长距离带式输送机的设计分析

长距离带式输送机的设计分析

发表时间：2018-07-09T16:25:31.873Z 来源：《基层建设》2018年第14期作者：伍梦刚1 杨健2

[导读] 摘要：随着科学技术的快速发展，长距离带式输送机在矿山、冶金、化工和港口等行业得到广泛应用，因此了解长距离带式输送机的设计和安装过程变得尤为重要，尤其是其与普通带式输送机在设计与安装过程中的不同之处。

1安徽省无为煤矿机械制造有限公司安徽芜湖 238367；

2南京三方化工设备监理有限公司江苏南京 210036

摘要：随着科学技术的快速发展，长距离带式输送机在矿山、冶金、化工和港口等行业得到广泛应用，因此了解长距离带式输送机的设计和安装过程变得尤为重要，尤其是其与普通带式输送机在设计与安装过程中的不同之处。在某矿山项目中，带式输送机路由非常复杂，不仅有多处的起伏和落差，而且还有很多的平面转弯，正常运行过程中会出现多种工况，本次针对几种工程项目情况分别进行设计分析，通过对皮带机进行模型建立与分析，采用受力和功率计算的方法来核算各种工况下所需的技术参数，并对配套的各关键部件的选型原则进行了阐述，为类似工程中的长距离带式输送机的设计提供参考。

关键词：：长距离带式输送机；驱动；胶带；安装

引言

随着国家所倡导的“一带一路”战略构想的逐步深入，带式输送机系统作为矿山、冶金、化工和港口等行业重要的水平运输设备，也在积极拓展海外市场。长距离带式输送机输送系统以其自动化程度高、运输成本低、环境污染小等优点在煤炭输送领域获得了广泛应用。与以往的带式输送机输送系统相比，长距离带式输送系统线路长度上的增加带来的不仅仅是带式输送机长度的变化，而是带来了输送系统线路选择、带式输送机参数选择、克服复杂地质地形条件、躲避穿越各类地面设施、与建筑物的衔接等诸多问题，这些问题相互独立又彼此制约，共同影响着长距离带式输送机系统的设计。结合长距离带式输送机输送系统的工程设计及设计中遇到的问题，介绍长距离带式输送机输送系统的工程设计理念。对于矿山和冶金行业，通常由于生产原料供应点地处偏僻，且地形复杂，需要采用长距离、大功率和大倾角带式输送机完成水平运输作业。本文以某地输送机项目为例，简要介绍长距离带式输送机的设计、选型以及施工中需要注意的事项。

1长距离带式输送机

1.1概述

带式输送机是现代散状物料连续运输的主要设备，皮带随着工业和技术发展皮带，其使用范围越来越广泛，皮带其发展的重要方向是长距离皮带、大运量化。带式输送机的长距离化为其对散状物料的运输作业打开了广阔的前景皮带。长距离带式输送机系统已处于和人们熟知的铁路、船舶和管道输送相竞争的地位，皮带并显示出特殊的经济性。采用长距离输送机的优点是：

1）可以实现连续高效皮带、大运量运输皮带；

2）能保护被输送物料皮带，因为没有或者只有很少的转运站皮带；

3）适用于任何地形皮带，如丘陵地带和坡地，皮带特别适用于山谷地带的运输；容易跨越河流皮带、铁路、公路、居民区和工业区皮带。

4）维护管理工作量少皮带；

5）易于采用集中控制皮带。

1.2长距离带式输送机的驱动方式

长距离带式输送机输送系统以其自动化程度高、运输成本低、环境污染小等优点在煤炭输送领域获得了广泛应用。与以往的带式输送机输送系统相比，长距离带式输送系统线路长度上的增加带来的不仅仅是带式输送机长度的变化，而是带来了输送系统线路选择、带式输送机参数选择、克服复杂地质地形条件、躲避穿越各类地面设施、与煤矿建筑物的衔接等诸多问题，这些问题相互独立又彼此制约，共同影响着长距离带式输送机系统的设计。长距离带式输送机的显著特点是输送机的纵向尺寸，要克服运行中的各种阻力皮带，必须具有足够的驱动能力皮带，因此皮带，目前大多数的长距离带式输送机系统的驱动方式为：

