機械工程專題講座-煤礦高產高效機電技術之帶式輸送機1緒論帶式輸送機是煤礦的主要生產設備之一，特別是大型現代化煤礦，從工作面到裝車站，兒乎全由帶式輸送機完成煤炭的輸送任務。帶式輸送機具有長運距、大運量、連續輸送等優點，且運行可靠，易于實現自動化集中控制。帶式輸送機己成為煤炭高效開采的關鍵設備。上世紀九十年代以來，我國煤礦帶式輸送機向長運距、高帶速、大運量、大功率的方向發展；經過科研攻關和引進、消化吸收國外先進技術，基本滿足了發展需求，但與國外先進帶式輸送機比仍然存在不少差距。為了適應現代化煤礦建設的發展要求，國產帶式輸送機的設計和制造水平，都墮待有一個質的飛躍。現代社會對煤礦安全和設備的自動化程度要求越來越高，傳統的運輸機己不能滿足煤礦自動化的要求，因此如何設計性能完善、質量可靠、技術先進的皮帶運輸機監控系統，己成為重要的研究方向。為保證煤礦井下帶式輸送機的安全運行，《煤礦安全規程》明確規定：“采用滾筒驅動帶式輸送機運輸時，必須裝設驅動滾筒防滑保護、堆煤保護和防跑偏裝置；應裝設溫度保護、煙霧保護和自動灑水裝置”。在信息技術發展的引領下，近年來帶式輸送機保護裝置得到迅猛的發展。各生產廠家和科研院所相繼研制出多種類型和功能的保護裝置。現階段帶式輸送機的保護裝置主要實現跑偏、張緊力、溫度、煙霧、煤位、撕裂、速度等保護，當發生故障時，保護裝置會根據故障進行語音報警及顯示報警。現階段，針對帶式輸送機的電機的變頻調速以及減速器的故障狀態監測，建立起相應的控制系統和故障診斷專家系統。可編程控制器（PLC）具有高穩定性、高可靠性以及抗干擾能力強等優點，根據上述情況，在研制皮帶機監控系統時，選用可編程序控制器作為系統的主控設備，使該系統在適應性和功能等方面全面升級。可編程控制器控制范圍一般在3km以內，主機與分機之間一般在lkm左右，最遠不超過3kmo實踐證明，它能在最惡劣的環境下連續不斷工作，抗干擾能力強，穩定性好，無故障工作時間可達幾年，主機工作壽命可達十幾年以上。PLC組成的監控系統可靠性高、使用方便，能適應帶式輸送機復雜多樣的控制和保護要求。因此出現了很多以PLC為控制部件的帶式輸送機保護監控系統。2國內外帶式輸送機技術的現狀目前帶式輸送機己廣泛應用于國民經濟各個部門，近年來在露天礦和地下礦的聯合運輸系統中帶式輸送機乂成為重要的組成部分。主要有：鋼繩芯帶式輸送機、鋼繩牽引膠帶輸送機和排棄場的連續輸送設施等。這些輸送機的特點是輸送能力大（可達30000t/h）,適用范圍廣（可運送礦石，煤炭，巖石和各種粉狀物料，特定條件下也可以運人），安全可靠，自動化程度高，設施維護檢修容易，爬坡能力大（可達16°）,經營費用低，由于縮短運輸距離可節省基建投資。目前，帶式輸送機的發展趨勢是：大運輸能力、大帶寬、大傾角、增加單機長度和水平轉彎，合理使用膠帶張力，降低物料輸送能耗，清理膠帶的最佳方法等。我國己于1978年完成了鋼繩芯帶式輸送機的定型設計。帶式輸送機由于具有長距離連續運輸、運量大、運行可靠、效率高、易于實現集控自動化等優點，己成為我國煤礦井下原煤運輸系統的主要設備，許多礦井己完成“運煤皮帶化”。隨著帶式輸送機長距離、高帶速、大運量、大功率的發展需要，帶式輸送機的電控重要性日益凸現。尤其是年產千萬噸級煤礦的不斷出現，導致超長距離、超大運量、超大功率的新型帶式輸送機己成為必備的設備，帶式輸送機電控技術水平己發展到一個新的臺階。下面兩點是我國與國外在帶式輸送機技術上的差距⑷。2.1帶式輸送機動態分析與監測技術長距離、大功率帶式輸送機的技術關鍵是動態設計與監測，它是制約大型帶式輸送機發展的核心技術。目前我國用剛性理論來分析研究帶式輸送機并制訂計算方法和設計規范，設計中對輸送帶使用了很高的安全系數（一般取n=10左右），與實際情況相差很遠。實際上輸送帶是粘彈性體，長距離帶式輸送機其輸送帶對驅動裝置的起、制動力的動態響應是一個非常復雜的過程，而不能簡單地用剛體力學來解釋和計算。