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免費畢業論文--普通帶式輸送機的設計論文(一)
普通帶式輸送機的設計
摘要 本文在參考常規下運帶式輸送機設計方法的基礎上，分析了常見驅動方式和制動方式用于長運距、大運量下運帶式輸送機上的優缺點，提出該運輸機可采用的驅動和制動方式；分析了常見軟起動裝置及其選型方法，歸納總結出長運距、大運量變坡輸送下運帶式輸送機設計中的關鍵問題和可靠驅動方案和制動方式優化組合的可行方案；通過常規設計計算，提出了合理確定張緊位置、張緊方式及張緊力大小的方法；對驅動裝置及各主要部件進行了選型并校核。
長距離變坡下運帶式輸送機運行工況復雜，在設計方面需考慮各種可能的工況，并計算最危險工況下輸送機的各項參數，同時為保證運行過程中輸送機各組成部分能適應載荷及工況的變化需將拉緊力統一，然后重新計算各工況下輸送機參數，最終確定整機參數。
本論文對長運距、大運量變坡下運帶式輸送機，綜合考慮各方面的因素，采用合理的驅動方案、制動方式和軟啟動裝置組合，有效保證長運距、大運量變坡下運帶式輸送機的可靠運行。
關鍵詞：帶式輸送機 下運 長距離 變坡
STUDY ON COMMON TRANSPORTING BELT-CONVEYER
ABSTRACT Based on the design method for the conventional Downwards Transporting Belt-Conveyer (DTBC), the common used driving and braking devices were analyzed in the condition of long-distance and heavy-capacity. The driving and braking types were presented for this kind of conveyer. The soft-starting devices and their type-selection were analyzed. The key points were summarized for designing the long-distance, heavy-capacity DTBC used in varying slope environment. The reliable combined scheme of driving and braking units was put forward. The methods for determining the tensioning location, type and the amount of tensioning force based on the results of conventional calculations. The criterion was summarized for selecting driving device and the main components in the conveyer.
Due to the complicated operational condition of long-distance and varying slope DTBC, it is necessary to consider every kind of possible working conditions during its design and calculate the parameters in the most dangerous condition. At the same time, it is necessary to uniform the tensioning force in order to suit the variations of the load and condition. Then the conveyer's parameters should be re-calculated under various conditions and the parameters should be determined finally.
The research of this paper shows that by using reasonable combination of driving scheme, braking mode and soft-starting device and by determining the schemes for braking and soft-starting from the dynamical analysis and simulation, the reliable operation could be guaranteed for the long-distance, heavy-capacity and varying slope DTBC.
Key word Belt-conveyer, Downwards transportation, long-distance, Varying slope
