长距离空间弯曲带式输送机的研制.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月近年来国内外带式输送技术发展迅速，在运输距离、输送功率上不断提升1-3。津巴布韦钢铁公司装备的15.6 km越野式带式输送机用于炼钢原材料的运输；澳大利亚西部的Channar铁矿装备的20 km越野式带式输送机由2条输送带构成，分别为长10.3 km、曲率半径9 km、最大弧长4 km的越野带式长距离空间弯曲带式输送机的研制吕兆海1,2，崔峰2，沈铭华1，刘天军3，冯耀东1,4，张随林2，刘兴龙1（1.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100000；2.西安科技大学，陕西 西安 710054；3.上海科大重工集团有限公司，上海 200000；4.宁夏煤业矿山机械制造维修分公司，宁夏 银川 750001）摘要：随着宁东能源化工基地内物料运输、原材料运量需求增长，对大型输送装备的需求也不断增长。为解决与其配套的金家渠煤矿原煤运输难题，需研制长距离带式输送机。针对该带式输送机途径高速公路、高压线路，铺设线路地表起伏变化大等施工难题，结合带式输送机运行特点、基础参数对各个张力点及转弯半径进行静态设计和动态分析，以此研制出大运量、大功率永磁直驱及长距离“S”形曲线带式输送机关键部件，解决了传统输送机搭接点数量多和设备运行能耗高的难题。结果表明：地面长距离输送带运输的经济效益明显，对煤炭采掘、园区物流集散地输送方式选型具有一定的价值。关键词：空间弯曲；远距离运输；转弯半径；内曲线；托辊结构；翻带装置中图分类号：TD528+.1文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）03-0108-04Development of long distance space bending belt conveyorLYU Zhaohai1,2，CUI Feng2，SHEN Minghua1，LIU Tianjun3，FENG Yaodong1,4，ZHANG Suilin2，LIU Xinglong1（1.China Energy Investment Group Co.,Ltd.,Beijing 100000,China;2.Xian University of Science and Technology,Xian710054,China;3.Shanghai Keda Heavy Industry Group Co.,Ltd.,Shanghai 200000,China;4.Mining Mechanical Manufacturingand Maintenance Branch,Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.,Yinchuan750001,China)Abstract:With the increasing demand of material transportation and raw material transportation in Ningdong Energy and Chemicalbase,the demand for large-scale transportation equipment is also growing.In order to solve the problem of raw coal transportationin Jinjiaqu Coal Mine,it is necessary to develop long distance belt conveyor.Aiming at the belt conveyor way to highway,high-voltage lines,new wiring construction problems such as change of surface relief is big,the article combines with belt conveyoroperation characteristics,carries out static design and dynamic analysis basic parameters on the turning