带式输送机输送带安全系数的探讨

王秀云

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

带式输送机输送带安全系数的探讨

王秀云

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

从降低带式输送机输送带安全系数的必要性出发，分析了国内外对带式输送机输送带安全系数的规定及存在的问题，随着接头强度的增加和可控软启动、制动装置的应用，通过降低输送带安全系数达到减少工程项目投资，节省运营成本的目的。

带式输送机；输送带；安全系数

0 引言

目前，在国内外的矿山、建材、化工、粮食、冶金、电厂、港口码头等各个行业的大宗散状物料输送中，带式输送机、卡车和列车是主要输送设备。带式输送机为连续输送，而卡车和列车为间断性输送设备。带式输送机由于具有输送距离长、运输能力大、结构简单、操作方便、安全可靠且容易实现自动控制等其他输送机械不可比拟的优点成为不可或缺的散状物料输送设备，特别是随着我国经济的高速发展，带式输送机在规格上已经向长距离、大运量、高带速、大型化发展。在矿山、输煤廊道及输送码头中，带式输送机小时输送能力达万吨，单机机长超过10 km；带宽也已经从1 400 mm以下逐渐应用到1 600～2 200 mm[1]。

输送带是安装在输送机上用以承载和输送物料的带，输送带作为带式输送机最主要的部件，是带式输送机的承载构件和曳引构件，其价格一般占整机价格的30%～40%或以上[2]。如何合理地选择输送带，降低输送带的造价，一直是设计研究者非常关注的课题，其中改善输送带的接头制作技术从而提高输送带的接头强度是一个重要有效的途径。输送带的接头对输送带的寿命起到关键的作用，接头需经受带式输送机运行中的动态、疲劳或耐久强度的考验。通过对接头特性的研究，开发有效的技术方法来提高接头性能，降低输送带的规格，降低输送带的设计安全系数和降低输送机成本。另外一个降低输送带安全系数的有效途径是改善带式输送机开机、停机时的启动、制动性能。通过控制启动加速度、制动减速度防止输送带张力及驱动系统驱动力过大，过高的张力对输送带、输送带接头、传动滚筒、从动滚筒、减速器、联轴器及轴、轴承等都会产生不良影响。保证带式输送机在各种工况下应有可调、平滑、无冲击的启动、制动力矩，实现带式输送机的可控启动、制动性能可以降低输送带的设计安全系数。

1 输送带安全系数的定义及存在的问题

1.1 输送带安全系数的定义

DIN22101德国工业标准对输送带的安全系数的规定有一个发展变化过程。1942年实施的DIN22101—1942标准规定的安全系数是用输送带的最大张力T1和整个输送带宽度的抗拉强度计算出的，安全系数为10或更高，成为一个特别安全的推荐值。DIN22101—1982标准中钢丝绳芯输送带安全系数的定义为钢丝绳芯输送带的拉断强度与输送机稳定运行时输送带张力的比值，根据该定义，钢丝绳芯输送带的安全系数可折算为6.7～9.5，最小值为6.7。文献资料对于最小安全系数6.7的计算组成解释为主要由以下4个方面组成[3]：①设定带式输送机稳定运行时输送带张力为1；②设定带式输送机启动时输送带的动张力为稳定运行时张力的1.4倍；③设定带式输送机在运行的过程中输送带的拉伸、变形、老化及磨损等总计为2.4倍；④假设输送带接头的疲劳强度在脉动循环10 000次之后为输送带额定强度的36%。

由以上4点得到的输送带最小安全系数为6.7。

1.2 存在的问题

近几十年来，国外的设计咨询单位、立法机构和研究单位经过对输送带安全系数和输送带接头的研究和测试，认为德国该标准中关于钢丝绳芯输送带安全系数的规定不合理。

1）设定启动时输送带的动张力为稳定运行时张力的1.4倍不尽合理。该启动张力相对稳定运行的带式输送机而言为较少发生的周期性增加量，不应作为连续疲劳因素考虑。

带式输送机驱动装置广泛使用软启动、软制动装置使得输送机启动、制动加速度缓慢而可控，启动平稳，这就使得启动的动张力较没有采用软启时大大减小。按现行驱动装置应用条件下，带式输送机启动时输送带的动张力为稳定运行时张力的1.4倍可以降低为1.1～1.3，可取1.25。