目 錄
1 緒論………………………………………………………………………………1
2.輸送機的發展與現狀……………………………………………………………2
2.1國內外帶式輸送機的發展與現狀 ……………………………………………2
2.1.1國外煤礦用帶式輸送機技術現狀和發展趨勢 ……………………………2
2.1.2國內煤礦用帶式輸送機的技術現狀及存在的問題 ………………………3
2.1.3我國煤礦用帶式輸送機的發展 ……………………………………………3
2.2選題背景 ………………………………………………………………………4
2.2.1主要技術參數 ………………………………………………………………4
2.2.2線路參數 ……………………………………………………………………5
2.2.3物料特性 ……………………………………………………………………5
2.2.4帶式輸送機工作環境 ………………………………………………………5
2.3本課題的研究內容 ……………………………………………………………6
2.3.1長運距、大運量下運帶式輸送機關鍵技術分析研究 ……………………6
2.3.2帶式輸送機的設計及驅動、制動方案的分析 ……………………………6
3長距離、大運量下運帶式輸送機關鍵技術的分析 ……………………………7
3.1下運帶式輸送機基本組成 ……………………………………………………7
3.2驅動方案的確定 ………………………………………………………………7
3.3帶式輸送機制動技術 …………………………………………………………8
4 長距離大運量下運帶式輸送機的設計…………………………………………11
4.1 帶式輸送機原始參數…………………………………………………………11
4.2 帶式輸送機的設計計算………………………………………………………11
4.2.1輸送帶運行速度的選擇……………………………………………………11
4.2.2輸送帶寬度計算……………………………………………………………12
4.2.3初選輸送帶…………………………………………………………………12
4.3輸送機布置形式及基本參數的確定…………………………………………13
4.3.1輸送帶布置形式……………………………………………………………13
4.3.2輸送機基本參數的確定……………………………………………………13
4.4線路阻力的計算………………………………………………………………14
4.5輸送帶張力的計算……………………………………………………………15
4.5.1張力計算時各種運行工況的討論…………………………………………16
4.5.2 最大發電狀態下張力計算 …………………………………………………16
4.5.3 最大電動狀態下張力計算 …………………………………………………19
4.5.4滿載狀態下張力計算………………………………………………………20
4.5.5三種工況綜合分析張力計算………………………………………………21
4.5.6電機數量與配比的選擇……………………………………………………24
4.6 滾筒的選擇與減速器的選擇…………………………………………………24
4.6.1傳動滾筒直徑的選擇………………………………………………………24
4.6.2改向滾筒直徑選擇…………………………………………………………24
4.6.3減速器的選型………………………………………………………………24
4.7 制動器裝置的選擇……………………………………………………………25
4.7.1目前主要的制動裝置原理與性能…………………………………………25
4.7.2制動器的選用原則…………………………………………………………27
4.7.3制動器的選擇………………………………………………………………27
4.8軟起動裝置的選擇……………………………………………………………28
4.8.1 目前主要的軟起動裝置原理與性能………………………………………28
4.8.2 軟起動裝置的選用…………………………………………………………31
4.9拉緊裝置………………………………………………………………………31
4.9.1張緊位置的確定……………………………………………………………32
4.9.2拉緊力及拉緊形成的計算…………………………………………………32
4.9.3拉緊裝置選擇………………………………………………………………32
5 結論………………………………………………………………………………34
致謝 ………………………………………………………………………………35
參考文獻 …………………………………………………………………………36
外文文獻原文
譯文
1 緒論
帶式輸送機的最新發展方向時一呈現長距離、大運量、高速度、集中控制等特點。與其他運輸設備(如機車類)相比，不僅具有長距離、大運量、連續運輸的特點，而且運行可靠，易于實現自動化和集中控制，經濟效益十分明顯。帶式輸送機也是煤礦最為理想的高效連續運輸設備，特別是煤礦高產高效現代化的大型礦井，帶式輸送機己成為煤炭高效開采機電一體化技術與裝備的關鍵設備。
