露天礦井帶式輸送機(jī)運(yùn)行阻力與功率消耗因素研究分析

魏永輝

（伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 伊寧 835100）

帶式輸送機(jī)是由摩擦提供驅(qū)動(dòng)力，從而達(dá)到連續(xù)輸送目的的機(jī)械，目前，主要被用來(lái)對(duì)物料/物品進(jìn)行輸送，在煤礦等領(lǐng)域均得到了廣泛運(yùn)用。隨著使用次數(shù)的增加，越來(lái)越多人開始注意到輸送機(jī)較易出現(xiàn)能源浪費(fèi)的問(wèn)題，基于節(jié)能減排視角，對(duì)上述問(wèn)題成因加以分析，其現(xiàn)實(shí)意義有目共睹。

1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

輸送機(jī)作用主要是將輸送帶一端的物料向另一端進(jìn)行輸送。目前，大部分露天煤礦所用輸送機(jī)，均包括托輥、輸送帶以及驅(qū)動(dòng)裝置等部分，接下來(lái)，筆者將逐一對(duì)各部分作用進(jìn)行介紹。

托輥被用來(lái)對(duì)輸送帶物料進(jìn)行支撐，確保其能夠被輸送到相應(yīng)區(qū)域；輸送帶是物料輸送所依托載體；驅(qū)動(dòng)裝置的作用，主要是為輸送機(jī)提供動(dòng)力；儲(chǔ)帶裝置的存在，能夠確保多余皮帶得到有效保管與利用；拉緊裝置存在的意義，則是避免滾筒、皮帶間摩擦力過(guò)小，導(dǎo)致打滑等問(wèn)題出現(xiàn)[1]。

1.2 運(yùn)行原理概述

組成帶式輸送機(jī)的構(gòu)件，主要是滾筒還有閉合輸送帶。通過(guò)將皮帶緊套在滾筒上的方式，確保所構(gòu)成環(huán)形完全封閉，且滾筒與皮帶間存在較大摩擦力。在驅(qū)動(dòng)滾筒持續(xù)運(yùn)行時(shí)，上述摩擦力的存在，可確保輸送帶始終處于運(yùn)行狀態(tài)，物料自然能夠得到高效輸送。對(duì)輸送機(jī)來(lái)說(shuō)，輸送帶扮演著牽引機(jī)構(gòu)和承載機(jī)構(gòu)的角色，其作用是對(duì)物料進(jìn)行輸送，要想確保牽引力達(dá)到理想狀態(tài)，關(guān)鍵是借助張緊裝置，對(duì)滾筒、皮帶做張緊處理，通過(guò)增加摩擦力的方式，為牽引力提供保證。此外，對(duì)輸送機(jī)能力加以衡量的依據(jù)，通常是圍包角和摩擦系數(shù)，由此可見，確保輸送機(jī)發(fā)揮出應(yīng)有作用的前提，便是以實(shí)際情況為依據(jù)，對(duì)阻力與摩擦力加以調(diào)整。

2 輸送機(jī)運(yùn)行所受阻力分析

對(duì)處于運(yùn)行狀態(tài)的輸送機(jī)而言，可能使其運(yùn)行受阻的阻力，通常分為主要阻力/次要阻力/其他阻力，下文將逐一進(jìn)行介紹，供相關(guān)人員參考。

2.1 主要阻力

輸送帶中間段發(fā)生的阻力為主要阻力，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用輸送機(jī)對(duì)煤炭進(jìn)行輸送時(shí)，受物料、托輥與輸送帶存在相互作用影響所形成阻力。對(duì)強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)距離輸送的煤礦輸送機(jī)而言，主要阻力是無(wú)法被忽視的部分，其占比通常大于其他阻力因素之和。

結(jié)合輸送帶運(yùn)行情況不難看出，主要阻力往往可被分為擠壓阻力、運(yùn)行阻力、壓陷阻力和擺動(dòng)阻力。擠壓阻力的成因是輸送帶為懸垂曲線，還有物料存在粘結(jié)力與摩擦力，由此可見，擠壓阻力既與物料特性相關(guān)，還與輸送帶張力及載荷相關(guān)，輸送帶垂度往往會(huì)隨著張力的增加而減小，此時(shí)，物料被拉伸或擠壓的情況有所緩和，阻力自然較小。運(yùn)行阻力與密封阻力、摩擦阻力密切相關(guān)，其中，占據(jù)主導(dǎo)位置的是密封阻力，除特殊情況外，運(yùn)行阻力均由托輥轉(zhuǎn)速及荷載所決定。壓陷阻力出現(xiàn)的原因，主要是輸送帶有硬度及彈性存在，若外界所施加重力的不斷增加，輸送帶便會(huì)與托輥重合，隨著重合部分向前行進(jìn)，運(yùn)行阻力出現(xiàn)。這里要明確一點(diǎn)，該阻力并不受輸送帶張力影響。通過(guò)上文的敘述可知，輸送帶為懸垂曲線，在輸送帶通過(guò)有托輥存在的區(qū)域時(shí)，將會(huì)被托輥反復(fù)彎曲，而反復(fù)彎曲所形成阻力，即為擺動(dòng)阻力。

