线性摩擦驱动技术在带式输送机改造中的应用

刘 洋

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

越来越多的矿井在技术进行升级改造中，矿井主斜井带式输送机的运输能力需要相应增加；再者某些企业随着自身发展，也需要提高矿井产量。在这2种条件下，致使很多矿井已有的主斜井带式输送机不能满足要求，要重新进行改造。

从使用情况来看，解决以上问题无非3种方式，第一种就是原有设备不予利用，全部重新改造。该方案改造时间长，投资大，改造期间矿井必须处于停产状态；第二种就是采用中部驱动技木，该方式增加了输送带的弯曲和冲击频次，使输送带寿命缩短，且增加功耗，加之输送带清扫困难。中部驱动所需安装空间较大，增加井巷施工，因而现场应用较少；第三种就是运用线性摩擦驱动技术(德国福伊特公司称之为TT-drive)。

1 线性摩擦驱动技术

1.1 线性摩擦驱动带式输送机原理

布置方式：原有带式输送机承载段安装在线性摩擦驱动带式输送机上带面，线性摩擦驱动带式输送机头尾滚筒被驱动，一端滚筒需要拉紧，如图1所示。

图1 线性摩擦驱动技术带式输送机

工作原理：线性摩擦驱动带式输送机与普通带式输送机原理不同，普通带式输送机是靠输送带与传动滚筒的摩擦阻力，线性摩擦驱动带式输送机依靠承载带和驱动带的摩擦阻力将中间驱动装置的动力传递给承载输送带。因此，线性摩擦驱动带式输送机牵引力是由承载带上下分支的运行阻力及倾斜阻力和线性摩擦驱动带式输送机空载回程阻力组成。

1.2 牵引力计算

线性摩擦驱动的牵引力：

F驱=ω·L驱·g·[q′+q″+(qB1+ 2×qB2+qG)·cosβ] +(qB1+qB2+qG)·g·H驱

式中：ω—模拟摩擦系数；q′—上托辊转动部分质量；q″—下托辊转动部分质量；L驱—线性摩擦驱动带式输送机长度；H驱—线性摩擦驱动带式输送机提升高度；qB1—原带式输送机胶带每米长度质量；qB2—线性摩擦驱动带式输送机胶带每米长度质量；qG——每米物料的质量。

牵引段上分支承载部分的牵引力：

F牵=ω·L牵·g·[q′+(qB1+qG)·cosβ] +(qB1+qG)·g·H牵

式中：L牵—原带式输送机牵引长度；H牵—原带式输送机被牵引段提升高度。

头部牵引上分支承载部分的牵引力：

F头=ω·L头·g·[q′+(qB1+qG)·cosβ] +(qB1+qG)·g·H头

式中：L头—原带式输送机头部牵引长度；H头—原带式输送机头部牵引段提升高度。

带式输送机下分支回程阻力的牵引力：

F回=μ·L·g·[q′+qB1·cosβ]

式中：μ—下托辊回程摩擦系数。

带式输送机驱动力：

FU=F头+F驱+F牵+F回

FU1=F驱+F牵

FU2=F头+F回

1.3 功率分配

线性摩擦驱动带式输送机的驱动功率单元由头部驱动单元和线性摩擦驱动单元2部分组成，线性摩擦驱动单元可以承载F驱或者F驱与F牵之后，其余均有头部单位驱动。

1.4 优点分析

安装位置灵活：线性摩擦驱动带式输送机安装位置灵活，可以根据井下巷道情况的需要自由移动；用户也可以根据张紧力调配的需要采用多条线性摩擦驱动带式输送机驱动，系统配置灵活，适应性极强，同样用户也可以增加线性摩擦驱动皮带承载力范围，来降低主驱动的驱动。

多驱动方式：可以采用多条线性摩擦驱动带式输送机，这样可以大大减少头部驱动的驱动力，进而将带强大幅降低，可以采用PVG阻燃胶带代替ST钢丝绳芯胶带，投资大大降低。

降低胶带强度：随着胶带强度降低，可以降低胶带弯曲应力，节省胶带寿命，同时也有效节省滚筒使用寿命。低带强的胶带厚度更薄，每卷胶带更长，致使带式输送机中接头数量更少，运行可靠性更高；此外低带强的胶带胶头接头硫化工艺相对更为简单方便。