隨著煤礦現代化的發展和需要，我國對大傾角固定帶式輸送機、高產高效工作面順槽可伸縮帶式輸送機及長運距、大運量帶式輸送機及其關鍵技術、關鍵零部件進行了理論研究和產品開發，應用動態分析技術和中間驅動與智能化控制等技術，研制成功了軟啟動和制動裝置以及PLC控制為核心的電控裝置，并且井下大功率防爆變頻器也已經進入研發、試制階段。隨著高產高效礦井的發展，帶式輸送機各項技術指標有了很大提高。
本文在對常規下運帶式輸送機驅動及制動方案的理論研究的基礎上，提出長運距、大運量下運帶式輸送機常見驅動方式和制動方法，通過系統的動態建模計算和仿真分析，將靜態設計結論和動態分析結果相結合，指出長運距、大運量下運帶式輸送機啟動、運行和制動過程中存在的問題，并提出可行的控制理論和解決方案。
2 輸送機的發展與現狀
2.1 國內外帶式輸送機的發展與現狀
長距離、大運量、高速是帶式輸送機的最新發展方向。與其他運輸設備(如機車類)相比，帶式輸送機不僅具有長距離(單機長度可達5000米，而且可以實現多機進行串聯搭接，運距可達206km )、大運量、連續運輸的特點，而且運行可靠，易于實現自動化和集中控制，經濟效益十分明顯。帶式輸送機運行維護費用遠遠低于公路汽運方式，而且只要生產時間超過5年，帶式輸送機輸送方式比公路汽運的總投資要小得多[21]所以在企業的生產過程中，凡能實現帶式輸送機輸送的場合，一般都采用連續的帶式輸送機輸送。與其他設備相比，帶式輸送機有以下優點：
(1)輸送物料種類廣泛；
(2)輸送能力范圍寬；
(3)輸送線路的適應性強；
(4)靈活的裝卸料，可以靈活實現一點或多點受料或卸料；
(5)可靠性和安全性高；
(6)費用低。
國外對于長距離地面輸送帶式輸送機的研究和使用較早，主要用于
港口、鋼廠、水泥廠、礦山等場合。帶式輸送機也是煤礦最為理想的高
效連續運輸設備，特別是煤礦高產高效現代化的大型礦井，帶式輸送機
己成為煤炭高效開采機電一體化技術與裝備的關鍵設備。
2.1.1 國外煤礦用帶式輸送機技術現狀和發展趨勢
表2.1 國外帶式輸送機的主要技術指標
主要參數 國外300--500萬t/a高產高效礦井
順槽可伸縮帶式輸送機 大巷與斜井固定式強力帶式輸送機
運距（m） 2000—3000 >3000
帶速（m/s） 3.5—4 4—5，最高達8
輸送量（t/h） 2500—3000 3000—4000
驅動總功率（kw） 1200—2000 1500—3000，最大達10100
國外帶式輸送機技術的發展主要表現在三個方面[1]：(1)帶式輸送機功能多元化、應用范圍擴大化，如大傾角帶式輸送機、管狀帶式輸送機、空間轉彎帶式輸送機等各種機型；(2)帶式輸送機本身的技術向長運距、大運量、高帶速等大型帶式輸送機方向發展；(3)帶式輸送機本身關鍵零部件向高性能、高可靠性方向發展。在煤礦井下，由于受環境條件的限制，其帶式輸送機的技術指標要比地面用帶式輸送機的指標為低。國外通常使用的帶式輸送機的主要技術指標如表2.1所示。
2.1.2 國內煤礦用帶式輸送機的技術現狀及存在的問題
從20世紀80年代起，我國煤礦用帶式輸送機也有了很大發展，對帶式輸送機的關鍵技術研究和新產品的開發都取得了可喜的成果，輸送機產品系列不斷增多，從定型的SDJ, SSJ, STJ, DT等系列發展到多功能、適應特種用途的各種帶式輸送機系列，但這一階段的發展大都基于我國70年代前后引進帶式輸送機的變形和改進，主體結構沒有大的變化。進入90年代后，隨著煤礦現代化的發展和需要，我國對大傾角帶式輸送機、高產高效工作面順槽可伸縮帶式輸送機及長運距、大運量帶式輸送機及其關鍵技術、關鍵零部件進行了理論研究和產品開發，應用動態分析技術和中間驅動與智能化控制等技術，研制成功了軟啟動和制動裝置以及PLC控制為核心的防爆電控裝置。隨著我國煤礦高產高效礦井的發展，煤礦井下帶式輸送機到目前己達到表2.2所示的主要技術指標。
表2.2 國內帶式輸送機的主要技術指標
主要參數 順槽可伸縮帶式輸送機 大巷與斜井固定式強力帶式輸送機
運距（m） 2000—3000 >4500
帶速（m/s） 2.5—4.5 3-5
輸送量（t/h） 1500—3000 2000—3000
驅動總功率（km） 900—1600 1500—3000
從表2.1和表2.2的比較可以看出，我國煤礦高產高效礦井配套國產帶式輸送機的水平基本達到了國際水平。目前，在帶式輸送機產品中，主要存在的問題但關鍵零部件的可靠性水平還有待于進一步提高。
在煤礦井下，由于煤層和井下地質結構等原因，有時不得不采用下運帶式輸送機。由于下運方式對制動技術、可靠性、安全性等要求較高，在礦井開拓及運輸方式設計時，大都盡量避免下運運輸方式，這也是目前下運帶式輸送機應用較少的原因。
2.1.3 我國煤礦用帶式輸送機的發展[1]
（1）大型化、智能化
為了適應高產高效集約化生產的需要，帶式輸送機的運輸能力要加大，控制自動化水平要提高，長運距、高帶速、大運量、大功率是帶式輸送機今后發展的必然趨勢。在今后的10年內，輸送量要達到4000～5000t/h，帶速要提高到6m/s，順槽可伸縮輸送機頭部集中驅動要達到3000米，對于固定強力帶式輸送機要達到5000米，單機驅動功率1000～1500KW,輸送帶要達到PVG3150和ST6000以上。
（2）提高關鍵零部件的性能和可靠性