2.2 次要阻力

在驅(qū)動(dòng)站/改向站部件上發(fā)生的阻力，通常為次要阻力。首先是基于裝料點(diǎn)對(duì)物料進(jìn)行加速處理而帶來(lái)阻力，還有輸送帶和物料間存在的摩擦阻力。在到達(dá)輸送帶前，物料往往具有不同于輸送帶的運(yùn)行方向及速度，這也是投影速度形成的原因[2]。除特殊情況外，物料速度均較輸送帶速度更小，此時(shí)，就需要輸送帶對(duì)物料做加速處理，確保二者同時(shí)運(yùn)行。若二者運(yùn)行速度存在較大差異，便會(huì)有相對(duì)摩擦出現(xiàn)，無(wú)論是摩擦，還是上文提到的加速力量，均屬于典型的運(yùn)行阻力。其次是處于加速區(qū)域的物料和導(dǎo)料板間存在的摩擦阻力。導(dǎo)料板往往需要承受較大壓力，當(dāng)物料處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，必然會(huì)有摩擦阻力出現(xiàn)，有關(guān)人員可利用現(xiàn)有公式，對(duì)摩擦阻力進(jìn)行計(jì)算。再次是輸送帶清掃器運(yùn)行帶來(lái)摩擦阻力。要想對(duì)輸送帶煤渣進(jìn)行有效清理，關(guān)鍵是對(duì)清掃器施加壓力，摩擦阻力隨之形成。最后是改向阻力。帶式輸送機(jī)所用輸送帶，其塑性及彈性相對(duì)固定，如果輸送帶有改向需求，先要進(jìn)行彎曲，再拉直，要想使輸送帶彎曲，通常要向其輸入較多能量，隨后，通過(guò)釋放儲(chǔ)存能量的方式，確保輸送帶能夠被拉直。這里要明確一點(diǎn)，輸送帶彈性有限，這也導(dǎo)致其所釋放能量往往無(wú)法與輸入能量持平，能量被消耗的情況無(wú)法避免。而所消耗能量的外在表現(xiàn)，便是改向阻力。

2.3 其他阻力

作為出現(xiàn)頻率較低的阻力，對(duì)帶式輸送機(jī)而言，其他阻力主要是指特殊阻力與附加阻力。

第一，并非全部帶式輸送都有特殊阻力存在，只有輸送機(jī)增加了某些裝置，才能夠出現(xiàn)特殊阻力。對(duì)處于正常運(yùn)行狀態(tài)的輸送機(jī)而言，該阻力出現(xiàn)的概率極低，因此，下文在對(duì)運(yùn)行阻力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，默認(rèn)忽略特殊阻力所帶來(lái)影響。

第二，附加阻力往往是指落料阻力和轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，對(duì)強(qiáng)調(diào)高帶速與大運(yùn)量的煤礦輸送機(jī)來(lái)說(shuō)，該阻力同樣可以選擇忽略。

3 功率消耗核心因素與計(jì)算

基于露天煤礦開采開展設(shè)計(jì)工作，有關(guān)人員往往以礦井輸送力、生產(chǎn)力為主要依據(jù)，對(duì)帶式輸送機(jī)加以選擇。在強(qiáng)調(diào)高帶速、長(zhǎng)距離與大運(yùn)量運(yùn)行的當(dāng)下，運(yùn)行速度固定的傳統(tǒng)輸送機(jī)，要想長(zhǎng)期處于正常運(yùn)行狀態(tài)，通常要消耗大量功率，這并不符合現(xiàn)代社會(huì)倡導(dǎo)的節(jié)能減排，要想使該問(wèn)題得到有效解決，關(guān)鍵是明確輸送機(jī)消耗功率的因素，從而有針對(duì)性的提出優(yōu)化方案。

3.1 影響因素

即便是處于正常運(yùn)行狀態(tài)的輸送機(jī)，帶上煤流量也并不穩(wěn)定，這便是輸送機(jī)負(fù)載頻繁出現(xiàn)變化的原因，由此可見，要想減少輸送機(jī)所消耗能源，確保其擁有更為理想的運(yùn)行效率，前提是全面分析運(yùn)行工況，

礦用帶式輸送機(jī)的特點(diǎn)，主要是高帶速、長(zhǎng)距離與大運(yùn)量，因此，給輸送機(jī)運(yùn)行帶來(lái)阻力較小的特殊阻力、附加阻力，除特殊情況外，有關(guān)人員均可對(duì)其進(jìn)行忽略?；诖?，從理論上說(shuō)，對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行所需牽引力進(jìn)行計(jì)算的公式為：在 式 中，Wk用來(lái)指代回程基本阻力。Wz用來(lái)指代承重基本阻力。Wq用來(lái)指代傾斜阻力。q用來(lái)指代物料密度，單位是kg/m。iq′用來(lái)指代回程旋轉(zhuǎn)線密度，單位是kg/m。q i′用來(lái)指代承重旋轉(zhuǎn)線密度，單位同上。qd用來(lái)指代輸送帶密度，單位同上。g用來(lái)指代重力加速度，單位是m/s2。β用來(lái)指代巷道斜角，單位是°，如果輸送機(jī)為向上輸送，那么，巷道斜角為正，若輸送機(jī)需要向下輸送，則巷道斜角的數(shù)值為負(fù)。fi用來(lái)指代承重阻力系數(shù)。li用來(lái)指代輸送帶具體長(zhǎng)度，單位是m。ci用來(lái)指代相關(guān)系數(shù)。f0i用來(lái)指代無(wú)關(guān)系數(shù)。