1）普通结构的长距离带式输送机。其结构与普通的带式输送机结构相同皮带，其应用范围最广皮带，一般认为这种结构的输送机单机最大长度可达10km。

3）托辊驱动方式。这种形式的输送机除在头尾驱动外，引入装有电机的驱动托辊进行驱动皮带，从而可使输送带的张力大为降低，皮带其单机长度可达10～40km。

4）钢丝绳牵引带式输送机皮带。它用钢丝绳通过大型驱动轮驱动和转向皮带。由于此种结构可将普通输送带的牵引和承载功能分开皮带，故可加大输送机长度

2项目概述

某地长距离输送带项目，输送带全长约6.828km皮带，皮带机头部卸料点比尾部装料点高差约-110m，输送物料为石灰石和红土，设计输送量为2800t/h。该条带式输送机设计路由中需要经过山坡、道路、工厂、高压线和管道等区域，地形复杂多变，设计的带式输送机不仅有平面转弯，而且还有多处的上下坡走向。

3工艺设计

和常规的带式输送机有所不同，长距离皮带机系统有皮带6皮带个工况，即满载启动工况、满载正常运行工况、最大电动运行工况、最大发电工况、紧急制动工况和空载运行工况。这其中有所区别的是多了最大发电工况，由于本项目中有部分下坡路由的皮带机，该部分路由上的物料靠自身的重力可以沿胶带下滑，并带动输送机整体反转，此时不仅不需要电机驱动，而且还将电机改变为发电工况，而且制动器还需要动作保证皮带机额定的运转速度。

3.1满载正常运行工况

输送带各段都有物料的工况，为正常运行工况，由于绝大部分路由为上运段皮带机，因此该工况为电动运行工况。

3.2空载运行工况

输送系统沿线都没有物料的运行工况，为待机状态或者检修试运行状态。由于要克服胶带和托辊之间的摩擦阻力，该种工况下输送机处于电动运行状态。

3.3最大电动运行工况

水平及上运段皮带机满载、下运段皮带机空载的状态为最大电动运行工况。如忽略此工况有可能出现电机堵转、闷车而烧坏，这种工况也随起动和停车过程的出现而不断出现。

3.4最大发电运行工况

下运段皮带机满载，其他各段皮带机空载的工况。这种工况随起动和停车过程将不断出现。如果设计中忽略了该工况，就必然出现驱动装置过载，或者在这种工况下制动不住，出现飞车造成严重事故。

3.5皮带机设计计算

皮带机总长度6828m，总高度-114.0m，真实长度6833.3 m。根据《DTII固定式带式输送机设计选用手册》，对带式输送机的输送能力、圆周力、功率、胶带张力、逆止力、起制动力矩等进行计算。

按照项目所给定的物料特性和输送能力，为保证作业性能的前提条件下尽可能降低工程投资，最终选择的带式输送机主要技术参数为：额定输送能力2200t/h，带宽1.2m，带速4.0m/s，采用钢丝芯胶带，胶带槽角为皮带45°，托辊直径为159mm。

4驱动装置及保护装置设计

4.1皮带带式输送机

长距离带式输送机驱动装置由变频电机、高速弹性联轴器、减速器、低速弹性联轴器、驱动装置底座等组成。驱动方式通常采用变频技术，可实现启动、制动加速度可控、实现调试及验带低速长时间运行、电机功率的相互平衡以及电机过载保护等功能，还能分散胶带张力，避免起制动时胶带局部应力集中的情况，而使用变频电机起动能使长距离带式输送机的起动更平稳。头部皮带2×500kW+尾部

1×500kW的驱动方式，其中头部单滚筒双电机驱动，尾部单滚筒单电机驱动；驱动形式：变频电机+减速机；制动方式：可控自冷盘式制动装置；拉紧装置布置在靠近机头部，拉紧形式：头部重锤拉紧。输送机在重载停车尤其是紧急停车时，由于输送机在制动的过程中需要克服运动系统的惯性，使输送机由额定带速逐渐减速至停机为止，在此过程中产生动负荷皮带Fa，而且运距越长、运量越大Fa越大，胶带安全系数也因此大幅降低。而对于长距离带式输送机，由于运量大、运距长、带速高，在停车时系统的惯性力相当大，对胶带的冲击也非常大，因此必须采用可控自冷盘式制动装置来保证设备安全。

4.2胶带

胶带选择钢丝绳芯胶带，根据胶带设计标准，当环境温度在皮带-20~60°C皮带之间，胶带的强度和接头的强度都是可以保证的，现场环境温度为17.9~33.6°C，这个温度下选择常规的胶带就可以满足要求。