2）输送带的静载荷和瞬间峰值载荷取决于输送带的接头强度，而不是输送带纲绳的最大抗拉强度。输送带接头动态承载能力的增加会直接和输送带的“工业给定”的最小允许安全系数有关，任何接头动载荷承受能力的提高都将直接导致由工业标准规定的最小的，可允许的输送带安全系数的降低。

随着带式输送机接头技术和接头结构的不断优化，接头强度占36%的限定过于保守。通过改善钢丝绳芯输送带橡胶和钢丝绳特性、接头结构、接头长度、接头尺寸控制技术和制造方法等可以改善输送带的安全系数。使用有限元分析方法预先指出接头区域橡胶和钢丝绳的应力变化，可以估计接头的多种方式和类别，这样就改善了接头的动态特征和减小了输送带的安全系数[4]。例如汉诺威大学对Palabora输送带的接头疲劳强度进行测试，其改进的输送带接头强度能可靠地达到50%，这较之前36%的接头疲劳强度提高了14%。

由以上2点可以得出输送带最低安全系数可以调整为4.5，比原来6.7的规定大大降低。

2 降低输送带安全系数的必要性

输送带安全系数降低后，可以有效地降低输送带的强度，从而减小输送带的厚度，减轻输送带的重量，进而减少输送机沿线的阻力，从而影响驱动轴功率大小、功率选取、电动机规格、减速器型号、输送带接头的数量和复杂性、主从动滚筒的规格、承载及回程托辊寿命、钢结构支撑以及土建工作容许等级等。降低输送带安全系数犹如让带式输送机“轻装上阵”，这一举措将使项目的初期投资以及后期的运营费用降低，最大化的提高企业的经济效益。节省费用最多的是起伏不大的相对水平的输送机。

澳大利亚Channar铁矿，一条带式输送机机长约20 km，输送能力为2 200 t/h，将钢丝绳芯输送带的安全系数由6.7降低到5.0，节省了大量的投资，其中输送带重量较原来减少了227 t（14%）；承载段托辊的使用寿命提高了7%；回程段托辊的使用寿命增加了40%；减少了输送带的接头数量；带式输送机运行张力的减小降低了对整机结构部件的要求，减少了相应的结构部件的投资，整机功率消耗降低了约4%；在20年的服务年限里可降低投资和NPV带式输送运营费用约10%，其经济效益相当可观[5]。表1列出了3种输送带安全系数的节省投资情况比较。

表1 输送带安全系数与节省投资情况比较

3 对输送带安全系数的修订

2002年，德国修订了DIN22101—1982标准，新版德国工业标准DIN22101—2002连续搬运设备输送散状物料的带式输送机计算及设计基础对钢丝绳芯输送带安全系数进行了修订，此次修订突出了输送带接头方法、运行条件及输送动负荷能力对安全系数的影响。2011年实施的DIN22101—2011标准对2002年标准原则上未作改变，仅进行局部调整，在计算输送带和接头基准疲劳强度时，对钢丝绳芯输送带的槽型过渡段，增加一个调整系数。DIN22101—2011标准中特别说明了经过多次试验予以保证的适用于钢丝绳芯输送带的参数可作为最低要求，对于来自于大量实践证明的钢丝绳芯输送带的参数标准值，在进行输送带最低拉断力计算时，对于已确定的输送带类型及接头结构，可以直接代入基准疲劳强度直接进行计算。根据计算，带式输送机在运行条件较好时，钢丝绳芯输送带安全系数的取值范围可以为4.5～6.0，较原规定有较大下降幅度。在输送带安全系数的选取时，带式输送机机长越长，输送带接头数量越少，则相应的安全系数可取较小值。在过去的几十年间，许多工程中已将带式输送机安全系数取到了5.0或更低，工程实例见表2。