radius and every tension todevelop large capacity,high power permanent magnet direct-drive and long distance belt conveyer with“S”type curve of keyparts.The problems of large number of traditional conveyor joints and high energy consumption in equipment operation are solved.The results show that the economic benefits of long-distance conveyor belt transportation on the ground are obvious,which hascertain value for the selection of transportation mode in coal mining and logistics distribution center of the park.Key words:space bending;long-distance transportation;turning radius;inner curve;supporting rod structure;tape turning deviceDOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.029吕兆海，崔峰，沈铭华，等.长距离空间弯曲带式输送机的研制 J.露天采矿技术，2023，38（3）：108原111.LYU Zhaohai,CUI Feng,SHEN Minghua,et al.Development of long distance space bending belt conveyor 允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:108原111.移动扫码阅读收稿日期：2022-07-圆4责任编辑：张夙基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51904227）；国家自然科学基金面上资助项目（51874231）作者简介：吕兆海（1980），男，安徽界首人，高级工程师，博士，2017 年毕业于西安科技大学，从事煤矿安全生产管理、采场稳定性安全评价方面的技术工作。108露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月输送机和长为10.1 km的直线式带式输送机；江苏景阳水泥厂的1台带式输送机单机长为16 km，总装机功率达到15 000 kW。东北大学对托辊的运行阻力与输送带速相互关系进行研究，分析不同带速下输送系统运行状态；上海交通大学在带式输送机横向、纵向振动理论基础上，提供与计算机技术相结合的整体设计方案。太原理工大学吴波等基于AMESim软件建立了长距离带式输送机的动态仿真模型。综上，结合目前针对带式输送机的研究，国家能源集团宁煤公司与上海科大重工集团攻克了横跨高速公路、高压线路及地表起伏变化大的施工难题，研制出大运量、大功率永磁直驱、高带速、长距离“S”形曲线转弯带式输送机4-5。1长距离弯曲带式输送机总体概况金家渠煤矿设计生产能力400万t/a，生产的原煤需运至金凤洗煤厂进行洗选加工，铁路、公路运输投资大、运输成本高；带式输送机运输方式具有投资少、运输成本低、受外部环境影响小的优势。金家渠原煤仓至金凤煤矿洗煤厂研制了1条5.7 km长距离曲线转弯带式输送机，采用弯曲设计的运行线路绕开不利地段，实现少设转载点，系统供电和控制更为集中。该输送机带宽1.2 m，额定运量1 200 t/h，最大运量1 320 t/h，带式输送机速度3.55 m/s，装机功率3伊630 kW(永磁同步电动机)。2空间弯曲带式输送机关键参数综合运用CEMA标准、ISO5048标准、DIN22101标准和GB/T 171191997标准，采用黏弹性理论和逐点计算阻力、张力的算法，进行系统静态设计和动态分析理论、关键部件部件研制、集成安装、调试与运行维护等。长距离带式输送机设计流程如图1。