現己開發了帶式輸送機動態設計方法和應用軟件，在大型輸送機上對輸送機的動張力進行動態分析與動態監測，降低輸送帶的安全系數，大大延長使用壽命，確保了輸送機運行的可靠性，從而使大型帶式輸送機的設計達到了最高水平（輸送帶安全系數n=5?6）,并使輸送機的設備成本尤其是輸送帶成本大為降低。2可靠的可控軟起動技術與功率平衡技術長距離大運量帶式輸送機由于功率大、距離長且多機驅動，必須采用軟起動方式來降低輸送機制動張力，特別是多電機驅動時。為了減少對電網的沖擊，軟起動時應有分時慢速啟動；還要控制輸送機啟動加速度0.3?O.lm/s2,解決承載帶與驅動帶的帶速同步問題及輸送帶涌浪現象，減少對元部件的沖擊。由于制造誤差及電機特性誤差，各驅動點的功率會出現不均衡，一旦某個電機功率過大將會引起燒電機事故，因此，各電機之間的功率平衡應加以控制，并提高平衡精度。國內己大量應用調速型液力偶合器來實現輸送機的軟起動與功率平衡，解決了長距離帶式輸送機的起動與功率平衡及同步性問題。但其調節精度及可靠性與國外相比還有一定差距。3國產帶式輸送機技術的發展方向3.1大型化、提高運輸能力在今后10年內輸送能力要提高到3000?10000t/h,帶速提高至5?8m/s,可伸縮帶式輸送機輸送距離要達到6000m以上，鋼繩芯強力帶式輸送機須達到14000m以上，單臺電機功率要達到1000?2500kW以上,輸送帶抗拉強度大于6000N/mm（鋼繩芯）和3150N/mm（整芯）⑸。2提高元部件性能和可靠性除了進一步完善和提高現有元部件的性能和可靠性，還要不斷研究新的技術和開發新的元部件。3擴大功能，一機多用將帶式輸送機結構作適當修改，拓展運人、運料或雙向運輸等功能，做到一機多用，使其發揮最大經濟效益。4開發專用機型我國煤礦的地質條件差異很大，為了滿足特殊要求，應開發特殊型帶式輸送機，如彎曲帶式輸送機、大傾角或垂直提升輸送機等。4礦用帶式輸送機發展的技術前瞻4.1動態分析技術對整機運行過程的動態特性進行分析，涉及基礎理論和現代先進技術，是綜合性的高新技術。德國、美國、日本等國較早開展動態特性研究，并己在實際工程中應用。應用動態分析技術優化設計大型帶式輸送機，安全系數最小可達4.8。國產輸送機未經動態特性分析，即使使用了可控啟動裝置，其安全系數也需要取到8左右。掌握動態分析技術，可使我國帶式輸送機技術水平有一個質的飛躍，應盡快開展這方面的研究工作。2可控啟動技術大型帶式輸送機啟動是個加速過程，輸送帶發生粘彈性變形而產生動張力。當帶速越高、啟動時間越短時，啟動加速度與輸送帶粘彈性變形就越大，動張力也越大，嚴重時就會損壞輸送帶與其它元部件。采用可控啟動（乂稱軟起動）技術，可使輸送帶啟動時初張力下降小于10%,保證輸送帶不打滑。可控啟動裝置，必須具有以下性能：1、啟動時間可隨帶式輸送機主參數調節，使啟動速度曲線平穩，并能實現滿載啟動。2、根據我國有關標準規定，輸送帶啟動加速度不得大于0.3m/s2o3、在多機驅動時，還應具有功率平衡的功能。4、電動機應能空載啟動，在多機驅動時，還應具有使電動機順序啟動的功能。5、具有過載保護功能。6、啟動時盡量降低對電源的沖擊，避免對電源電流與電壓產生污染。7、輸送機短時停車時，可以不停電動機。8、操作維護簡便，工人易于掌握。近兒年來，國內外相繼開發成功多種形式的軟起動裝置：1、液粘性軟起動裝置，如澳大利亞的BOSS系統、美國的CST等；2、液力型軟起動裝置，如調速型液力偶合器、加長后輔腔液力偶合器等；3、電氣型軟起動裝置，如變頻調速、可控硅控制開關磁阻啟動等；4、機械式軟起動裝置，如BEST、德國力士樂公司的輔助液壓馬達周轉齒輪系統【刈。3下運制動技術下運帶式輸送機在正常運轉時，借助電動機轉子達到同步轉速時產生的反力矩來限制輸送帶速度的提高。但當停機或電源中斷時，由于失去控制，會造成滾料或飛車事故，故必須進行制動。