表2 钢丝绳芯输送带安全系数应用实例

4 我国对输送带安全系数的规定及分析

在我国，带式输送机设计刚刚起步时，输送带安全系数取值主要依照前苏联的标准，取值比较保守，一般钢丝绳芯输送带安全系数取为8～10。随着设计水平的逐步提高，1994年GB50197—94露天煤矿工程设计规范中规定，根据不同的工作条件，钢丝绳芯输送带的安全系数，当采用一级或二级接头型式的输送带取值范围为7.0～9.5；当采用三级接头型式的输送带取值范围为7.4～10.0[6]。2008年6月发布的GB50431—2008带式输送机工程设计规范中对输送带安全系数的规定如下[7]：

钢丝绳芯输送带安全系数取值范围7～9，此数据适用于采用直接驱动或采用限矩型液力耦合器的短距离带式输送机。对中长距离的带式输送机，一般采用可控软启动、制动驱动系统，以改善输送机的启动、制动性能。对于采取了可控软启动、制动措施时，钢丝绳芯输送带安全系数可取5～7。

输送带安全系数，关系到带式输送机安全、投资和运营费，我国也在积极研究降低输送带安全系数的可能性。我国自20世纪80年代带式输送机设计系列化以来，输送带安全系数的取值范围在逐步降低，主要原因：①我国的输送带制造技术已接近或达到国际先进水平；输送带接头型式、接头结构、技术参数等已采用现行德国工业标准的规定。②输送带接头强度随着输送带硫化设备制造技术和硫化技术水平的提高而有效地提高了。③我国对中长距离的复杂、大型带式输送机已广泛采用成熟的CST、液粘软启动、变频调速等可控的软启动、制动系统，输送带启动时动张力倍数可控制在1.4以下。④经过设计者40多年来的不断摸索实践，带式输送机的设计水平显著提高。GB50431—2008标准对带式输送机的启动、制动有严格的要求，对复杂大型带式输送机开始进行动态分析，输送带动张力倍数明显降低。

5 结论

输送带安全系数的主要影响因素是输送带的接头疲劳强度和带式输送机启动时的动张力。在进行带式输送机设计时，可采用国内外先进的设计经验及规范规定，并加强对带式输送机输送带接头的动态试验，提高输送带接头强度；对于中长距离的大型复杂的带式输送机应采用可靠的软启动、制动措施。

1）输送带安全系数，应根据输送带类型、工作环境、接头特性、启动系数等合理地确定。一般带式输送机，钢丝绳芯输送带安全系数可取7～9，运行条件好时应取低值，反之取大值。

2）当带式输送机采用可靠地可控软启动、制动措施时，可降低输送带安全系数，可取5～7[8]。

3）国外厂商对我国提供的设计及设备，不应强制按照我国标准规定执行，可按最新版德国工业标准执行。

［1］张振文.带式输送机输送带安全系数的确定［J］.煤炭工程，2007（10）：28-30.

［2］DTⅡ(A)型带式输送机设计手册［M］.北京：冶金工业出版社，2003.

［3］牛得学，杨东.带式输送机输送带安全系数的探讨［J］.

山东煤炭科技，2008（1）：117-11.

［4］张振文，宋伟刚.带式输送机工程设计与应用［M］.北京：冶金工业出版社，2015.

［5］魏朝福，许晓曦，金宝龙.带式输送机中降低输送带安全系数的必要性［J］.山东煤炭科技，2009（4）：156.

［6］GB50197—94.煤炭工业露天矿设计规范［S］.北京：中国计划出版社，1994.

［7］GB50431—2008.带式输送机工程设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2008.

［8］宋伟刚.通用带式输送机设计［M］.北京：机械工业出版社，2006.

【责任编辑：解连江】

Discussion on safety factor of conveying belt of belt conveyor

WANG Xiuyun
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

From the necessity of reducing the safety factor of the conveying belt,the article analyzed the regulations and problems of conveying belt safety factor at home and abroad.With the increasing of joint strength and the application of controllable soft start and braking device,through reducing safety factor of conveying belt,the company decreased the project investment and saved the operating costs.

belt conveyor;conveying belt;safety factor

TD422

B

1671－9816（2017）01－0049－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.014

王秀云.带式输送机输送带安全系数的探讨［J］.露天采矿技术，2017，32（1）：49-51.

2016-07-17

王秀云（1978—）女，辽宁朝阳人，高级工程师，学士，2001年毕业于辽宁工业大学机械制造工艺与设备专业，现就职于中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，主要从事煤炭工程机械的技术工作。