按照巷道掘进工期计算,安装第三部胶带机至少运行2个月,总计节省人工180人次,平均每人每天工作8 h,总计需要1 440工时,在神东公司每工时平均以40元计算,则减少维护成本57 600元;由于变频胶带机能够根据负载大小输出转矩,从而减少胶带机空转带来的电能损耗,根据统计,安装2部变频胶带机后能够节省电力消耗23万kW·h,以平均成本为0.511元/kW·h计算,节省电费为117 530元,所以长距离顺槽胶带输送机优化设计后至少能够节约成本175 130元,经济效益相当可观。
4 结语
在掘进长距离顺槽过程中,优化设计胶带输送机的安装布置不仅能够取得经济效益,达到减员增效的目的,而且变频软启动胶带输送机的广泛应用也提高了运输效率,提升安全保障。随着时间的推移,新技术新工艺的开发应用,多驱动大驱动的变频胶带输送机会更新换代,运输能力将更大,运输距离会更长,效率会更高,安全将会更有保障。再者未来胶带输送机也会朝着自动化、智能化的方向发展,远距离集中控制,视频监控会在掘进胶带输送机上广泛推广,人机交会,人工智能也必将应用到胶带输送机上。