制動過程是個減速過程，同樣存在輸送帶變形與儲存能量的釋放問題，如控制不當，除了發生滾料、飛車事故外，還會損壞輸送帶及元部件，嚴重時可能發生輸送帶的折疊現象。下運帶式輸送機的技術難點為：1、制動能量大制動器吸收的機械能轉化為熱能，溫度急劇升高，超過150°C就有引起瓦斯和煤塵爆炸的危險。且使閘襯摩擦系數下降，制動器的制動力矩急劇下降，以致造成飛車事故。2、制動平穩性要求高制動減速度要求限制在0.1?0.3m/s2范圍之內，制動時間約10?20s。為保持穩定的制動減速度，要求制動力矩能隨負載的大小自動調節。3、事故停電時要求迅速安全制動制動裝置必須滿足的技術要求：1、制動減速度必須限制在0.1?0.3m/s2范圍內；每小時制動10次，接觸面除不產生火花外，各元部件溫度不得高于MT820-1999《煤礦井下用帶式輸送機技術條件》中規定的溫度；2、整個采區停電也必須保證能夠制動。3、液力制動裝置，己在煤礦井下普遍使用。但體積龐大，要用多種能源（電、液、氣），操作復雜，易出事故，需要改進提高。盤式制動裝置體積小、重量輕，省掉一套機械抱閘制動器，操作維護簡便，更適合于煤礦井下使用。但目前還有關鍵技術問題有待解決抒七4.4自動張緊技術在確保輸送帶最小初拉力能滿足撓度要求的條件下，驅動滾筒趨入點和奔離點的張力比應為定值。要求啟動張緊力與額定張緊力的比值1.4?1.5,允許波動±10%；在正常工作過程中為0.9?1.1。大型帶式輸送機張緊裝置的技術要求：1、自動調整張緊力能隨著輸送帶張力變化自動調節，使驅動滾筒趨入點和奔離點的張力比保持為定值。2、響應速度快當輸送帶張力發生變化時，張緊裝置使其恢復到原值的響應速度越快越好，使輸送帶張力穩定，平穩運行；否則，可能產生振動，甚至發生共振。3、不出現死區如機尾有低谷的高垂度輸送機，制動時輸送帶可能摺疊和嚴重變形，導致物料滾落，應予避免。重力張緊裝置因受到煤礦井下空間的限制，僅用于傾斜帶式輸送機上。絞車與油缸相結合的自動張緊裝置，經實際使用證明，能達到使用要求。使用液壓絞車的自動張緊裝置，響應速度與可靠性要高得多。張緊裝置安裝在不同的位置上，其所需張緊力與張緊行程相差甚大。目前國產張緊裝置響應速度不快、可靠性不高，有待進一步改進。4.5中間驅動技術采用中間驅動可以降低輸送帶的最大張力，降低輸送帶的強度要求，由于單元驅動裝置小型化，不僅搬運、安裝方便，而且還可減少安裝空間，使巷道的拓寬量大為減少。中間驅動有兩種：直線摩擦式與滾筒卸載式。直線摩擦式采用子帶輸送機向母帶輸送機輸入功率，不但投資較大，且裝拆子帶輸送機工作量大，影響工作面的推進，因而可伸縮帶式輸送機大多采用滾筒卸載式中間驅動。中間驅動的關鍵技術是驅動裝置的負荷分配及各驅動裝置的啟動順序和時間間隔。目前國內外多采用液力調速裝置來解決〔35】。4.6高速托根技術在輸送能力相同的前提下，提高帶速比加大帶寬有利于節省設備投資費用。為了安全起見，帶速一般控制在4?5m/s。帶速提高后，托輻轉速和旋轉阻力增大，使用壽命降低。標準規定，托輻轉速不得超過600r/mino提高托輻質量對降低能耗、節省費用、增加運行可靠性具有很大的意義。托輻的使用壽命主要取決于軸承的性能，軸承摩擦阻力約占托輻旋轉阻力的1/4?1/8,托輻常用204、205系列滾動軸承。國產軸承的性能與英國、西德等國基本相同。國內研制開發了KA系列托輻專用軸承，主要改進措施是：1、增大軸承的徑向游隙和允許的偏轉角，使不同心度和污物堵塞對軸承的影響小得多。2、采用爪型柔性尼龍保持架。3、加大溝槽半徑，加大鋼球直徑，提高軸承的承載能力。KA系列托輻專用軸承在非常惡劣的條件下運轉，試驗壽命可達到204軸承的10倍以上，而旋轉阻力小一多半。帶速一般不能超過4.5m/so美國、澳大利亞等使用了新型注油托輻，軸承采用稀油潤滑，其運行阻力小，托輻壽命可達10年以上，托輻速度高達6?8m/s。