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煤矿井下用带式输送机技术发展方向
发布时间：2013-08-10 19:23 来源：未知
带式输送机由于具有长距离连续输送、输送量大、运行可靠、效率高与易于自动化等优点，目前已成为我国煤矿井下原煤运输系统的主要运输设备，许多煤矿正在向“运煤胶带化”方向发展，这一发展趋势已被世人所公认，随着我国高产高教矿井的出现，原有的带式输送机无论是主参数还是运行性能都已不能满足高产高效的要求，必须向长距离、高带速、大运量、大功率的大型化方向发展。据有关资料介绍，国外3- SMt/a高产高效矿井，顺槽可伸缩带式输送机主参数一般为：运距为2000～300(hn，带速为3. 5～4m/s，输送量为2500～3000t/h，驱动总功率为1200～2000kW；强力带式输送机运距则大于3000m，带速达4- Sm/s，最高可达8m/s，输送量达到3000～4000t/h，驱动总功率在1500～3000kW、最大达110000kW。目前国产带式输送机的主参数要比国外低得多，运行性能尤其是工作可靠性差距更大。当前国内外带式输送机技术发展迅速，具体表现在以下8个方面。
1、动态分析技术
采用动态分析技术进行设计，不仅可实现优化设计，降低设备的投资费用，而且还可预防运行事故的发生，提高设备运行的可靠性。带式输送机运行过程尤其是起（制）动过程中，存在着各种形式的振动，如输送带的纵向、横向与侧向振动；托辊、滚筒与减速器等元部件的旋转振动；机架振动；物料冲击振动；’基础振动等等，其中输送带的振动是最主要的。带式输送机常规的标准设计，对大型带式输送机已不能完全适用，其原因为较小的相对误差，对于大型带式输送机会带来较大的绝对误差。尤其是带式输送机的起（制）动过程是一个不稳定工况，输送带各质点的速度、加速度、张力与挠度都具有动态特征，是时间的函数。这种动态特征对于小型带式输送机影响不太明显，但对大型带式输送机就会明显地表现出来。带式输送机动态分析采用牯弹性流变力学理论，将输送带看作具有粘弹特性的弹性体，并将其离散成具有惯性、粘弹性与摩擦阻力的质量一弹簧一阻尼系统（见图1），在建立动态力学模型与数学模型的基础上，通过计算机仿真技术，采用有限元方法或差分方法来研究不同工况下，输送带内部表现出来的动应力、应变、位移、速度与加速度等物理量的动态变化与传播情况，并求解特征矩阵。应用动态分析技术对大型带式输送机进行优化设计，最直接、最明显的经济效益是较大幅度地降低输送带的安全系数，最小可达4.8。目前国内即使采用可控起动装置，其安全系数也只能取到8左右。输送带费用约占大型带式输送机费用的35%—45%，在满足安全运行条件下有效地降低输送带的强度等级与各元部件的重量，大大地节省设备费用。澳大利亚GREGORY煤矿使用的一条大型带式输送机，其主参数为：L= 10000m、B=0.9m、Q= 1400t/h．V=4.2m/s、H（提升高度）=30m、N=3×355+ 840kW，采用动态优化设计，其安全系数为4.8，仅选用ST1600钢丝绳芯强力输送带。国内官地矿即将使用的一条大型带式输送机的主参数为：L= 5400m、B=1.2m、Q=1200t/h、V=3.5m/s、H= 90m、N=4×500kW，按照常规标准设计，即使已采用可控起动装置，安全系数也只能取为8. 02，必须选用ST3500的钢丝绳芯强力输送带。该带式输送机如采用动态设计，光输送带这一项就可节省费用600多万元，经济效益相当可观。掌握动态分析技术，不仅可使我国带式输送机技术水平有一个质的飞跃，还可带来巨大的经济效益，应尽快开展这方面的研究工作。
2、可控起动技术
