选矿厂皮带机扩能技改及带式输送机问题解决

王喜和

（内蒙古大中矿业股份有限公司，内蒙古巴彦淖尔 014423）

0 引言

在矿山企业生产实践中，带式输送机是整个生产系统中的重要运输工具。据统计，目前国内矿山企业带式输送机事故频发，设备故障率最高。在生产运行中，皮带机经常出现打滑、跑偏、脱层、划伤、撕裂、断带、倒转等异常现象；出现减速机、传动滚筒、液力偶合器等部件断轴、打齿等设备运行事故。且发生故障后的停产损失远大于设备的修复损失及其造价。

1 书记沟选矿厂5#皮带机运行现状

5#皮带机承载运输着破碎系统中细碎混合料，是整个运输系统中负荷量最大的枢纽皮带，循环负荷达到150%，皮带上矿石自然堆积角已经接近40，超过其允许堆积角30，远超其设计运输能力。按建矿时的设计要求，其运输量不超过180 万吨/年，目前的运输产量已达到210 万吨/年。皮带机是在过负荷状态下运转，因此，在运行中发生过跑偏、打滑、划伤、撕裂等故障或设备事故。另一方面，5#皮带机在最初设计配置中，即没有自动纠偏、防打滑及减负荷设施，也无逆止器、液力偶合器等制动、动力分配配置。在生产过程中，受皮带倾角及矿石重力的影响，发生过皮带倒转致使矿石撒到机尾的异常现象，这都是超负荷运转出现的症状和缺陷。由于5#皮带机运输能力的限制，无法达到一中二细破碎机同时启动的生产要求，造成破碎系统延长到21 h/d 的生产时间，仍不能保证磨选车间的充足供料。

为此，根据公司230 万吨/年的三期规划要求，2019 年2 月，对5#皮带机技改项目进行详细设计计算。其中，在设计过程中，经查阅大量资料及相关调研，应用了行业内的先进理论和计算方法，对配套中的所有设备进行了校核，并按照目前行业内的标准配置做了选型。

2019 年8 月，书记沟选矿厂对5#皮带机完成了技改安装，经2 个多月的生产运行，目前5#皮带运输机运行状况良好，满足了同时开启一中二细中细碎破碎机的生产要求，保障了磨选车间的充足供料及原矿仓储料。

2 设备参数、技改理论及要点数据

2.1 基本数据

（1）5#皮带机原设计参数。皮带机宽B=1000 mm，斜长L=81 m，运输量Q900 t/h。运输带结构为6 层尼龙帆布芯NN100型。运输带上胶厚6 mm，下胶厚1.5 mm。主机安装倾角可分为3段：16倾角43.6 m，8倾角12 m，0倾角25.5 m。

（2）技改产量要求。如果按三期规划对接生产量时，处理原矿量为230 万吨/a。根据书记沟选矿厂给出的理想台班生产时间，要求破碎作业时间为5 h/班，按给矿粒度、铁矿石性质及循环负荷的试验数据。原矿先后经由中细碎破碎上筛后，其循环负荷为150%。因此，给矿量计算如下：Q=（23010000）/（33015）=465 t/h，Q循环=1.5Q=1.5465=698 t/h。因此，5#皮带机输送量要求为Q5=Q+Q循环=1163 t/h。

2.2 技改理论

第一步：首先依照行业最新标准，按技改产量要求，对主机进行选型计算并校核其产能。

第二步：在第一步基础上，全面进行皮带机运输圆周力计算和逐点张力计算。其中，按照目前国内矿山建设中运输机的标准配置，以及最新计算理论，运输圆周力包括以下几种。并依次进行皮带机垂度校核、运输带层数及强度校核。

（1）主要阻力FH。包括托辊旋转阻力和输送带的前进阻力，前进阻力是指输送带在托辊上反复被压凹陷及皮带和物料经过时反复弯曲变形产生的阻力。

（2）附加阻力FN。FN=FNa+FNb+FNc+FNd。其中，FNa是物料在装载段被加速的惯性阻力和摩擦阻力，FNb是物料在装载段导料拦挡侧壁上的摩擦阻力，FNc是滚筒轴承阻力（传动滚筒的不计入），FNd是输送带绕经滚筒的弯曲阻力。