國內外托輻質量存在差距的另一個主要原因是加工質量，國內托輻生產廠家的加工工藝與設備精度保證不了設計要求，必須革新加工工藝和設備，才能制造出高質量的高速托根，滿足大型帶式輸送機高帶速的要求。4.7電控與監測自動化技術為了實現輸送機可控啟（制）動、中間驅動、功率平衡、帶速同步、自動張緊與機尾自移以及各種保護裝置、通信與信號聯絡等綜合功能的要求，國外大型帶式輸送機都己采用高檔PLC可編程序控制器，開發了先進的程序軟件與綜合電源繼電器控制技術以及數據采集、處理、存儲、傳輸、故障診斷與查尋等完整的自動監控系統，除了自動監控輸送機的可控啟（制）動、帶速同步與功率平衡等外，還對各種保護與安全裝置、輸送帶張力、傳動滾筒與托輻軸承溫度、輸送帶接頭強度、輸送量計量等實行監測。國產帶式輸送機采用中檔PLC可編程序控制器來控制輸送機的整個工作過程，沒有自動監控裝置、沒有故障診斷與查尋，也沒有人員呼救的功能㈣。8變頻防爆技術變頻調速具有優越的軟啟動、軟停止特性。在空載驗帶狀態下，變頻器可在5%?100%額定帶速范圍內任意調整電機工作轉速。由于變頻器采用無速度傳感器矢量控制方式，低頻運轉最大可輸出150%額定轉矩，因此最適于輸送機“重載啟動”特性。多電機驅動時其負載均衡精度很高。當輸送機載荷變化較大時，變頻調速節能效果明顯〔36】。研制400kW/1140V的防爆型礦用變頻器要解決的關鍵技術：1、功率器件的選型1140V是我國煤炭行業所特有的一個電壓等級，同時目前市場上還沒有用于恒轉矩負載啟動和調速的400kW/1140V防爆型變頻器成品。2、散熱問題功率器件散熱約占整個變頻器散熱量的一半，它直接影響變頻器的壽命。3、電磁兼容(EMC)變頻器由主回路和控制回路兩部分組成，由于主回路進行開關動作的非線性，變頻器本身就是諧波干擾源。變頻器的控制回路是小能量、弱信號回路，極易遭受干擾，使變頻器無法工作。解決好電磁兼容抗干擾問題是防爆型變頻器正常工作的關鍵之一。4、防爆外殼的設計防爆外殼的設計要兼顧散熱、電磁兼容以及防爆結構的技術要求。5結論經過前面的介紹可知，我國的帶式輸送機相較于國外的技術還存在有一定的差距。帶式輸送機是煤礦的主要運輸設備，因此，帶式輸送機的安全運行成了煤礦安全生產的重要組成部分。帶式輸送機電機的變頻調速、綜合保護裝置以及減速器的故障診斷裝置的可靠性和安全性對帶式輸送機的穩定運行和安全生產起到了重要作用。參考文獻［1］邢麗坤，韋穎PLC在帶式輸送機電氣控制系統中的應用(J).煤炭工程，2007(11):113?114.［2］國家煤礦安全監察局煤礦安全規程〔M).北京:煤炭工業出版社，2004.［3］尹成迅礦用帶式輸送機控制技術現狀及發展趨勢［J］煤礦機械，2006(7):1?3.［4］趙玉文，李云海帶式輸送機的現狀與發展趨勢［J］.煤礦機械，2004,25(4):1?3.［5］韓志工，李冠堅帶式輸送機綜合保護控制裝置的設計［J］.科技信息，2008(19):1?3.［6］王曉娟，歐陽名三帶式輸送機的保護控制設計［J］煤礦機械，2010(8):1?3.［7］張培友，郭曉東，王富蘭.煤礦地面輸煤系統的PLC集中監控及其自動化［J］.山東科技大學學報，2000,19(1):99?101.［8］黃磊,周少秋，王紅衛.礦用膠帶運輸機安全電控系統設計［J］.焦作工學院學報(自然科學版),2000,19(5):380?382.［9］悅波，礦用帶式輸送機監控與保護裝置研究［J］山西焦煤科技，2009(9):11-13.［10］張啟明.帶式輸送機保護裝置的技術現狀［J］.煤礦開采，1999(3):43?45.［11］張啟明，張培友,賈翠欣.帶式輸送機保護裝置的技術現狀［J］煤礦機械,1999,(8):5?7.［12］姚志昌，徐茂峰，唐小行，楊志伊，郭學剛，高彥成，井下運輸機械滾動軸承故障的檢測與診斷［J］,煤礦機械,2000,(7):47?49［13］楊志伊，劉同岡，煤礦井下設備振動監測與故障診斷