設備開機率的高低主要取決于輸送機關鍵零部件的性能和可靠性。而要提高關鍵零部件的性能和可靠性，除了進一步完善和提高現有零部件的性能和可靠性外，還要不斷開發研究新的技術和零部件，如高性能可控軟啟動技術、動態分析與監控技術、高效儲帶裝置、快速自移機尾、高壽命托輥等，使帶式輸送機的性能進一步提高。
（3）擴大功能，一機多用化
帶式輸送機是一種理想的連續運輸設備，但目前其效能還沒有充分發揮，資源有所浪費。如將帶式輸送機結構作適當修改，并采取一定的安全措施，就可拓展到運人、運料或雙向運輸等功能，做到一機多用，使其發揮最大的經濟效益。
（4）開發專用機種
中國煤礦的地質條件差異較大，在運輸系統的布置上經常會出現一些特殊要求，如彎曲、大傾角(>25°)直至垂直提升、長運距下運帶式輸送機等，而有些場合常規的帶式輸送機是無法滿足要求的。為了滿足煤礦井下的某些特殊要求，應開發滿足這些特殊要求帶式輸送機，如波紋擋邊輸送機、管狀帶式輸送機、平面轉彎帶式輸送機、線摩擦多驅動帶式輸送機、大傾角上運帶式輸送機、打傾角下運帶式輸送機等。
2.2 選題背景
充礦集團東灘煤礦東翼一采區儲量約1億噸，該采區的原煤運輸全部由一采區主運輸大巷固定帶式輸送機擔負，該輸送機運距3005米，運量1800噸/小時，提升高度-175米，是屬于典型的煤礦井下長運距、大運量下運帶式輸送機。東灘煤礦東翼一采區運輸大巷固定帶式輸送機的設計參數說明如下：
2.2.1 主要技術參數
輸送能力 Q=1800t/h
輸送長度 L=3005m
輸送帶寬度 B=1200mm
2.2.2 線路參數
東翼一采區上山主運輸大巷共3005米，可簡化為如圖2.1所示的八段:第一段(1點到2點)平運，長度540米;第二段(2點到3點)下運，水平長度207米，提升高度－27.1米;第三段(3點到4點)平運，水平長度62米；第四段(4點到5點)下運，水平長度518米，提升高度－82米;第五段((5點到6點)平運，長度470米;第六段(6點到7點)上運，水平長度360米，提升高度18.9米;第七段((7點到8點)下運，水平長度400米，提升高度－28.4米:第八段(8點到9點)下運，水平長度435米，提升高度－56米;整機水平長度2992米，運輸長度3005米。
圖2.1 輸送線路參數圖
2.2.3 物料特性
輸送物料 原煤
物料密度 ρ=900kg/m3
物料安息角 50°
2.2.4 帶式輸送機工作環境
安裝地點：東灘煤礦東翼一采區上山主運輸大巷，底板為煤。
環境溫度：0～35℃ 。
由于帶式輸送機巷道起伏不平，變坡點較多，致使此帶式輸送機運行工況相當復雜，是目前國內乃至國外煤礦井下運行工況最為復雜的帶式輸送機之一:從另一方面，下運帶式輸送機運行安全可靠性要求高，控制系統復雜，且我國目前對下運帶式輸送機的理論研究較少，特別是長運距、大運量下運帶式輸送機系統的工況分析、動態分析、啟動、制動技術研究較少，這也是本文選擇長運距、大運量下運帶式輸送機進行研究的目的。
2.3 本課題的研究內容
2.3.1 長運距、大運量下運帶式輸送機關鍵技術分析研究
通過下運帶式輸送機驅動裝置的各種組成方案的分析比較，以及常規長運距、大運量下運帶式輸送機驅動方案中軟制動技術和軟起動技術的理論研究，提出長運距、大運量下運帶式輸送機常見驅動方式和制動方法，并分析常見驅動方式和制動方法的優點和存在問題，歸納總結出長運距、大運量下運帶式輸送機關鍵驅動方案和制動方式選擇的依據。
2.3.2 帶式輸送機的設計及驅動、制動方案的分析
針對充礦集團東灘煤礦東翼一采區主運輸大巷固定下運帶式輸送機的設計參數及其特殊的工作環境所形成的復雜工況，首先對正常運行時工況進行設計計算，然后再對空載及最大正功和最大負功工況進行計算，再對各種工況的計算結果分析討論，最后確定合理的張緊方式及張緊力大小，提出合理的張緊裝置的選型。
通過各種工況的計算、分析比較，提出合理的驅動裝置中，電機、減速器、軟起動裝置(調速型液力耦合器)及軟制動裝置各部件的選型方案。
3 長距離、大運量下運帶式輸送機關鍵技術的分析
3.1 下運帶式輸送機的基本組成
帶式輸送機的組成如圖3.1所示[2]，主要其有:輸送帶、驅動裝置(電動機、減速機、軟起動裝置、制動器、聯軸器、逆止器)、傳動滾筒、改向滾筒、托輥組、拉緊裝置、卸料器、機架、漏斗、導料槽、安全保護裝置以及電氣控制系統等組成。
1-頭部漏斗 ；2-機架；3-頭部掃清器；4-傳動滾筒 5-安全保護裝置；6-輸送帶；7-承載托輥；8-緩沖托輥；9-導料槽；10-改向滾筒；11-拉緊裝置 12-尾架；13-空段掃清器；14-回程托輥；15-中間架；16-電動機；17-液力偶合器；18-制動器；19-減速器；20-聯軸器
圖3.1 帶式輸送機組成示意圖
3.2 驅動方案的確定
帶式輸送機的驅動部是整機組成的關鍵部件。驅動部配置是否合適，直接影響帶式輸送機能否正常運行。長距離、大運量帶下運帶式輸送機對驅動部的要求比通用帶式輸送機的要求更高，它要求驅動裝置能提供平穩、平滑的起動和停車制動力矩，以保證輸送帶不出現超速、打滑及輸送帶上的物料不出現滾料和滑料現象。為此要求驅動裝置具有一個制動力可隨時調整的制動器，以保證起動和停車制動的可控，極大地減小對物料的沖擊。同時，在輸送機空載起車時還必需保證起動的平穩性。