（3）倾斜阻力Fst。倾斜阻力（物料提升阻力）。

（4）特种主要阻力Fs1。Fs1=Fsa+Fsb。其中，Fsa是托辊前倾摩擦阻力，Fsb是物料与导料栏板间的摩擦阻力。

（5）特种附加阻力Fs2。Fs2=Fsc+Fsd。

综上所述，运输圆周力Fu=FH+FN+Fs1+Fs2+Fst=CfLg[（2qB+qG）cos+qRo+qRu]+qGHg+Fs1+Fs2。

第三步：按照前两步结果，设计选择驱动滚筒、电机及减速机型号，计算出各输入输出轴的转速、工作转矩等运动和动力参数。并依次进行驱动滚筒的比压校核、减速机的热功率校核、各轴的转矩及最大载荷校核、电机的功率校核。有关技改理论的应用，关键解决3 个方面问题。

（1）与实际对接并应用于实践中的关键理论，要求与实际无差异。

（2）运输圆周力的影响因素较多，因配置和使用状况、环境等因素的不同而发生变化，严格来说，是变量。应结合实际现场，严格按照动力学原理做出正确分析，依次计算。

（3）动力滚筒转速及传动系速比，根据所需动力选择动力机后，按照动力机的满载转速，计算选择减速机，进而按选定的减速机重新核准皮带机运行速度及其动力参数；核准运输圆周力的差异及功率差异；如减速机无法满足其热负荷的要求，则需考虑配置散热设施，否则，重新选择更大一级的相邻级别的减速机，最后，方可校核原动力机是否满足要求。

2.3 要点数据支撑

2.3.1 初步确定带宽并校核产量

（1）带速v 的确定。根据原矿石性质，磨琢性较大，约45%物料粒度在250160 mm，其余为160 mm 以下。又根据带速标准，查基础理论表得，v=24 m/s，故初选v=2 m/s。

2.3.2 计算运输圆周力Fu

经计算，Fu=FH+FN+Fs1+Fs2+Fst=CfLg [（2qB+qG）cos+qRo+qRu]+qGHg+Fs1+Fs2=37 006 N。其中，qB是每米长输送带质量，qG是每米长输送物料的质量，qRo是承载分支托辊每米长旋转部分的质量，qRu是回程分支托辊每米长旋转部分的质量，f=0.0230.03，取f=0.03，mRo=2025，取lRo=1 m，qRo=25/1=25 kg/m，mRu=1820，取lRu=2 m，qRu=20/2=10 kg/m，B=1200，6.0+1.5、6 层尼龙帆布芯胶带：qB=22 kg/m。qG=Q/3.6v=161.53 kg/m。其他计算系数：托辊前倾角=2，承载托辊与输送带间的摩擦系数0=0.30.4，物料与导料挡板间的摩擦系数2=0.50.7。=30时、槽形系数=0.4，其余略。

2.3.3 驱动滚筒的选择及校核

（1）主滚筒直径。传动滚筒直径的大小影响输送带绕经滚筒时的附加弯曲应力，以及输送带在滚筒上的比压，为使弯曲应力不过大，对于尼龙帆布层芯运输带，应满足D/Z125，其中，D 为滚筒直径，Z 为帆布层数。故初选D=800 mm&1000 mm，B滚筒=1400 mm。

（2）比压校核。织物芯输送带许用比压[N]=100 N/cm2，而织物芯体运输带比压NZH=2Fmax/DB=11.74 N/cm2约[N]，因此，驱动滚筒的选型及其尺寸符合要求，通过。

