大海则矿井长距离带式输送机设计探讨

2021-06-30陈哲

中国设备工程 2021年12期

陈哲

（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054）

1 项目背景

大海则矿井设计生产能力15.0Mt/a，工业场地采用矿井、选煤厂场地分设，选煤厂工业场地布置在矿井场地东部约3km处。根据工艺布置，主立井原煤需运输至3km外的选煤厂工业球形仓内进行存储后洗选，由于选择带式输送机进行原煤运输的适应能力较强，可适应16°坡度，特殊情况可满足30°上运工况，输送线路可适应地形，在高度和水平面上均可设置转弯，从而可避开村庄、工厂等现有建筑，并可方便穿越铁路、公路、高压线、河流、山脉等自然障碍，输送线路十分灵活。而且其长度可根据需要延长或者采用中部卸载，因此，确定选择带式输送机作为主立井井口房至球形原煤仓的原煤运输方式。

2 选型原则及线路确定

2.1 带式输送机选型原则

（1）尽量“一条”的布置原则，条件适宜时可采用空间转弯带式输送机技术；

（2）尽量“短”的运输原则，条件适宜时可采用大倾角带式输送机技术；

（3）带强尽量低、输送带安全系数尽量小的设计选型原则；

（4）选用经济带速；

（5）驱动单元尽量集中设置，尽可能避免中部转载式驱动布置方案；

（6）滚筒数量尽量少，输送带缠绕线路要简练；

（7）设计方案要立足生产需求，坚持投资省、生产维护方便、运营费用低的原则。

结合本带式输送机实际特点，头尾水平运输距离约3073m，机尾受料点绝对标高为+1277.300m，机头球形仓上卸料点绝对标高为+1330.950m，提升高度约54m，确定铺设一部带式输送机完成原煤运输任务，考虑到降低输送带强度等因素，将带式输送机驱动系统、输送带张紧系统布置在靠近机头位置。

2.2 带式输送机线路确定

大海则主立井井口房至球形原煤仓带式输送机沿线3073m条带位于毛乌素沙漠腹地，栈桥沿线不存在地面河流洪水威胁。但本区地下水位较高，沙漠地面雨水下渗速度快，冻结深度大，冻胀现象严重，这些是影响带式输送机线路确定的最主要因素。

主立井井口房至球形原煤仓带式输送机栈桥沿线需穿过三条公路和一条铁路，针对该地形特点，线路布置提出以下方案：穿过公路和铁路时采用上跨形式。三条公路中其中一条是材料进场路，另两条是乡村道路，材料进场路接通榆补路，设计为二级公路，乡村道路为三级公路，根据《公路路线设计规范》(JTG D208-2017)中规定：高速公路、一级公路、二级公路的净高度应为5.00m；三级公路、四级公路的净高度应为4.50m。设计确定带式输送机栈桥上跨材料进场路时预留净高度5.00m，上跨乡村道路时预留净高度4.50m。需穿过的铁路线为大海则选煤厂工业场地环形装车线，根据《标准轨距铁路建筑限定》(GB146.2-1983)中相关规定综合确定，带式输送机栈桥上跨铁路时预留净高度8.00m。考虑到栈桥底板下部需预留管道安装及后期检修维护空间，结合造价投资确定沿线栈桥底板距离自然地形高差为2m。该方案优点是不受地下水位影响，且上球形仓时角度较小，该方案缺点是驱动布置在空中，驱动机房基础受力较大。考虑到地下水位及上仓角度等问题，设计确定采用方案一，即穿过公路和铁路时采用上跨形式作为线路布置方案。

3 选型计算

3.1 输送量的确定

根据矿井工艺布置，主立井来煤为2对50t箕斗交替提升至地面缓冲仓，经缓冲仓缓冲后由给煤机给入带式输送机，带式输送机输送量计算公式为：

式中，K为富裕系数，取1.15；M为箕斗名义载重，取50t；T为箕斗一次循环时间，取114.4s。

经计算主立井至球形原煤仓带式输送机运量为Q=3618t/h，取整为3700t/h。

3.加强规模场规范管理。禁止不按技术标准和健康养殖制度从事生猪生产，确保生猪产品质量安全;严禁弄虚作假或伙同相关单位出具生猪出栏证明套取补助资金，对利用养殖场建设或出具虚假证明套取项目资金的按项目资金管理办法严肃查处，以促进生猪产业持续、稳定、健康发展。

3.2 带宽带速的确定

根据输送量同时兼顾输送带强度等因素确定合理的带宽和带速，设计确定带宽取B=1600mm，带速取V=4.5m/s。

3.3 带式输送机计算

现行的计算体系是依据我国现行的国家标准《带式输送机工程设计规范》（GB 50431-2008），将输送带按照刚体来计算的，带式输送机加减速过程中输送带动张力计算结果不准确，只能采用加大输送带安全系数的办法解决。长运距大型带式输送机各种计算参数的选取不同于普通带式输送机，较小的计算误差会带来较大的绝对误差，采用传统的纯理论静态设计方法已经不能满足实际要求。输送带本身具有黏弹性力学特性，在计算输送带启动、制动时，输送带各点的实际张力与静态设计方法计算结果大为不同，因此，设计时要考虑输送带的黏弹性动力学特性。本次设计计算分为两个部分，先利用我国现行的国家标准进行选型计算，再利用动态分析软件对带式输送机重点环节（启动、制动、张力变化）进行二次校验。