下運帶式輸送機受地形條件(如起伏較大)和裝載量的影響，其起動工況比較復雜，應考慮如下幾種：
(1)負載量小或空載，松閘后帶式輸送機不能自起動；
(2)負載量較大，松閘后帶式輸送機能自起動，但自然加速度較小；
(3)負載量大，松閘后帶式輸送機能自起動，且自然加速度較大。
下運帶式輸送機在正常運行時，電動機也存在發電工況、電動工況交織運行的問題，所以在設計中，一般較少考慮軟起動裝置。帶式輸送機配下運帶式輸送機在正常運行時，電動機也存在發電工況、電動工況交織運行的問題，所以在設計中，一般較少考慮軟起動裝置。帶式輸送機配置軟起動裝置，可有效降低起、制動過程的動張力，延長輸送帶及接頭的使用壽命，甚至可降低輸送帶強度，具有很大的經濟意義。對此《煤礦安全規程》作了相應規定。
由于下運帶式輸送機一般情況下電動機工作在發電工況，空載時電動機工作在電動工況。目前常用的下運帶式輸送機驅動部典型設備配置如表3.1所示。
表3.1 常用下運帶式輸送機驅動部組合表
組合
設備 1 2 3 4 5
電動機 單機或多機1:1(或2:1)驅動 單機驅動或多機1:1(或2:1)驅動 多電機1:1(或2:1)驅動 多電機1:1(或2:1)驅動 多電機1:1(或2:1)驅動
軟起動 無 限矩型液力偶合器 限矩型液力偶合器 調壓電氣軟起動 滑差離合器
減速器 垂直軸或平行軸 垂直軸或平行軸 垂直軸或平行軸 垂直軸或平行軸 可以采用垂直軸或平行軸
制動器 可控盤式制動裝置 可控盤式制動裝置 液壓制動或液力制動+推桿制動 可控制動裝置 可控制動器
拉緊裝置 重力拉緊或自動拉緊 重力式拉緊裝置 重力式拉緊裝置 重力拉緊或自動拉緊裝置 重力拉緊或自動拉緊裝置
適用場合 短距離，中小傾角、小型機 中長距離，大傾角 中長距離，大傾角 長距離，變坡，傾角不大 長距離，變坡，傾角不大
3.3 新型下運帶式輸送機驅動組合及其控制過程
多數下運帶式輸送機采用以下幾種驅動部組合方式:
(1)電動機—制動裝置—減速器—滾筒
(2)電動機—限矩型液力偶合器—制動裝置—減速器—滾筒
(3)電動機—限矩型液力偶合器—減速器—可控制動裝置—滾筒
(4)電動機—軟啟動—減速器—液壓軟制動—盤式制動裝置—滾筒
(5)電動機—軟啟動—減速器—液力軟制動—盤式制動裝置—滾筒
(6)電動機—軟啟動—減速器—可控盤式制動裝置—滾筒
(7)電動機—軟啟動—減速器—液粘軟制動—滾筒
其中方式(1)～(3)多用于小型(短距離、小傾角、小運量、低帶速)下運機上方式；(4)～(7)較適于大傾角下運輸送機上。由上述方案可見，下運輸送機可控制動裝置必不可少；并且目前對下運輸送機電動工況的可控起動問題有所忽視。對于長距離、大運量下運帶式輸送機，可控制動裝置必不可少，同時可控起動裝置也成為必須。
為此我們提出一種經濟實用的長距離、大運量、大功率下運帶式輸送機的驅動部組合方案。該方案驅動部主要有以下設備組成:電動機、聯軸器、調速型液力偶合器、減速機、可控制動裝置、驅動滾筒等組成，如圖3.2所示[3]。
圖3.2 驅動部分組合方案示意圖
采用以上驅動組合的下運帶式輸送機的起動和停車過程如下:
(1)開機準備:先給軟起動裝置的電氣系統和液壓系統送電，使主、從動摩擦片閉合，可控制動裝置逐漸松閘，如果是重載，按起動要求重車逐漸自動起動帶式輸送機。
(2)當輸送帶在裝滿物料的情況下起動帶式輸送機時，不能直接對電機送電，否則起動太快，物料容易出現下滑或滾料，所以在這種情況下而是靠煤的下滑力起動輸送機，當逐漸松開制動器，輸送帶帶動電機旋轉，通過速度傳感器檢測旋轉速度，當速度達到近電機同步運行轉速時，PLC控制電機自動送電起動，從而使電機運行于正常的發電狀態，這樣可以大大減小電機起動時對電氣和機械的沖擊。而且向下輸送的角度越大，起動加速度越大。為了保證起動平穩，通過速度反饋改變制動器施加的制動力，根據不同的制動力，把加速度控制在0.3m/s2之內，保證起動過程的平穩性。
(3)電機直接起動控制，當輸送機空載或輕載，逐漸松開制動器時，輸送機不能自動起動，這時根據測速裝置檢測輸送機處于零速狀態或起車太慢時，需要采用調速型液力偶合器來可控起動帶式輸送機，此時的可控起動過程完全同上運帶式輸送機的起動過程。
(4)正常運行時，調速型液力偶合器開度最大，傳動效率達到最大。
(5)當多電機驅動時，出現某臺電機超載，需要功率平衡時，根據電機的電流反饋來進行調速型液力偶合器的輸入與輸出速度調節(具體詳見電氣部分)，來進行多電機間的功率平衡調節。一般只要帶式輸送機系統設計合理，都能保證系統的多機功率平衡。
(6)停車時，按預定的減速度要求進行閉環改變可控制動系統的制動力矩，使帶式輸送機按預定的減速度減速，實現可控停車。
(7)當輸送機在帶載停車時，不能直接切斷電機，否則容易出現飛車現象，造成嚴重事故。為此在停機時，先對輸送機施加制動力，當檢測到電機旋轉速度降到其同步速度時，再對電機斷電，這樣在施加制動力降速時，可以充分利用電機的制動力，使停車更平穩。當輸送機的速度降至電機的同步速度時，調速型液力偶合器勺管全部插入，保證電機與輸送機系統的同步切除，保證了可控制動系統進一步按要求減速停車。
(8)如果停車時，帶式輸送機是空載(即主電機處于電動狀態)，則可以同上運帶式輸送機的停車過程結合可控制動裝置進行聯合停車制動。