2.3.4 主滚筒、电机及减速机的参数计算，电机及减速机选型

皮带机的运行速度拟选为v=2 m/s，下面验算其合理性，论证并确认其可行性。

（1）电机功率、选型、滚筒转速及传动系速比。滚筒工作效率w=筒轴=0.960.98=0.94。电机功率：设定减速机选用工矿运输带专配减速机，根据常规配置及以下计算（i30）可知，二级无法完成其速比要求，暂设定为三级减速，且为了缩小其占用面积，选择硬齿面圆锥圆柱齿轮减速机，则电机至主滚筒的效率计算如下：a=轴3锥柱2联=0.85，Pd=（Fuv）/1000aW=92.63 kW。因此，初选电机功率是110 kW；根据JB/T 8680.1—1998、JB/T 8680.1—1998Y2 标准，兼顾其转矩要求（见下面运动和动力参数），供选型号为：Y2-315S-4/110 kW 或YX3-315S-4/110 kW，查表，其满载转速均为nm=1480 r/min。滚筒转速nw=（601000v）/D=47.75 r/min。传动系速比i=nm/nw=1480/47.75=31。查阅《带式输送机硬齿面圆锥圆柱齿轮减速机》参数表，得出相近速比：i1=31.5，i2=35.5，i3=28。下面根据减速机公称功率及其热功率要求，来确定传动系速比。

（2）减速机选型。根据该速比及转矩要求，按照国家标准ZBJ19004 大功率大转矩带式输送机减速机类型，考虑到实际场地要求安装面积最小的特点。结合主要部件承载能力大、互换性好、传动平稳、效率高、体积小、重量轻、安装简便等诸多因素，应选用圆锥圆柱齿轮传动系列。确定齿轮箱规格、减速机型号及参数。

所选齿轮箱计算功率Pc应满足：Pc=PWKAKsKRPA，其中，KA为使用系数，运输块状石料，查基础表，工作机载荷性质为H，查表，KA=1.75，PA为公称功率，Pw为工作功率，KS为启动系数，每小时启动次数5，查表，KS=1，KR为可靠度系数，查表，KR=（1.6+2.55）/2=2.075，Pc=PWKAKsKR=[（Fuv）/1000]KAKsKR=268.76 kW。依照JB/T 9002—1999 带式输送机类减速机选型参数表，查表19 得，i1=31.5、n1=1480 r/min 时，DCY 型规格为355 的减速机：PA=290 kWPc；i2=35.5、n1=1480 r/min 时，DCY 型规格为400 的减速机：PA=345 kWPc；i3=28、n1=1480 r/min 时，DCY 型规格为355 的减速机：PA=320 kWPc。

通过热功率校核可知，i3=28、规格355 型减速机，在没有冷却措施时，不能满足散热要求，因此该减速机暂不选取。其他两种速比的减速机，热功率校核均满足散热要求，都可以作为选配对象，后续将分别进行其功率及转矩校核。其型号暂表示为：DCY355-31.5&DCY400-31.5；DCY400-35.5。基于前半部分设备配置的主要选型已具备，其余计算及其校核内容还比较多，篇幅关系，不再列出。

2.3.5 结论

综合以上计算及校核，5#皮带机扩能技改选型及其配置如下。

（2）主电机。Y2-315S-4/110 kW 或YX3-315S-4/110 kW。

（4）输送带。B1200 尼龙帆布芯1.5+6.0 NN100 型橡胶带，层数：减速机DCY400-31.5 时，输送带为6 层；减速机DCY400-35.5 时，输送带为7 层。