（1）利用我国现行国家标准计算。圆周驱动力FU计算公式：

FU=CfLg[qRO+qRU+(2qB+qG)cosδ]+FS1+FS2+qGHg

式中，C为附加阻力系数，取1.04；f为模拟摩擦系数，取=0.024；L为输送机长度，L=3075m；qRO为承载分支托辊每米长旋转部分质量，qRO=32.1kg/m；qRU为回程分支托辊每米长旋转部分质量，qRU=11.96kg/m；qB为每米长输送带的质量(阻燃带ST/S2800)，qB=73.6kg/m；qG为每米长输送物料质量(qG=Q/3.6V)，qG=228.4kg/m；FS1为主要特种阻力，FS1=23523N；FS2为附加特种阻力，FS2=3024N；H为物料提升高度，H=55m；δ为输送机倾角，δ≈10°；经计算圆周驱动力：FU=465751N；经计算轴功率：PA＝2096kW。

取电机备用系数K=1.4，计算电机功率N=K·PA=2935kW，选择电机功率2×1600kW，采用头部靠近卸载滚筒位置双传动滚筒双电机的驱动布置方式，功率配比1:1。

对于长距离、大输送量带式输送机的驱动，其启动过程是一非稳定工况，其启动特性对输送机的性能和工况影响很大。主立井至球形原煤仓带式输送机是矿井主运输系统的关键环节。由于其负荷大、惯性大，直接启动将产生很大的动张力，从而影响带式输送机的运行工况及设备安全，并对电网造成很大冲击。采用头部多机驱动系统，驱动系统相对集中，有利于设备安装、检修和集中控制。根据本带式输送机的实际情况，确定其驱动型式采用靠近头部双滚筒双电机的驱动布置型式，结合目前驱动方式使用情况、发展趋势及本带式输送机情况，选择6kV/10kV变频器配套隔爆电动机+减速器驱动。该驱动方式技术含量高，启动性能好。特别是在综采工作面不生产而掘进工作面生产时或矿井初期，以较低带速运行有很好的节能效果。采用逐点张力法+欧拉公式+下垂度条件进行逐点张力计算，经计算，带式输送机最大张力点Fmax =609530N。

（2）利用动态分析软件对带式输送机进行二次校验。带式输送机启动、制动过程的合理设计是带式输送机设计的重要内容。输送机各元件的受力状况都是在启动、制动过程中达到最大，所以分析输送机各元件的最大受力时，要对起制动过程进行动力学分析。

本次设计采用国际领先的静态设计软件（Belt Analyst TM）及动态设计软件（Dynamic Analyst TM）对带式输送机进行系统设计计算和运行分析。该软件是由美国Overland Conveyor Co.（OCC）公司开发的软件，包含带式输送机静态设计、动态设计、水平转弯分析、托辊分析、启动制动分析、滚筒表面分析等功能。本文主要针对启动工况及制动工况进行着重分析。对于制动控制，驱动停止，张紧部盘型闸制动器和制动器立即开始工作，张紧部盘型闸增加25kN的作用力于张紧部，缓解停车过程中输送带惯性力对重锤的提升作用，避免滑轮架快速冲顶。制动器提供152kN·m的制动力矩。当带式输送机满载3700t/h时，停止时间大约22s；空载停止时间约18s，图1绘出满载输送机停止速度变化曲线。

图1 制动速度变化曲线

启动输送机十分重要，需通过控制方式在启动时间内加速到4.5m/s。驱动装置采用变频器闭环矢量控制方式。输送机采用S形曲线启动方式，启动速度曲线如图2所示。

图2 启动速度变化曲线

4 驱动机房布置

主立井井口房至球形原煤仓带式输送机采用头部靠近卸载滚筒位置双传动滚筒双电机的驱动布置方式，功率配比1:1，因此，驱动机房内的布置成为设计的重点之一，而驱动机房内的布置核心是驱动装置和张紧装置。驱动装置是带式输送机的关键部件，对整机的技术性能至关重要，对矿井的正常生产具有决定性作用。因此，设计中必须合理布置带式输送机的驱动装置和张紧装置，以确保带式输送机安全、平稳、可靠地运行。

针对本驱动机房布置，提出以下方案：将驱动机房布置在选煤厂工业场地内，距离球形原煤仓水平距离约140m，由于铁路环线环绕在选煤厂工业场地外，该布置方式驱动装置需布置在距离地面约27m高空处，驱动机房与张紧间可联合布置，该方案优点为将驱动机房整体布置在选煤厂工业场地内，方便安装及以后设备维护，与张紧间联合布置布局紧凑，该方案缺点是驱动机房整体高度约为37m，驱动机房受力较大，驱动装置及滚筒检修更换较困难。综合以上优缺点分析，距离球形原煤仓水平距离约140m，距离地面约27m高空处，驱动机房与张紧间联合布置，驱动机房长×宽=21m×15m，驱动机房总高度为37m，驱动装置层布置在27m高度层位。