大型带式输送机必须有足够的起动时间，使起动加速度保持在允许范围内。运距越长、带速越高、输送量越大，起动时间就需越长。否则输送带初张力会下降，最大可下降50%左右，就会丧失输送带与传动滚筒保持正常传动所需的张力比，造成输送带在传动滚筒上打滑而不能起动。起动是一个加速过程，加速度值由零增到最大又下降至零（见图2），输送带发生粘弹性变形，处于不稳定状态而产生动张力。当带速越快、起动时间越短时，起动加速度和输送带变形越大，动张力也越大，造成巨大的瞬时冲击，就会损坏输送带与其它元部件。因而起动时间必须加以控制�？煽仄鸲褪侨砥鸲云鸲奔�、起动加速度进行控制，即在设定的起动时间内，通过控制输送带起动加速度值，来确保输送机按所要求的起动速度曲线平稳起动（见图3），并达到额定速度；同时使起动电流与起动动张力控制在允许范围内。起动时间与起动加速度应根据带速、运距、输送量等参数来确定，根据我国有关标准规定，起动加速度不得大于0. 3m/s2。采用可控起动，可使输送带初张力下降大为减少，仅下降不到lo%，可以保证输送带不打滑。可控起动技术是大型带式输送机的关键技术，是带式输送机技术先进与否的标志之一�？煽仄鸲爸玫难≡瘢悸羌际跣阅芡�，还必须考虑其经济合理性。无论选择何种可控起动装置，都必须具有以下性能：
(1)起动时间随带式输送机主参数可以任意调节，使输送机按照图3所示的起动速度曲线平稳起动，并能实现满载起动；
(2)确保输送带起动加速度值≤0.3m／S2，使输送带起动动张力控制在允许范围内；
(3)多机驱动时，应具有功率平衡的功能；
(4)电动机应能空载起动，在多机驱动时，还应具有使电动机顺序起动的功能；
(5)具有过载�；すδ�；
(6)起动时，必须降低对外界电源的电流与电压的冲击，并尽量避免对外界电源产生污染；
(7)在输送机短时停车时，还应具有可以不停电动机的功能；
(8)操作维护简便，工人易于掌握。目前国内外最常用的可控起动装置有：变频调速装置；差动轮系液粘调速装置(即CST)；液力调速装置。三种可控起动装置都具有良好的可控起动性能，都能满足输送机的可控起动要求，也都能变速运行。液力调速装置的起动调速精度虽不及其它两种，但价格低廉，只有其它两种的1／8—1110，性价比最佳，是理想的可控起动装置。对于只需可控起动，无需变速运行要求，启动调速精度的要求也不高，液力调速装置就可满足可控起动要求。国外带式输送机如澳大利亚GREGORY煤矿和西非撒哈拉的10km大型带式输送机以及澳大利亚PROK公司为马来西亚设计的6.5km和SEDGVIAN公司为印尼设计的37km超特大型带式输送机的可控起动都是采用液力调速装置。在我国液力调速装置已有成熟产品，应大力推广使用。但对于某些不足还须进一步改进提高。需要经常变速运行或对起动加速度精度有特殊要求的设备，如船舶航行、门式起重机行走以及电梯升降等，采用CST和变频凋速装置是合适的。
3、下运制动技术
下运带式输送机在停机或电源中断后，输送带在物料重力分力和整个转动部件惯性力作用下继续向下运行，带速越来越高，造成滚料或飞车事故，必须要对�；虻缭粗卸虾蟮南略舜绞渌突兄贫�。制动过程是一个减速过程，同样存在一个控制制动减速度以及输送带变形与储存能量的释放问题，如不加以控制，也会产生较大的动张力，造成巨大瞬时冲击，损坏输送带与其它元部件，因而制动过程必须能实现可控制动，最大限度地减少输送带变形，让输送带储存的能量缓慢地释放出来，达到平稳制动。在下运制动过程中，还必须避免出现输送带负张力点，严重时可能发生输送带的折叠现象。