(9)定車時，可控制動裝置抱閘，主電機停機，調速型液力偶合器的液壓和電氣系統停電。
(10)在起動和停車過程中出現故障，如輸送帶跑偏、撕帶、油溫過高等等，調速型液力偶合器和可控制動裝置的電氣控制系統會自動根據要求可控停機。
4 長距離大運量下運帶式輸送機設計
充礦集團東灘煤礦東翼一采區主運輸大巷固定帶式輸送機，運距3005米，運量1800噸/小時，提升高度－175.5米，環境溫度為0～35 ℃ ,是屬于典型的煤礦井下長運距、大運量下運帶式輸送機。由于帶式輸送機巷道起伏不平，變坡點較多，致使此帶式輸送機運行工況相當復雜。此外，該機運行安全可靠性要求高，控制系統復雜，是目前國內乃至國外煤礦井下運行工況較為復雜的帶式輸送機。本章以該下運帶式輸送機為例，說明其設計過程。
4.1 帶式輸送機原始參數
帶式輸送機是目前井下煤炭的主要輸送設備，其設計的自動化先進程度、結構布置方式、使用安全性、可靠性、連續性和高效運行將直接影響礦井生產成本。采用帶式輸送機輸送物料與其它方式相比有著一系列的優越性和高效性，其自動化程度高，代表現代物流技術的發展方向。本課題所要求設計的帶式輸送機的參數如表4.1所示。
表4.1 輸送機原始參數
運量Q 1800t/h
運距L 540 207 62 518 470 360 400 435
垂高 0 -27.1 0 -82 0 18 -28.4 -56
總垂高 -175m
總運距L 3005m
平均傾角β -4°
最大塊度 300mm
煤容重γ 0.9t/m3
煤安息角 50°
4.2 帶式輸送機的設計計算
4.2.1 輸送帶運行速度的選擇
輸送帶運行速度是輸送機設計計算的重要參數，在輸送量一定時，適當提高帶速，可減少帶寬。對水平安裝的輸送機，可選擇較高的帶速，輸送傾角越大帶速應偏低，向上輸送時帶速可適當高些，向下輸送時帶速應低些。目前DTII系列帶式輸送機推薦的帶速為1.25～4m/s。對于下運帶式輸送機，考慮管理難度大，一般確定帶速為2～3.5m/s。根據工作面順槽膠帶機的規格(帶寬1.2m、帶速3.15m/s)，工作面的實際生產能力，煤流的不均勻型等因素，同時考慮工作面煤倉無緩沖作用的狀況(約3米深)，確定東灘煤礦一采區運輸大巷固定下運帶式輸送機帶速3.15m/s。
4.2.2 輸送帶寬度計算
1)按輸送能力確定帶寬
帶式輸送機的輸送能力與帶寬和帶速的關系是：
Q=KB2vγc t/h
式中 K—貨載斷面系數，K值與貨載在輸送帶上的堆積角有關（查標準MT/T467-1996中表三）
B—輸送帶寬度，m
V—輸送機速度，m/s
γ—運送貨載的集散容重，t/m3
C—輸送機傾角對輸送量的影響系數。
當輸送量已知時可按下式求得滿足生產能力所需的帶寬B1：
B1===1.2
2）按輸送物料的塊度確定帶寬B2
因為本帶式輸送機輸送原煤，且amax=300mm故有：
B2≥2·amax+200=2×200+200=800mm
實際確定寬度時B=max{1000B1，B2}，故可選用1200mm寬度的輸送帶。
4.2.3 初選輸送帶
我國目前生產的輸送帶有以下幾種:尼龍分層輸送帶、塑料輸送帶、整體帶芯阻燃帶、鋼絲繩芯帶等。
在輸送帶類型確定上應考慮如下因素：
1)為延長輸送帶使用壽命，減小物料磨損，盡量選用橡膠貼面，其次為橡塑貼面和塑料貼面的輸送帶；
2)在同等條件下優先選擇分層帶，其次為整體帶芯和鋼絲繩芯帶；
3)優先選用尼龍、維尼龍帆布層帶。因在同樣抗拉強度下，上述材料比棉帆布帶體輕、帶薄、柔軟、成槽性好、耐水和耐腐蝕；
4)覆蓋膠的厚度主要取決于被運物料的種類和特性，給料沖擊的大小、帶速與機長，輸送石炭石之類的礦石，可以加厚2mm表面橡膠層，以延長使用壽命。
綜合該機各類特性參數和技術特性，考慮到輸送量較大，運輸距離較長，且為固定用輸送機，為此初選輸送帶采用鋼絲繩芯輸送帶，它既有良好的強度，又具有較好的防撕裂性能，是目前井下帶式輸送機首選帶型�？梢猿踹x輸送帶如下：
輸送帶型號：ST2500輸送帶
帶寬：1200mm
帶質量：qd=35.3kg/m2
4.3 輸送機布置形式及基本參數的確定
4.3.1 輸送帶布置形式
對于角度不大的長距離、大運量帶式輸送機系統，一般可采取雙滾筒1:1或2:1的功率配比，這樣既可以實現電機的分時起動(煤礦井下變電所容量有限制)，同時可以降低輸送帶的強度。為了降低輸送帶的強度，本驅動系統采用了頭部雙滾筒驅動，并把拉緊裝置放在緊跟驅動滾筒后部，有利于起動時自動拉緊，同時減少了電力線路鋪設長度，保證了控制響應及時。驅動部布置的位置對輸送帶強度的影響較大，但對于本輸送系統，進行分析后得出，驅動部布置在上部效果較理想。同時遵循盡量減少施工工作量、簡化設備的原則，降低制作成本，其具體布置示意圖如輸送機總裝圖所示。考慮到煤的輸送質量較大，本機各類托輥組間距為：
承載托輥間距lt'=1.2m
回程托輥間距lt"=3m
緩沖托輥間距lth=0. 6m
承載托輥直徑dt=φ133mm Gt'=34.92Kg
回程托輥直徑dt'=φ133mm Gt"=30.63Kg
4.3.2 輸送機基本參數的確定
1）輸送帶質量qd
由上述輸送帶選型結果可知qd=35.3kg/m2×1.2m=42.36kg/m
2）物料線質量q