2.1带式输送机模型采用黏弹性Kelvin模型，建立带式输送机系统动态分析有限元模型，将整条输送带离散为多自由度闭环结构，并将拉紧装置简化为1个分支结构。输送机运行过程中，弹性模量随张力非线性变化，运行阻力和驱动装置的机械特性均为非线性，采用AMESim计算输送带动力响应。带式输送机由托辊、输送带、驱动系统、电子控制系统和支撑架等组成。其中输送带作为典型柔性体，缠绕于驱动滚筒及改向滚筒周围，根据欧拉公式，靠近与离开滚筒的输送带发生弹性变形，该位置经常出现动态问题，如直接启动输送机时，输送带受到的动张力与静张力的联合作用，且此时动张力会出现1个极大值。将输送带看作柔性体采用柔性方式仿真，驱动滚筒及其余部件当作刚体进行分析。输送带静特性是指静应力与静应变的关系，即表示为：E越滓着=FA着（1）式中：E为输送带本身静弹性模量，Pa；滓为输送带受到的静应力，Pa；着为输送带发生的静应变，m；F为驱动滚筒施加给输送带摩擦力，N；A为输送带受力区域横截面积，m2。输送带看作大柔性、强黏弹性的离散部件，采用弹簧单元与阻尼单元串联而成的模型表现整体张力水平及变动情况。图 1带式输送机设计流程109露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 2长距离带式输送机计算驱动系统主要是由驱动电机、联轴器、减速器、启动装置及传动滚筒组成，电机实际转矩M为：M越（2+q）浊Mn/S/Sn+Sn/S+q（2）式中：Mn为电机的额定转矩，Nm；浊为电机过载系数；S为电机实际运行中转差率；Sn为电机额定转差率；q为电机特定系数，与电机本身工艺相关。将转差率用转速表示，电机系数q为最大转差率2倍代入式（2）得：M越Mmax2（1+Sm）Smno（no-nd）-nd/（no-nd）2+（noSm）2+2S2m（no-nd）no（3）式中：Sm为电动机输出最大转矩下的转差率；no为电动机同步转速，r/min；Mmax为电动机最大输出转矩，Nm；nd为电机具体到某一时刻转速，r/min。2.2计算机辅助设计采用计算机辅助设计系统，对带式输送机张力和强度进行静动态计算，对系统功率进行优化配置，长距离带式输送机计算如图2。1）已知条件。带宽B为1.2 m；带速V为3.55m/s；输送量Q为1 200 t/h；头尾滚筒水平中心距Lh为5 630 m；总提升高度H为6 m；中部某特征点至头部卸载的水平距离L2为5 630 m；中部某特征点至头部卸载的水平提升高度H2为6 m；系统水平段的距离L4为4 270 m；系统上升段的距离L5为890 m；系统上升段的提升高度H4为68 m；系统下运段的距离L6为470 m；系统下运段的提升高度H5为62m；带式输送机倾角为8毅8.5毅；I#传动滚筒的围包角椎1为200毅；II#传动滚筒的围包角椎2为200毅；尾部传动滚筒的围包角椎3为200毅；III#传动滚筒的围包角椎4为200毅；带式输送机与传动滚筒间的摩擦系数滋为0.3。2）功率计算。驱动装置数量m=3；系统空载运行的轴功率N1=693.8 kW;系统满载运行的轴功率N2=1 252.2 kW。3）主要点张力及张紧力的计算。驱动力分配系数（I#传动滚筒）kf1=0.36；驱动力分配系数（II#传动滚筒）kf 2=0.36；驱动力分配系数(尾部传动滚筒)kf3=0.28；空载时I#传动滚筒驱动力FkI=70 361.6 N；空载时域#传动滚筒驱动力FkI=70 361.6 N；空载时尾部传动滚筒驱动力Fkw=54 725.7 N；满载时I#传动滚筒驱动力Fm1=126 981.5 N；满载时域#传动滚筒驱动力FmII=126 981.5 N；满载时尾部传动滚筒的驱动力Fmw=98 763.4 N；满载时主要张力点的张力取S1=70 000 N；系统张紧力T逸140 000 N。3空间弯曲长距离带式输送机输送机设计3.1主要技术参数带式输送机涉及2个水平转弯段，所需输送带带强更高，采用纵向防撕裂加预埋感应线圈型钢绳芯带式输送机，强度ST2500，带式输送机输送带厚22 mm。采用头部双滚筒双电机+尾部单滚筒单电机，实现减少输送带张力的同时保证了驱动装置的通用性6-7。主要技术参数为：淤张紧装置拉紧力15 t；于输送带第1处水平转弯转角10.29毅、转弯半径2 250 m；盂输送带第2处水平转弯转角30.205毅、转弯半径2 650 m；榆立面转弯共14处：转弯半径分别为400、500、800、1 000、1 500 m；虞内水平曲线转弯抬高角承载侧0毅耀4毅、回程侧0毅耀9毅。