驱动单元小型化：在保证总功率不变的情况下，采用更小的驱动单位，从而使带式输送机元部件设计小型化、通用化，既改善零部件的加工条件，又方便运输、安装及维护。

布置紧凑：中途不增加转运站，布置紧凑，占地小，减少带式输送机的受力，进而降低土建的投资。

改造方便：如果原有带式输送机必须靠提高带速增加运量的情况下，只需要更换原有电机或者减速机即可，较重新更换设备节省大量投资。

能力可调：矿井达到服务年限后，随着原煤可采煤量的降低，或者煤层开采条件的变化使得工作面采煤工艺放顶煤工艺转向炮采工艺，都会导致系统运量减少，在此情况下也可拆除部分中部线性摩擦驱动带式输送机，使原有带式输送机能更有效适应各种因素变化，充分发挥设备的能力，减少能源的消耗和设备的浪费。

2 实例分析

例如新疆屯泰煤矿已有主斜井带式输送机，带宽1.0 m，带速3.15 m/s，输送长度1 200 m，提升高度410 m，倾角20°，运量600 t/h，带强St2500S，安全系数6.7，采用头部双驱，电机功率2×560 kW，整个系统内逆止器、制动器配备齐全；主机房内设有驱动间，卸载间双层布置，二层头部卸载，与一层转载带式输送机搭接。目前整个系统完好，运行状态良好。经计算分析此时最大张力为373 kN，最大滚筒受力613 kN。

由于矿井规模升级，为保证现有规模提升能力必须将主斜井带式输送机运量升级至800 t/h。结合矿方利益既要保证现有设备及现有主皮带驱动机房内设施充分利用，最大限度减少工程量，节省投资，还要尽可能减少矿井停产时间，在此条件下采用线性驱动技术无疑是最佳选择。以下对该矿井主斜井带式输送机进行分析。

带式输送机驱动力主要由上、下托辊运行阻力和倾斜阻力组成，由于本带式输送机倾角较大，因此下托辊阻力可忽略不计，只考虑承载段的摩擦阻力和倾斜阻力。

设计方案拟将增加300 m长的线性摩擦驱动带式输送机，暂定只承载自身和已有带输送机300 m长度的驱动力，设计拟增加一套线性摩擦驱动带式输送机，其带宽1.0 m，带速3.15 m/s，长度300 m，选用带强PVG1250，安全系数10.7，电机功率2×200 kW。

2.1 驱动力计算

原有带式输送机驱动力：

F1=ω·L1·g·[q′+qB1·cosβ] +(qB1+qG)·g·H1=0.03×900×9.8×[10.38+27×cosβ]+(27+70.5)×9.8×308=253 kN

式中：L1—原带式输送机头部牵引长度900 m；L2—线性摩擦驱动带式输送机牵引长度300 m；qB1—原带式输送机St2500S胶带质量；qB2—线性摩擦驱动带式输送机PVG1250胶带质量。

线性摩擦驱动所产生的驱动力：

F2=ω·L2·g·[q′+(qB1+qB2)·cosβ] +(qB1+qB2+qG)·g·H2=0.03×300×9.8×[10.38+(27+16)×cosβ]+(27+16+70.5)×9.8×102=93 kN

2.2 功率计算

电机功率计算：P1=1.4×253×3.15=1 116 kW<2×560 kW

电机功率计算：P2=1.4×93×3.15=408 kW

通过计算可以保证原有带式输送机保持不变。

2.3 效果分析

原有带式输送机设备保持不变，经计算其头部最大张力为342 kN及最大滚筒合力为556 kN均小于之前600 t/h的受力，满足正常使用要求，如图2所示。

a-现有带式输送机增加800 t/h时受力曲线；b-现有带式输送机目前600 t/h时受力曲线；c-现有带式输送机增加800 t/h时引入线性驱动技术受力曲线图2 胶带机受力曲线

经过分析对于本矿井提高运力来讲，增加一条小型带式输送机作为线性摩擦驱动的辅助动力源，即可在原有设备全部利用情况下，有效减少投资、且只需要短时间停产安装机头即可，给企业带来不小的经济效益。

2.4 驱动分析

由于线性驱动技术会增加电机数量，驱动分散，因此对系统驱动电机的功率平衡及软启动的分配也带来相应问题。

目前变频器在带式输送机上多采用一拖一运行，通过主从控制以及转矩控制方式，将转矩和转速控制信号发送给PLC，PLC处理接收到的信号后进行运算处理，进而保证多台电机的同时启动以及功率平衡问题，就目前技术来讲功率平衡可以达到97%以上。

3 结语

福伊特公司线性摩擦驱动技术开发了动态模拟软件，针对不同领域，不同环境，只需输入相应参数即可得出系统的设备配置参数，并能实现动态仿真模拟动画。目前福伊特公司线性摩擦驱动技术在国外已被广泛应用，但对于国内来讲，随着高产高效矿井的发展，国内皮带机技术装备大型化日益成熟，致使线性摩擦驱动技术在国内应用并不是很多，也并没有得到认可。可笔者认为对于运输能力有提高要求的或带式输送机需要延伸的矿井，这种技术的确是一个很好的选择。