當已知設計輸送能力和帶速時，物料的線質量由下式求得：
q===159kg/m
式中 Q—每小時運輸量，t/h；
v—運輸帶運輸速度，m/s
3）托輥旋轉部分線質量qt′，qt″
由前述托輥組的選擇情況可知
qt′= Gt'/ lt'=29.1kg/m
qt″= Gt"/ lt"=10.21 kg/m
4.4 線路阻力的計算
線路阻力(輸送帶運行阻力)包括直線阻力和彎曲段阻力。除了上述基本阻力外，還受附加阻力，包括物料在裝載點加速時與輸送帶之間的摩擦阻力簡稱物料加速阻力，裝料點的導料槽摩擦阻力，清掃裝置的摩擦阻力，中間卸料裝置的阻力等;由于附加阻力較小，在整機運行過程中相對基本阻力的比例很小，在計算分析過程中可以忽略不計，不會影響分析結果，計算整機功率時，考慮電機加權系數。
各直線段阻力的計算
回程分支：
WK10-11=gL[(qd+qt″)·ω″·cosβ－qd·sinβ]
=9.8×540×[（42.36+10.21）×0.02×cos（）]=5564N
WK11-12= gL[(qd+qt″)·ω″·cosβ－qd·sinβ]
=9.8×207×[（42.36+10.21）×0.02×cos（－）－42.36×
sin（－）]=13376N
承載分支（有載情況）
W′Z9-8=gL[(q+qt′+qd)·ω′·cosβ＋(q+qd)sinβ]
=9.8×540[(159+42.36+29.1)×0.025×cos（0°）+（159+42.36× sin（0°）]=30490N
W′Z8-7=gL[(q+qt′+qd)·ω′·cosβ＋(q+qd)sinβ]
=9.8×207×[（159+29.1+42.36）×0.025×cos（-7.53°）+（159+42.36）×sin（-7.53°）]
=－41884N
W′Z7-6=gL[(q+qt′+qd)·ω′·cosβ＋(q+qd)sinβ]
9.8×62×[（159+29.1+42.36）×0.025×cos（0°）]=3500N
承載分支（空載情況）
W′Z1-2=gL[(qt′+qd)·ω′·cosβ＋qdsinβ]
=9.8×435×[（29.1+42.36）×0.025×cos（－7.4°）+42.36×sin（－4.08°）]
=－159695N
W′Z2-3=gL[(qt′+qd)·ω′·cosβ＋qdsinβ]
=9.8×400×[（29.1+42.36）×0.025×cos（-4.08°）+42.36× sin（-4.08°）]=－4829N
同理可計算出其它各工況下各變坡段的阻力，計算結果如表4.2所示。
表4.2 各變坡段阻力計算（N）
變坡段 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9
滿載 -86081 -33584 55799 26506 -134371 3500 -41800 30490
空載 -15659 -4829 13778 8229 -25428 1085 -7668 9454
變坡段 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18
回程 5564 13376 639 39649 4843 -3778 15926 17703
4.5 輸送帶張力的計算
用逐點法計算輸送帶關鍵點張力，輸送帶張力應滿足兩個條件：
(1)摩擦傳動條件:即輸送帶的張力必須保證輸送機在任何正常工況下都無輸送帶打滑現象發生。
Symax=S1[1+（eμα－1）/n]
式中 Symax—輸送帶與傳動滾筒相遇點張力，N；
S1—輸送帶與傳動滾筒分離點處張力，N；
μ—傳動滾筒與輸送帶間的摩擦系數，采用包膠滾筒，μ=0.3；
α—輸送帶與傳動滾筒間的圍包角，取α=200°
n—摩擦力備用系數，n=1.3；
(2)垂度條件:即輸送帶的張力必須保證輸送帶在兩托輥間的垂度不超過規定值，或滿足最小張力條件。
Szmin=5glt′（q+qd）cosβ
Skmin=5glt″qdcosβ
其中 Szmin—重載段輸送帶最小點張力，N；
Skmin—空載段輸送帶最小點張力，N；
本帶式輸送機各關鍵點示意如圖一所示，其垂直度條件為：
Szmin=5×9.8×1.2×（159+42.36）×cos（0°）=11840N
Skmin=5×9.8×3×42.36×cos（－0°）=6227N
4.5.1 張力計算時各種運行工況的討論
本輸送系統線路多變，其出現的工況復雜，而且各種工況的差異較大，必須對每一種工況都進行詳細計算分析。
（1）滿載運行狀態
輸送帶各段都滿載的運行狀態通常為正常運行狀態。大多數情況下，此狀態為輸送機系統最困難工況，所以必須對正常運行工況進行設計計算，以確定各主要點輸送帶張力、電機功率、張緊力等結論，此時電機處于發電運行狀態。但對于本輸送系統根據以下分析后，此工況卻不是最困難工況。
（2）最大發電運行狀態
對于既有下運，又有上運情況的輸送線路，有可能出現具有最大發電狀態的工況，而且這種工況隨起動和停車過程將不斷出現。如果設計中沒有考慮到這種工況，就必然會出現驅動裝置過載，或者在這種條件下停車制動不住，出現飛車造成嚴重的事故。本輸送系統，最大發電運行狀態的工況是在只有下運段滿載，水平及上運段都處于空載狀態的情況下出現