3.2静态设计采用逐点计算法得到带式输送机各种工况所需功率及带式输送机所需最大张力，静态计算结果见表1。3.3主要零部件设计与选型1）多点驱动功率分配技术。采用头部2台、尾部1台驱动装置，实现尾部驱动只驱动回程带式输送机的阻力，避免尾部驱动反拉张紧而增大拉紧力。在尾部驱动滚筒奔离点处设置张力传感器，来控制尾部驱动力的大小，确保尾部驱动出力约等于回程带式输送机的全部运行阻力。2）空间转弯带式输送机的设计要点。平面转弯带式输送机设计核心问题是转弯段线路和转弯措施。表 1静态计算结果工况头部和尾部所需功率/kW最大张力/kN输送带安全系数冬季空载夏季空载冬季 1 200 t/h夏季 1 200 t/h7707051 2401 14519516829527615.3617.8310.1710.88110露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月为合理选择结构形式，进行强度和刚度计算，确定转弯半径为2 650 m，制造转弯处托辊组、中间架及支腿，托辊组的槽角250毅600毅，内曲线抬高角臆150毅，托辊的倾斜角度10毅20毅。3）转弯方案制定。空间转弯输送机在弯曲处需要通过导向力平衡输送带张力引起的向心力。针对该项目水平转弯较多，转角大的特点，制订解决方案：淤深槽角布置：转弯段托辊槽角设计为45毅；于前倾布置：依据各转弯段转角、半径及带式输送机张力设计转弯段托辊前倾角度，沿纵向前倾1毅耀2毅布置；盂内曲线抬高：依据各转弯段转角、半径及带式输送机张力设计转弯段托辊内曲线抬高角度；榆对于转弯半径小于1 500 m的弯曲段加密托辊布置，以增加带式输送机与局部延伸。4）翻带装置。带式输送机翻转装置的设置可以确保带式输送机承载边始终处于上方，避免带式输送机上黏附物料运行中抖落，减小带式输送机承载面和回程托辊的相互磨损。5）可控液压盘式制动器。可控液压盘式制动装置采取柔性制动，保证输送带任何工况下停车减速保持在0.3 m/s2范围内，确保不撒物料；当控制或拖动系统突然断电、拖动电机超速、输送带打滑时，能够可靠制动；能够与系统PLC控制联锁，便于系统检测油压和油温。3.4关键技术集成1）大功率永磁直驱分配与协调控制技术。长距离带式输送机采用多驱动系统，减少带式输送机强度。采用头尾2驱动方式，功率配比为2颐1，以头部1#驱动为主驱动，2#驱动从速度和力矩2方面与1#驱动闭环跟进；3#驱动的输出力矩和投入的时间完全由尾部张力传感器的张力大小决定，尾部驱动滚筒最小张力为70 kN。系统驱动电机采用新型的高效、节能的永磁电机，具有效率高，可控性强，免维护等特点。2）变频驱动控制与技术。变频控制驱动方式可实现平稳起动和起动时间可调，可带负载起动；变频起动没有起动频率的限制，可以在运行过程中进行调速，具有节能优点。3）起动控制。在高速大运量长距离输送机系统的带式输送机带载状态下，满载时系统的惯性质量为1 380 t，研制具有预张紧阶段的起动方式，总体时间为200 s，平均加速度为0.02 m/s2。3.5应用效果国内外同类技术主要参数比较见表2。表 2国内外同类技术主要参数比较系统综合模拟摩擦系数系统综合效率/%0.03760.022820.01895参数带宽/m输送量/（t h-1）水平机长/m驱动功率/kW国内先进国外先进本设计1 0001 2001 2001 20015 8202 4002 20019 3554 0001 2005 6381 890带速/（m s-1）最大转角/（毅）3.15254.63.5530.205从表2可以看出：金家渠长距离带式输送机智能化指标、易操控性指标、效率指标、节能指标均处于国内外领先水平。长距离带式输送机可沿空间地形水平曲线转弯布置，工艺简化，无转运站，减少了故障点和系统运行能耗；回空带式输送机通过翻转使物料不散落飞扬，避免了环境污染；用电设备集中，减少了占地，同时由于永磁直驱电机为同步电机，效率至少比异步电动机高10%以上。4结语1）采用“S”形水平曲线转弯带式输送机设计技术设计了金家渠矿长距离空间弯曲带式输送机。金家渠矿带式输送机有2处水平转弯，呈“S”形布置，带式输送机头尾水平夹角20毅，且在带式输送机中部还存在立体空间转弯。基于水平转弯段的理论计算与设计方法，实现了带式输送机内侧多级孔逐步抬高或降低。