4.3拉紧装置

采用液压拉紧的方式，液压张紧装置由液压泵站、拉紧油缸、蓄能站、电气控制箱及附件等组成。液压张紧装置采用皮带PLC皮带控制技术，对张紧力进行有效地控制，确保对张紧力控制精度。液压张紧的起动张紧力和正常运行张紧力根据需要可自动进行调节，预先设定。张紧力设定后，液压系统按设定程序自动进行工作，张力变化时反应快，保证带式输送机正常起动、制动和稳定运行，以及所需的张紧力和张紧行程。

液压张紧装置应设置手动、自动两种控制方式，并有良好的人机界面。控制箱应具备远程和就地操作功能，并与输煤中控系统连锁控制。手动控制方式方便设备安装、调试及检修，自动控制方式用于正常生产。

4.4保护装置

长距离带式输送机一旦发生胶带撕裂，会造成严重的经济损失。因此除按普通带式输送机设置相关的撕裂保护装置外，带式输送机设置拉紧装置是使输送带生足够的张力，从而保证带式输送机在正常运行、启功和制动时的最小张力，避免输送带与传动滚筒打滑，满足输送带在托辊组之间的下垂度要求，减小运行阻力。常用的拉紧装置有垂直重锤拉紧、车式重锤拉紫、固定较车拉紧、液压自动张紫及媒旋拉紧等几种。其中垂直重锤拉紧、车式重锤拉紧及围定绞车拉紧都适合长即离带式输送机使用，但都不便于调节拉紧力。

长距离带式输送机其它的保护装置同短距离带式输送机配置基本相同，包括设置拉线开关、跑偏开关、速度检测器、料流检测器、溜槽堵塞检测器和带式输送机纵向撕裂检测器等检测开关，考虑到长距离传输压降及线缆造价影响，本项目采用总线型的保护装置。

4.5栈桥

长距离带式输送机通常需要跨越起伏的地面，有两个设计方案，一个方案是皮带机走向尽可能和地形一致，带式输送机将产生较多的垂直走向路由，栈桥钢结构的种类会相对单一；第二个方案带式输送机沿水平走向设计，这需要通过开挖和填平土方来保证，栈桥钢结构的种类会比较多。最终方案的选择需要结合多方面的比较来确定，例如工程投资、钢结构配套条件、配套安装设备、环保条件和能耗指标等。

5皮带机驱动控制方式对比

多驱动带式输送机的驱动控制方式主要分为机械式控制和电气控制。机械软起动，主要代表是液力耦合器，这种方式主要的优点是控制点少，由于不需要控制系统控制，减少了控制策略的选择；缺点是调试阶段繁琐，电机同步性差，多台电机间的电流会有所不同。电气软启动器：减少液力耦合器，通过电机软启动器来控制电机的启动斜率，几台电机同PLC控制系统协调同步策略。由于减少了液藕，机械维护环节减少；缺点是软启动器可调范围比较小，对于长距离、多台驱动电机的皮带机系统容易出现调整范围不够灵活的情况。变频器控制系统：启动策略可以通过变频器间通讯实现，响应速度快，多台电机间的同步率高，可有效的保护系统在启动阶段对皮带的损害。缺点是相对价格会偏高，配电系统相对复杂一些。

由于皮带机的头部和尾部电机之间是特殊的软连接关系，在直接投网运行时很容易出现两电机输出功率的偏差很大，即所谓的输出功率不平衡的问题。不能处理好这个问题，既对电机产生损害，也对胶带的使用寿命产生影响。在这个项目上我们选用如下同步策略：同驱动滚筒的两台驱动速度同步，不同驱动滚筒的三组驱动力矩同步。通过通信功能，可以完美实现每一组电机内部的负载分配和同步。为了实现三组传动点之间的负荷分配，三组变频器中的主机之间可以采用变频器速度同步+力矩跟随方式来完美实现，具体方案如下：1、3、5#变频器同时接受DCS系统或上位机系统发出的相同的启动命令和设定速度，同时，除了1#主机（可以根据工艺需要指定）外，3、5#变频器内部的力矩环PID开始根据实际的输出力矩进行计算，微量调整变频器实际的输出速度，使负载高的变频器输出速度略微降低，减少负载，而负载低的变频器输出速度略微升高，增加负载，以此来实现三组传动点之间的负荷平衡。

6皮带PLC皮带控制系统参与实现变频器的主从控制

PLC控制系统是整个多机驱动带式输送机变频调速系统的重要组成部分，它与变频调速装置配合实现了系统功能。本方案PLC控制系