目前国内外常用的可控制动装置有：液力制动装置；液压制动装置，盘式制动装置，煤矿井下下运带式输送机的制动装置必须满足：①制动减速度必须限制在0. 1-0.3m/s2范围内；②每小时制动10次，接触面不能产生火花，各元部件温度不得高于“煤矿井下用带式输送机技术条件”(MT820)中规定的温度；③整个采区停电也必须保证能够制动。国产液力制动装置完全满足上述技术要求，已在煤矿井下普遍使用。但其体积庞大，能源（电、液、气）复杂，易出事故等缺陷，需要加以改进提高。最有发展前途的是盘式制动装置，它体积小、重量轻，省掉一套机械抱闸制动器，操作维护简便，更适合于煤矿井下使用，但其关键技术尚未很好解决。
4、自动张紧技术
带式输送机在起（制）动过程中和正常运转时由于输送带的粘弹特性与输送量的变化，都会使输送带的张力发生变化，输送带的挠度也跟着发生变化二当挠度增大至一定值时，有可能丧失输送带与传动滚筒保持正常传动所需的张力比，导致输送带在传动滚筒上打滑而不能起（制）动与正常运转。张紧装置的主要作用，就是保证输送带有足够的张力，防止出现打滑现象。没有张紧装置的密切配合，要想获得良好的可控起（制）动与自移机尾是不可能的，自动张紧技术也是带式输送机的一项关键技术，它可大大提高输送机运转的可靠性。国产带式输送机运转事故多的因素之一，就是张紧装置性能差，工作不可靠所造成的，但目前张紧技术还不被人们所重视。大型带式输送机的张紧装置必须满足以下技术要求：①能随着输送带张力变化而能自动地调节张力与张紧行程，始终保持输送带所规定的挠度；②响应速度快，当输送带张力发生一个变化值时，张紧装置使输送带张力恢复到原值所花费的时间称为响应速度。要求响应速度越快越好，当响应速度小于输送带张力变化周期，就会使输送带获得一个稳定的张力，运行平稳；反之，输送带张力不稳定产生振动，严重时还会发生共振。最简便而有效的自动张紧装置是重力张紧装置，此种装置由于受到煤矿井下空间的限制，使用受到一定的影响，仅用于倾斜运输的带式输送机上，国内煤矿井下使用较多的是绞车与油缸相结合的自动张紧装置，绞车用于输送带大行程张紧，油缸用于小行程张紧，两者的结合而达到自动张紧的目的。经煤矿实际使用证明，此种自动张紧装置能达到输送机的起（制）动和正常运转时对输送带张紧的要求。国外使用的是液压绞车自动张紧装置，由低速大扭矩马达根据输送带张力变化，通过改变流量来有效控制绞车转速的快、慢与开、停。此种自动张紧装置的响应速度与可靠性要比国内的高得多。在设计带式输送机张紧装置时，除了满足上述技术要求外，还必须确定张紧装置最佳的安装位置，以获得最小的张紧力与张紧行程以及最快的张紧响应速度。张紧装置在不同的安装位置上，其所需张紧力与张紧行程相差甚大(见图4)。
5、中间驱动技术
高产高效矿井的出现，促使煤矿井下用带式输送机向大型化方向发展，但因受输送带强度与驱动装置的限制，单机长度还不允许过分的加长。当带式输送机主参数相同时，采用中间驱动技术，可使输送带最大张力大为下降（见图5）。在不提高输送带强度等级前提下，可最大限度地增加单机长度；单元驱动装置小、并使其功率保持在一个较为经济合理的范围内，最大限度地降低输送机的投资费用，据有关资料介绍约可降低15%左右。中间驱动的关键技术是各驱动点的带速同步与功率配比，中间驱动点数量越多，这种要求越高。目前，国内外大多采用液力调速装置来解决这个关键技术。中间驱动有两种方式：直线摩擦式与滚筒卸载式（见图5）。直线摩擦式对带速同步要求比滚筒卸载式低，主要是子带与母带可以相互滑动。但增加了一条约300m长的子带输送机，投资费用高。一般来说，这两种中间驱动方式都可用于固定式带式输送机�？缮焖醮绞渌突残杷婀ぷ髅嫱平蠡硌映せ蛩醵�，装拆子带输送机工作量大，影响工作面的推进速度，因而大多采用滚筒卸载式中间驱动。这两种中间驱动装置国内已有正式产品，中间驱动点数量已达2个，输送距离已达2200m，但在带速同步的精度上还需进一步提高，以保证运转的可靠性。中间驱动技术使单元驱动装置小，搬运、安装方便，安装空间小，巷道拓宽量大为减少，因此，井下长距离带式输送机应大力推广使用中间驱动技术。
