露天矿井带式输送机运行阻力与功率消耗因素研究分析

魏永辉

（伊犁职业技术学院，新疆 伊宁 835100）

带式输送机是由摩擦提供驱动力，从而达到连续输送目的的机械，目前，主要被用来对物料/物品进行输送，在煤矿等领域均得到了广泛运用。随着使用次数的增加，越来越多人开始注意到输送机较易出现能源浪费的问题，基于节能减排视角，对上述问题成因加以分析，其现实意义有目共睹。

1 带式输送机结构及原理

1.1 输送机结构

输送机作用主要是将输送带一端的物料向另一端进行输送。目前，大部分露天煤矿所用输送机，均包括托辊、输送带以及驱动装置等部分，接下来，笔者将逐一对各部分作用进行介绍。

托辊被用来对输送带物料进行支撑，确保其能够被输送到相应区域；输送带是物料输送所依托载体；驱动装置的作用，主要是为输送机提供动力；储带装置的存在，能够确保多余皮带得到有效保管与利用；拉紧装置存在的意义，则是避免滚筒、皮带间摩擦力过小，导致打滑等问题出现[1]。

1.2 运行原理概述

组成带式输送机的构件，主要是滚筒还有闭合输送带。通过将皮带紧套在滚筒上的方式，确保所构成环形完全封闭，且滚筒与皮带间存在较大摩擦力。在驱动滚筒持续运行时，上述摩擦力的存在，可确保输送带始终处于运行状态，物料自然能够得到高效输送。对输送机来说，输送带扮演着牵引机构和承载机构的角色，其作用是对物料进行输送，要想确保牵引力达到理想状态，关键是借助张紧装置，对滚筒、皮带做张紧处理，通过增加摩擦力的方式，为牵引力提供保证。此外，对输送机能力加以衡量的依据，通常是围包角和摩擦系数，由此可见，确保输送机发挥出应有作用的前提，便是以实际情况为依据，对阻力与摩擦力加以调整。

2 输送机运行所受阻力分析

对处于运行状态的输送机而言，可能使其运行受阻的阻力，通常分为主要阻力/次要阻力/其他阻力，下文将逐一进行介绍，供相关人员参考。

2.1 主要阻力

输送带中间段发生的阻力为主要阻力，简单来说，就是利用输送机对煤炭进行输送时，受物料、托辊与输送带存在相互作用影响所形成阻力。对强调长距离输送的煤矿输送机而言，主要阻力是无法被忽视的部分，其占比通常大于其他阻力因素之和。

结合输送带运行情况不难看出，主要阻力往往可被分为挤压阻力、运行阻力、压陷阻力和摆动阻力。挤压阻力的成因是输送带为悬垂曲线，还有物料存在粘结力与摩擦力，由此可见，挤压阻力既与物料特性相关，还与输送带张力及载荷相关，输送带垂度往往会随着张力的增加而减小，此时，物料被拉伸或挤压的情况有所缓和，阻力自然较小。运行阻力与密封阻力、摩擦阻力密切相关，其中，占据主导位置的是密封阻力，除特殊情况外，运行阻力均由托辊转速及荷载所决定。压陷阻力出现的原因，主要是输送带有硬度及弹性存在，若外界所施加重力的不断增加，输送带便会与托辊重合，随着重合部分向前行进，运行阻力出现。这里要明确一点，该阻力并不受输送带张力影响。通过上文的叙述可知，输送带为悬垂曲线，在输送带通过有托辊存在的区域时，将会被托辊反复弯曲，而反复弯曲所形成阻力，即为摆动阻力。

2.2 次要阻力

在驱动站/改向站部件上发生的阻力，通常为次要阻力。首先是基于装料点对物料进行加速处理而带来阻力，还有输送带和物料间存在的摩擦阻力。在到达输送带前，物料往往具有不同于输送带的运行方向及速度，这也是投影速度形成的原因[2]。除特殊情况外，物料速度均较输送带速度更小，此时，就需要输送带对物料做加速处理，确保二者同时运行。若二者运行速度存在较大差异，便会有相对摩擦出现，无论是摩擦，还是上文提到的加速力量，均属于典型的运行阻力。其次是处于加速区域的物料和导料板间存在的摩擦阻力。导料板往往需要承受较大压力，当物料处于运动状态时，必然会有摩擦阻力出现，有关人员可利用现有公式，对摩擦阻力进行计算。再次是输送带清扫器运行带来摩擦阻力。要想对输送带煤渣进行有效清理，关键是对清扫器施加压力，摩擦阻力随之形成。最后是改向阻力。带式输送机所用输送带，其塑性及弹性相对固定，如果输送带有改向需求，先要进行弯曲，再拉直，要想使输送带弯曲，通常要向其输入较多能量，随后，通过释放储存能量的方式，确保输送带能够被拉直。这里要明确一点，输送带弹性有限，这也导致其所释放能量往往无法与输入能量持平，能量被消耗的情况无法避免。而所消耗能量的外在表现，便是改向阻力。

