基于数据分析探讨原料场带式输送系统阻力及能源效率

基于数据分析探讨原料场带式输送系统阻力及能源效率
摘要本文以某原料场所有最终施工图设计的带式输送机为研究对象，按照带式输送机阻力计算的国标算法，利用软件计算出详细的各种阻力，并从系统角度分析各种阻力大小和占比，同时分析了系统各带式输送机的能源效率状况。

关键词原料场；带式输送机系统；逐点法张力计算；阻力分析；能源效率
1 引言
带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械，在诸多行业具有广泛的应用。

原料场是接受、贮存、加工处理和混匀钢铁冶金原、燃料的场地。

现代化大型原料场包括矿石场、煤场、辅助原料场和混匀料场等多个子堆场；原料从接受外部输入原燃料到处理点、子堆场以及输送到各个用户点一般都是由带式输送机运输网络来完成，输送机数量从数十条到数百条，总的理论轴功率达数千千瓦，是原料场能耗大户。

从系统的角度对带式输送机系统进行能耗剖析，可以科学地定位降低带式输送机节能降耗的切入点。

国内研究者从系统角度剖析带式输送机能耗还未见报道，多人进行过单条带式输送机能耗和节能分析。

林福严[1]等统计分析表明提出了带式输送机的能源效率计算方法。

该方法以单位能源输入量运输的物料数量和距离来表示能源效率，并指出我国带式输送机的能源效率以及与国外的差距。

张世珍[2]利用带式输送机运行阻力计算方法，对影响带式输送机阻力的各因素进行研究分析，给出各个因素的影响趋势及大小，并结合工程实际情况，对带式输送机设计和运行的不同阶段，分别选取不同的设计变量及目标函数，考虑输送机运行中所受的各项约束条件，建立不同的节能优化模型，应用数学方法对模型进行求解，得出最佳设计及运行参数。

以上研究均针对个体带式输送机，无法从群体分析获得带式输送机各种阻力以及能耗分布状况。

本文以某原料场施工图设计带式输送机系统为对象，分析阻力分布和能源效率状况。

2 系统概况、分析计算工具及部分系数取值
2.1 某料场带式输送机输送系统概况
该原料场是针对200万吨钢铁规模而建设，年处理各种原料560万吨。

其带式输送机输送系统共有68条带式输送机，带宽涵盖1 400 mm、1 200 mm、1 000 mm、800 mm、650 mm；带速包括2 m/s和1.25 m/s两种带速；最大提升高度为31.3 m，也有下运皮带，下降高度最大18.8m；输送能力涵盖100 t/h～1 500 t/h；拉紧装置包括重锤、液压、车式、螺旋等多种形式；少数输送机布置有犁式卸料器。

系统图输送机总长度9 670 m。

各输送机参数见表1。

该原料场带式输送机以带宽1 200 mm为主，总长度占比为85.9%，其次为带宽650 mm的带式输送机，总长度占比为6.3%。

上运式带式输送机39条占总
数的57.6%，总长度占比为92.3%，也就是说大部分带式输送机都是上运式的。

2.2 分析计算工具
采用自行开发的逐点法带式输送机计算软件，该软件利用国标GB/T 17119-1997发布的标准算法列出了各种阻力计算公式推演的特性点之间的阻力算法公式计算，包括困扰计算者的缠绕阻力和轴承阻力，利用现今计算机高速的计算功能和高级编程语言，用逐点法计算各特性点张力值，从而计算出圆周驱动力、运行功率以及由此计算出的各种需要的参数，作为一种国内标准选型的带式输送机张力精算工具。

该软件特点之一是摒弃引入系数C的算法，滚筒的缠绕阻力和轴承阻力采用精确算法，而非简化算法。

通过数年的开发、实践、改进，软件非常可靠，数据准确，较其他算法前进了一大步[3]。

2.3 部分系数取值
国标算法列出了各种阻力计算公式，运用了各种系数，系数的取值直接影响到计算结果，以下为各种系数取值情况：
其他系数因与阻力计算无关，所以不在这里列出。

如启动系数kA、传动效率η等。

此外，设备标准参数如托辊旋转质量、输送带质量等均按DTII（A）手册选取。

3 系统数据分析
3.1 阻力计算
运用逐点法带式输送机计算逐个对系统各带式输送机进行计算，其5种阻力值如表2。

3.2 各阻力值分析
经过统计，该系统所有带式输送机运行总阻力为2 038.9 kN，其中主要阻力FH为776.0 kN，占比为38.1%，附加阻力FN为116.8 kN，占比为5.7%，倾斜阻力Fst为783.0 kN，占比为38.4%，主要特种阻力Fs1为128.1 kN，占比為6.3%，附加特种阻力Fs2为234.9 kN，占比为11.5%。

主要阻力和倾斜阻力为该原料场带式输送机系统的阻力的主体，总占比为76.5%，其余阻力占比为23.5%。

如图1，主要阻力中上下托辊旋转阻力为137.8 kN，在主要阻力中占比17.8%，占比所有阻力之和的6.6%。

主要阻力中输送带和物料移动阻力为638.1 kN，在主要阻力中占比82.2%，占比所有阻力之和的31.3%。

主要阻力中物料移动阻力为152.3 kN，在主要阻力中占比19.6%，占比所有阻力之和的7.5%。

如果把物料移动阻力和倾斜阻力作为带式输送机的有效阻力，本系统中二者占据带式输送机系统阻力之和的62.4%，也就是说驱动系统消耗的电能的62.4%做了有效功。

3.3 系统带式输送机能源效率分析
根据文献[1]给出的带式输送机能源效率公式，Ee=QL/[P±QgH/3.6]，式中，带式输送机上运取-号，下运取+号，水平运输时QgH/3.6为0，其实质是带式输送机能源效率不考虑克服倾斜阻力所做的功。

假定计算的阻力值为实际运行阻力值，能源效率公式中的功率P用各带式输送机除倾斜阻力之外的所有阻力之和乘以带速之积Pt替代，Ee=QL/Pt，即得到各带式输送机的能源效率，并对能源效率值作为主参做了降序排序，如表2。

从上表可看出，能源效率的高低与输送机的长度有很大相关度，即输送机越长，能源效率越高，反之效率就低。

需要说明的是，表2中的数据为理论计算值，不是输送机运行时的电机功率，但不影响上述结论。

4 结论
（1）该原料场带式输送机系统每个个体阻力中各阻力的占比会有较大差异，但从系统角度来分析，其主要阻力和倾斜阻力占主要部分，占比为76.5%。

如果把物料移动阻力和倾斜阻力作为有效阻力，二者之和占据总阻力之和的62.4%，也就是说驱动系统消耗的电能的62.4%做了有效功。

（2）带式输送机的能源效率与输送机的长度有很大相关度，即输送机越长，能源效率越高。

参考文献
[1] 林福严，张晓如，雷冀，等.带式输送机的能源效率探讨[J].起重运输机械，2010，（10）：5-9.
[2] 张世珍.带式输送机节能优化方法的研究[D].沈阳：东北大学，2012：22.
[3] 陈鹏.带式输送机逐点计算法编程实践与探讨[J].物料储运，2010，（1）：57-60.。