6、高速托辊技术
在输送量相同的前提下，提高带速比增大带宽更有利。带速增高可降低输送带最大张力及其强度等级，节省设备的投资费用。但带速过高，煤尘飞扬加剧，煤尘浓度增高，对安全不利。为了安全起见，目前国外煤矿井下带速一般控制在5m/s以内，国内控制在4m/s之内。带速提高后，托辊转速也随着增大，导致托辊的旋转阻力增大和使用寿命降低。国内外托辊标准规定，转速不得超过600r/min。当托辊转速超过600r/min时，可加大托辊直径，以降低托辊转速。托辊是带式输送机的主要部件，量大面广，重量约占整机的1/3，价格约占整机的1/5 - 1/3。因此，提高托辊质量对降低能耗、节省费用、增加运行可靠性具有很大的意义。国内托辊质量低的原因是加工工艺与设备精度保证不了设计要求，造成托辊旋转阻力增大、甚至不能转动，使用寿命短、甚至用不到1-2个月就损坏了。因此必须改进托辊的加工工艺和更新设备，才能制造出高质量的高速托辊，满足大型带式输送机高带速的要求。
7、机尾快速自移技术
高产高教工作面的发展，迫切要求解决可伸缩带式输送机的机尾快速自移技术�；部焖僮砸瞥诵枰饩龌脖旧淼淖砸萍际跬猓剐杞饩鲇胱远沤糇爸玫南嗷ヅ浜系募际跷侍猓汗谠孕醒兄乒砸苹�，但都不能满足快速移动的要求，到目前为止，真正用得好的国产自移机尾还没有。国内煤矿井下用得好的自移机尾都是引进的，有两种移动方式：①机尾滚筒与转载机联接在一起，随转载机同步移动；②转载机机头骑在机尾滑道上，利用机尾本身的推进油缸，在转载机移动一段距离(一般不超过3m)后移动机尾。引进的自移机尾都具有移动速度快，纠偏能力强、刚性与防滑性能好等特点。国外自移机尾的行走履带已逐渐被行走滑撬所代替，以缩减自移机尾宽度，减小巷道宽度。为了适应高产高效工作面的快速推进，必须尽快研制高质量国产快速自移机尾。
8、电控与监测自动化技术
国外大型带式输送机都已采用高档可编程序控制器PLC，开发了先进的程序软件与综合电源继电器控制技术以及数据采集、处理、存储、传输，故障诊断与查寻等完整的自动监控系统。该系统除了自动监控输送机的可控起（制）动、带速同步与功率平衡等外，还对各种保护与安全装置、输送带张力、传动滚筒与托辊轴承温度、输送带接头强度、输送量计量等实行监测。在电控与自动监测技术方面，国内外的差距更大，国内煤矿用带式输送机仅采用了中档可编程序控制器来控制输送机的起动、正常运行、�；日龉ぷ鞴蹋淠苡肟煽仄穑ㄖ疲┒爸门浜鲜褂么锏娇煽仄穑ㄖ疲┒�、带速同步、功率平衡等功能，但没有自动监控装置、没有故障诊断与查寻。另外，安全�；ぷ爸眯阅懿焕硐胗肫分稚伲裁挥腥嗽焙艟鹊墓δ�。由于这些差距造成了国产带式输送机运行性能与工作可靠性差，故障多。因此，电控与监测自动化技术是国产带式输送机技术水平提高的一个迫切需要解决的关键技术。
9、结束语
国内外高产高教矿井的原煤运输系统，基本上都是采用带式输送机作连续运输，且输送机的主参数正在向大型化与自动化方向发展。以刚体动力学为基础的带式输送机常规标准设计，已不能适用大型带式输送机的设计。大型带式输送机主参数要比一般带式输送机大得多，以及煤矿井下运输的某些特殊工况要求，使得上述的关键技术显得尤为突出，但往往某些关键技术在国内还不被人们所重视。当今国外带式输送机技术发展迅速，其中某些技术如带式输送机动态设计与分析技术已进入当今世界高新技术领域，国内才刚起步，还没有真正应用到设计中去，因而国内外大型带式输送机技术水平存有一个不小的差距。只有采用新技术，大力开展输送机关键技术的研究，尽快攻克这些关键技术，才能使我国煤矿井下用大型带式输送机设计水平、运转性能与可靠性有一个质的飞跃，真正满足煤矿高产高效的要求。