2）建立了输送机系统动力分析的有限元模型，对带式输送机动力响应计算，对各种工况进行静态设计与动态仿真分析，确保系统设计高性能、低成本、安全可靠。在带式输送机的头尾部设计开发了新型回程带式输送机翻转装置，有效防止承载面在回程段沿途撒料和磨损回程托辊。3）采用了头尾驱动系统功率分配与协调控制技术、变频驱动控制技术、起动控制技术等关键技术集成。采用大功率永磁直驱分配技术，研制了变频软驱（下转第114页）111露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月动、系统检测、控制与保护、尾部驱动器输送带张力控制等技术，实现了带式输送机加速度可控起动、减速度可控停机以及多驱动点的功率分配和平衡。参考文献：员 曹彦斌援长距离平面转弯带式输送机设计 允 援矿山机械，圆园员缘，源猿（圆）：缘员原缘猿援圆 董建平，李佐录援长距离平面转弯带式输送机设计分析 允 援中国设备工程，圆园员远（员苑）：愿怨原怨园援猿 李金亮，曾繁杰援煤矿井下长距离平面转弯带式输送机设计计算 允 援煤矿机械，圆园圆员，源圆（员圆）：苑原怨援源 宋伟刚援散装物料带式输送机设计 酝 援沈阳：东北大学出版社，圆园园圆援缘 张振文，宋伟刚援带式输送机工程设计与应用 酝 援北京：冶金工业出版社，圆园员缘援远 吕兆海，武贵田，王有林，等援空间弯曲长距离带式输送机输送机安装工艺研究 允 援矿山机械，圆园员怨（员圆）：圆源原圆怨援苑 彭建华援我国 源 种运输方式安全生产水平比较研究 允 援中国安全科学学报，圆园员怨，圆怨（员园）：员猿缘原员源园援（上接第111页）3更换830E后制动器专用工具的设计1）基本原理。更换后制动器专用工具包括底座、支架、引丝3部分。通过引丝将制动器连接到专用工具支架上，再调节液压升降平台小车，就可以进行830E后制动器的拆卸和安装。使用该装置可以代替人工拆装，降低检修人员的劳动强度7-8，提高检修的安全。2）关键技术。根据卡车实际情况，通过合理设计制造该专用工具，使用液压设备代替人工操作。重型卡车后制动器更换时，因制动器沉重，维修作业空间狭小，因此更换时十分困难，且存在较大安全隐患，该专用工具解决了在狭小空间安装超重超大零件的难题。3）工艺流程。淤拆卸后制动器：松开并取下2条制动器固定螺栓，起升平台小车，调节专用工具并用2条长引丝将专用工具与制动器连接，松开制动器其余螺栓，调节专用工具调节螺栓使制动器脱离固定架，起升平台小车取出制动器：移除平台小车放下制动器;于安装制动器：将制动器安装在2条长引丝上，起升平台将制动器放置在固定架上，调节专用工具螺栓将长引丝与制动器固定在固定架上，调节专用工具螺栓安装剩余螺栓，松开引丝取出专用工具，安装剩余2条螺栓并紧固全部螺栓。使用专用工具可将制动器快速取下，提高工作效率，降低工人劳动强度，实现检修的安全高效。4）主要指标对比。日常故障检修需要4名工作人员，分别在卡车轮毂上及卡车轮毂旁配合作业，2个人在卡车轮毂狭小的空间内将50 kg的制动器取下，然后递给另外2名检修人员，4人协同作业需要3 h才能完成，作业难度大，劳动强度高且存在安全隐患。现在仅需2个人2 h，用机械代替人工，可以提高60%作业效率，提高检修效率也更加安全。4结语通过分析830E卡车后轮制动总成的工作原理，根据制动总成的结构特点，结合830E制动总成在更换时遇到的问题设计制造了一款专用工具，更换830E后制动专用工具使用后，可以使用液压机械代替人工操作能大幅降低维修人员劳动强度，提高检修效率，该装置还可以运用到SF3900矿用重型卡车后制动更换中，减少卡车停机时间，大幅提高了卡车的剥离量，为检修人员降低了劳动强度，为煤炭企业增加了收益。参考文献:1 王增才.汽车液压控制系统 M.北京：人民交通出版社，2012.2 曾标.混合矿用车再生制动能量回收系统的仿真研究D.包头：内蒙古科技大学，2019.3 徐云，奎丽荣，周红.电路实验与测量 M.北京：清华大学出版社，2008.4 杨洋，张文明，梁希民.电动轮自卸车电制动系统设计与制动效能分析 J.工程机械，2008（2）：44-46.5 小松公司援930E原4 交流传动卡车机械培训教材 G 援小松公司，2011援6 狄瑞.浅谈现代矿用卡车电传动控制系统 J.科技创业月刊，2013（1）：185-186.7 王志芳.JKQ-25 矿用卡车制动系统的性能分析 J.矿山机械，2005（Z1）：18-19.8 沈兴全援液压传动与控制 M 援北京：国防工业出版社，2014援114