另外，在確定消耗因素時(shí)，有關(guān)人員還要掌握以下公式：

在式中，Q用來(lái)指代煤流量，單位是t/h。將上述公式結(jié)合后可知，可能給功率帶來(lái)影響的因素，主要為qd/qi′/qi′/fi/li/β/Q/v。對(duì)帶式傳輸機(jī)而言，在上述因素中，qd/qi′/qi′′/li/β均有固定值對(duì)應(yīng)，另外，fi為速度函數(shù)。因此，對(duì)輸送機(jī)所消耗功率起決定作用的因素，主要是Q和v，其中，v代表輸送機(jī)實(shí)際帶速。

3.2 影響因素匹配分析

除特殊情況外，對(duì)特定輸送機(jī)所消耗功率有直接影響的因素為v、Q。如果輸送機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，那么，Q相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)，功率和v成正比，也就是說(shuō)，如果v提高，該輸送機(jī)的功率消耗量也會(huì)有所增加，反之，其功率消耗量會(huì)隨著帶速的降低而減少[3]。由于將輸送機(jī)帶速降低這一過(guò)程，通常會(huì)被帶強(qiáng)及帶寬所制約，因此，如果條件允許，有關(guān)人員應(yīng)以輸送機(jī)運(yùn)行可靠且安全為前提，酌情降低帶速，以此來(lái)達(dá)到節(jié)能的最終目的。

研究表明，要想使輸送機(jī)表現(xiàn)出理想的安全性，前提是確保輸送帶張力始終處于安全系數(shù)所界定范圍內(nèi)，這也給有關(guān)人員提出了全新要求，即：以輸送帶具備長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行的條件為前提，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行速度的方式，避免大量功率被不必要消耗的情況出現(xiàn)。

如果輸送機(jī)運(yùn)行正常，此時(shí)，皮帶承受物料密度的最大值為qm，而用來(lái)描述Q和v的關(guān)系的公式為：

只要qm處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，輸送機(jī)就能夠表現(xiàn)出理想的安全性。由此可見，基于帶強(qiáng)得到滿足，對(duì)輸送機(jī)速度加以調(diào)整，可確保v隨Q變化而出現(xiàn)變化。若Q是0，那么，v同樣為0。對(duì)處于正常運(yùn)行狀態(tài)的輸送機(jī)而言，要想避免Q過(guò)小的情況出現(xiàn)，最應(yīng)當(dāng)注意的就是減少輸送機(jī)啟停次數(shù)，若輸送機(jī)Q過(guò)小，此時(shí)，有關(guān)人員可將其與最小值畫上等號(hào)，為后續(xù)工作的開展提供便利。在輸送機(jī)運(yùn)行正常的前提下，給煤量往往處于αQM的范圍，且%，要想達(dá)到節(jié)能的最終目的，關(guān)鍵是最大程度避免qm出現(xiàn)變化，那么：

圖1是此時(shí)Q和v所對(duì)應(yīng)變化關(guān)系[4]。

圖1 Q和v的關(guān)系

如果Q出現(xiàn)明顯降低，有關(guān)人員可選擇對(duì)變頻器頻率進(jìn)行減小的方式，確保Q和v所對(duì)應(yīng)匹配關(guān)系能夠達(dá)到理想狀態(tài)。同樣，如果Q在短時(shí)間內(nèi)大幅增加，只有對(duì)v進(jìn)行增加，確保二者匹配科學(xué)且合理，才能取得理想的節(jié)能效果。

綜上所述，在對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有關(guān)人員應(yīng)以實(shí)際情況為依據(jù)，對(duì)富裕量進(jìn)行預(yù)留，當(dāng)輸送機(jī)投入使用后，多數(shù)時(shí)間均不會(huì)出現(xiàn)達(dá)到設(shè)計(jì)最大值的情況，此時(shí)，僅需酌情增加填充率并減小帶速，便可使其功率損耗得到有效降低。

4 結(jié)論

上文對(duì)輸送機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過(guò)對(duì)運(yùn)行阻力、功率消耗加以分析的方式，明確在諸多因素中，給其功耗所帶來(lái)影響最為直觀的因素是煤流量和帶速，在此基礎(chǔ)上，又圍繞二者的匹配關(guān)系展開了討論。希望能為日后節(jié)能工作的落實(shí)提供幫助，在保證輸送機(jī)保有理想狀態(tài)的前提下，最大程度減少其所消耗能源，使節(jié)能減排目標(biāo)具備達(dá)成的先決條件。