（3）最大電動行狀態
對于本輸送系統最大電動運行狀態不在正常運行工況下，而是在線路下運段空載，而水平及上運段滿載的情況下出現。如果忽略此工況，有可能出現電機堵轉，悶車而燒壞，而且這種工況也隨起動和停車過程的出現而不斷出現。
（4）空載運行狀態
所謂空載運行狀態，就是輸送機上各點都沒有載荷情況下輸送機的運行狀態。對于本輸送線路，其空載運行狀態比最大電動狀態情況下的安全，為此我們不詳細設計計算。
4.5.2 最大發電狀態下張力計算
當所有下運段滿載時，該輸送機處于最大發電狀態。在最大發電狀態下各段阻力計算如表4.3所示。
表4.3 最大發電狀態下各變坡段阻力計算（N）
變坡段 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9
承載阻力 -86081 -33584 13778 8229 -134371 1085 -41884 9454
變坡段 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18
回程阻力 5564 13376 639 39649 4843 -3778 15926 27703
（1）張力初步計算
為了充分降低輸送帶的張力，只要滿足摩擦條件和垂度條件，就能保證輸送機的驅動條件，所以下面我們先按垂度條件進行計算，然后驗算摩擦條件。
該輸送機為雙滾筒分別驅動，功率配比按γ12=2：1選取，圍包角取
α1=α2=200°，滾筒與輸送帶摩擦系數取μ=0.3，則。
考慮滾筒的備用系數，C0=1.3，則根據摩擦條件有：
S1===5.26Sy
根據本帶式輸送機的特點，擬先按垂度條件計算，后驗算摩擦條件。
所以令：S8=Szmin=11840N。由逐點張力法求得：
S9=S8+W′8-9=11840+9454=21294N
S7=S8－W′7-8= 11840－(－41884)=53724N
S6=S7+W′6-7= 53724－1085=52639N
S5=S6－W′5-6= 52639－(－134371)=187010N
S4=S5－W′4-5= 187010－8229=178781N
S3=S4－W′3-4= 178781－13778=165003N
S2=S3－W′2-3= 165003—(—33584)=198587N
S1=S2－W′1-2= 198587－(－86081)=284668N
S10=S9×1.02= 21294×1.02=21720N
S11=S10－W10-11= 21720+5564=27284N
S12=S11－W11-12= 27284+13376=40660N
S13=S12－W12-13= 40660+639=41299N
S14=S13－W13-14= 41299+39649=80948N
S15=S14－W14-15= 80948+4843=85791N
S16=S15－W15-16= 85791-3778=82013N
S17=S16－W16-17= 82013+15926=97939N
S18=S17－W17-18= 97939+27703=125642N
S19=S18×1.03=129411N
（2）驗算摩擦條件
S1/S19=294668/129411=2.2＜5.26
以上說明各張力點都滿足垂度條件和摩擦條件。
（3）輸送帶強度驗算
考慮輸送帶的壽命、起動時的動應力、輸送帶的接頭效果、輸送帶的磨損，以及輸送帶的備用能力，選用輸送帶時必須有一定的備用能力(即安全系數)，根據以上計算可以確定輸送帶的最大張力Smax，則應滿足：
m=
其中 m—輸送帶安全系數；
B—帶寬，mm；
σd—帶芯拉斷強度，N/mm；對于ST2500型帶，σd=2500 N/mm。
此處校核輸送帶的安全系數為：
m==10.5
可知所選的輸送帶安全系數大于靜態設計安全系數6；同時也大于考慮軟制動器啟動動載系數1.1時設計安全系數6.6的要求。
（4）張緊力計算
PH=S18+S19=125642+129411=255053N
（5）牽引力和電動機功率計算
輸送機總牽引力：F=S19－S1=129411－284668=－155257N
電動機功率： N=
其中 K—電機功率備用系數，發電工況時取K=1.1
η—傳動系統的工作效率。
則所有電動機總功率
P==－598kW
4.5.3 最大電動狀態下張力計算
當所有下運段空載，其余線路區段滿載時，該輸送機處于最大電動狀態。在最大電動狀態下各段阻力計算如表4.4所示。
（1）張力初步計算
為了充分降低輸送帶的張力，只要滿足摩擦條件和垂度條件，就能保證輸送機的驅動條件，這里按摩擦條件進行計算，然后驗算垂度。
表4.4 最大電動狀態下各變坡段阻力計算（N）
變坡段 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9
承載阻力 -15695 -4829 55799 26506 -25428 3500 -7668 30490
變坡段 10-11 11-12 ．采掘機械，北京：煤炭工業出版社，1981年
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