2.3 其他阻力

作为出现频率较低的阻力，对带式输送机而言，其他阻力主要是指特殊阻力与附加阻力。

第一，并非全部带式输送都有特殊阻力存在，只有输送机增加了某些装置，才能够出现特殊阻力。对处于正常运行状态的输送机而言，该阻力出现的概率极低，因此，下文在对运行阻力进行计算时，默认忽略特殊阻力所带来影响。

第二，附加阻力往往是指落料阻力和转动阻力，对强调高带速与大运量的煤矿输送机来说，该阻力同样可以选择忽略。

3 功率消耗核心因素与计算

基于露天煤矿开采开展设计工作，有关人员往往以矿井输送力、生产力为主要依据，对带式输送机加以选择。在强调高带速、长距离与大运量运行的当下，运行速度固定的传统输送机，要想长期处于正常运行状态，通常要消耗大量功率，这并不符合现代社会倡导的节能减排，要想使该问题得到有效解决，关键是明确输送机消耗功率的因素，从而有针对性的提出优化方案。

3.1 影响因素

即便是处于正常运行状态的输送机，带上煤流量也并不稳定，这便是输送机负载频繁出现变化的原因，由此可见，要想减少输送机所消耗能源，确保其拥有更为理想的运行效率，前提是全面分析运行工况，

矿用带式输送机的特点，主要是高带速、长距离与大运量，因此，给输送机运行带来阻力较小的特殊阻力、附加阻力，除特殊情况外，有关人员均可对其进行忽略。基于此，从理论上说，对输送机运行所需牵引力进行计算的公式为：在 式 中，Wk用来指代回程基本阻力。Wz用来指代承重基本阻力。Wq用来指代倾斜阻力。q用来指代物料密度，单位是kg/m。iq′用来指代回程旋转线密度，单位是kg/m。q i′用来指代承重旋转线密度，单位同上。qd用来指代输送带密度，单位同上。g用来指代重力加速度，单位是m/s2。β用来指代巷道斜角，单位是°，如果输送机为向上输送，那么，巷道斜角为正，若输送机需要向下输送，则巷道斜角的数值为负。fi用来指代承重阻力系数。li用来指代输送带具体长度，单位是m。ci用来指代相关系数。f0i用来指代无关系数。

另外，在确定消耗因素时，有关人员还要掌握以下公式：

在式中，Q用来指代煤流量，单位是t/h。将上述公式结合后可知，可能给功率带来影响的因素，主要为qd/qi′/qi′/fi/li/β/Q/v。对带式传输机而言，在上述因素中，qd/qi′/qi′′/li/β均有固定值对应，另外，fi为速度函数。因此，对输送机所消耗功率起决定作用的因素，主要是Q和v，其中，v代表输送机实际带速。

3.2 影响因素匹配分析

除特殊情况外，对特定输送机所消耗功率有直接影响的因素为v、Q。如果输送机处于正常运行状态，那么，Q相对稳定，此时，功率和v成正比，也就是说，如果v提高，该输送机的功率消耗量也会有所增加，反之，其功率消耗量会随着带速的降低而减少[3]。由于将输送机带速降低这一过程，通常会被带强及带宽所制约，因此，如果条件允许，有关人员应以输送机运行可靠且安全为前提，酌情降低带速，以此来达到节能的最终目的。

研究表明，要想使输送机表现出理想的安全性，前提是确保输送带张力始终处于安全系数所界定范围内，这也给有关人员提出了全新要求，即：以输送带具备长期、稳定运行的条件为前提，通过调整运行速度的方式，避免大量功率被不必要消耗的情况出现。

如果输送机运行正常，此时，皮带承受物料密度的最大值为qm，而用来描述Q和v的关系的公式为：

只要qm处于设计范围内，输送机就能够表现出理想的安全性。由此可见，基于带强得到满足，对输送机速度加以调整，可确保v随Q变化而出现变化。若Q是0，那么，v同样为0。对处于正常运行状态的输送机而言，要想避免Q过小的情况出现，最应当注意的就是减少输送机启停次数，若输送机Q过小，此时，有关人员可将其与最小值画上等号，为后续工作的开展提供便利。在输送机运行正常的前提下，给煤量往往处于αQM的范围，且%，要想达到节能的最终目的，关键是最大程度避免qm出现变化，那么：

图1是此时Q和v所对应变化关系[4]。

图1 Q和v的关系

如果Q出现明显降低，有关人员可选择对变频器频率进行减小的方式，确保Q和v所对应匹配关系能够达到理想状态。同样，如果Q在短时间内大幅增加，只有对v进行增加，确保二者匹配科学且合理，才能取得理想的节能效果。

综上所述，在对输送机进行设计时，有关人员应以实际情况为依据，对富裕量进行预留，当输送机投入使用后，多数时间均不会出现达到设计最大值的情况，此时，仅需酌情增加填充率并减小带速，便可使其功率损耗得到有效降低。

4 结论

上文对输送机结构进行了详细介绍，通过对运行阻力、功率消耗加以分析的方式，明确在诸多因素中，给其功耗所带来影响最为直观的因素是煤流量和带速，在此基础上，又围绕二者的匹配关系展开了讨论。希望能为日后节能工作的落实提供帮助，在保证输送机保有理想状态的前提下，最大程度减少其所消耗能源，使节能减排目标具备达成的先决条件。