（5）液力偶合器。根据其转速及转矩要求，选型为YOX510&YOX域510。

3 运行故障主要问题分析

带式输送机在矿山行业故障率居高不下，上述对其设计要求的阐述、要点计算并结合书记沟选矿厂5#皮带机技改前的配置情况，总结起来，主要有以下几方面原因。

3.1 设计不合理、配置功能不完善

（1）动力配置偏大但实用功能设置不全。

（2）自动纠偏、防打滑装置结构陈旧、不完善，缺乏减负荷设施。

（3）未设置液力耦合器等动力分配装置，造成设备运行中各受力部位负荷不均、受力冲击偏大。

（4）未设置逆止器等制动装置，造成负荷不均衡时的倒转缺陷。

3.2 设备选材、加工制作不达标

（1）选材不合格，设备在运行受力过程中或受冲击负荷的状况下，机头、机尾及机架变形或错位，引发皮带跑偏、损伤及划裂等异常发生。

（2）设备制作后，传动系统相对于主机架、各输出输入轴之间平行度及垂直度误差偏大、不符合标准要求。

（3）托辊组件及其轴承不合格。

3.3 设备安装不合格

（1）主机架存在侧偏，与基础面不平行，其误差超标。

（2）传动系统相对于主机架、传动系统各轴之间平行度、垂直度误差偏大，不达标。

（3）基础固定不符合要求，缺乏调整措施。

3.4 多年失修，缺乏日常维护

（1）机架由于投入运行时间过长或基础下沉等原因产生变形、偏斜、弯弓不平直等缺陷，引发皮带跑偏、打滑、损伤、撕裂等异常现象。

（2）托辊缺失、悬空、磨裂、偏斜或其一端位移，与胶带中心线不垂直，引起皮带跑偏、损伤或撕裂。

（3）由于投入运行时间长，产生滚筒倾斜，其轴心线不与胶带中心线垂直，或滚筒轴心线不与底板水平面（皮带工作面）平行，引发皮带跑偏。

（4）由于长期运转，造成滚筒直径误差而未及时调整胶带张力，在冲击负荷的作用下，引发异常振动、错位、机头机尾变形等问题，造成皮带跑偏、打滑或损伤。

（5）投入时间过长，缺乏维护，纠偏装置、紧停保护装置、制动装置失灵而功能失效，起不到应有的保护作用。

3.5 超负荷运行

运输量加大后处于超载运行状态，而原配置中缺乏动力分配设施，由于动力滚筒转矩加大，载荷超过其极限强度后引发主轴断裂。还可能引发其他设备设施的损害和皮带倒转等异常出现。

3.6 给料不合理，给料源头缺少异物排除设施

（1）落料不正确或落料高差不足，引起带面磨损加剧、冲击过大、料块卡阻等现象，引发皮带损伤或划裂。

（2）落料偏于胶带一侧，负荷不均，引起皮带跑偏。

（3）给料源头缺乏异物排除设施，使得铲尖、铁块等异物从给料口进入时，发生卡阻现象，造成皮带机的划伤或撕裂。

4 核心问题解决

从上述分析可知，带式输送机在运行过程中出现的各种故障，总结起来，由两方面原因，即设备项目投入的前期技术管理问题和设备投入生产后的运行管理问题。治标先治本，因此，要想解决好设备运行故障问题，首先应从设备前期工作入手，做好设备投入前各环节相应的技术及管理工作。主要包括设计、制作及安装等3 个方面。设计工作是项目总体工程的基础环节，如设计不合理，往往造成设备的终身遗患，因此，设计环节是严谨而科学的过程，需层层审核，重点把关。

4.1 采用先进技术解决核心问题

业内对带式输送机的设计，目前各大设计院所都是按照GB/T 10595—2009《带式输送机》标准设计，采用DT域型固定式带式输送机系列产品，加工制作、组合安装完成。从行业发展最新成果来看，这种常规传统的设计方法缺乏与设备自动化要求相配套的可控启动传输装置，其中机械调整装置、CST 可控启动传输及液体粘滞可控离合器等新型控制配置一直未得到业内设计人士的充分应用，这就是带式运输机控制系统落后、过载或运行异常得不到合理的保护、驱动系统功率分配不均衡、耗能较高、设备设置缺乏自动监测功能的主要根源。因此，要有效解决皮带机设备的运行故障，必须从项目设计这个根本环节入手，使设备的控制、保护装置配置齐全、功能完善，才可从基础上解决问题。据国内不完全调查统计，以前传统设计方法中，有60%的用户缺乏制动装置、减负荷装置及动力分配装置。甚至有50%的用户，运行设备中的自动纠偏装置、防打滑装置及紧急停车连锁装置失灵失效，起不到应有的调节保护作用。这个事实表明，除了设计缺陷外，选型落后及配置老化也是行业设计环节必须重视和解决的问题。

4.2 可控启动机械调整机构配置及功能

可控启动装置应用于带式输送机领域，有多种方式，大致可分为两大类：一类是用电机调速启动；另一类是用鼠笼式电机配用机械调速装置对负载实现可控启动和减速停车。这里，重点分析阐述机械调整装置的发展成果。

机械调整装置有调速型液力耦合器、CST 可控启动传输及液体粘滞可控离合器等3 种。其中，CST（controlled start trans原mission，可控启动传输）是美国为带式输送机设计使用的一套可控启动装置的总称。其主体是一个可控无极变速的减速器，原理是在一级行星传动中，用控制内齿圈转速的办法，调节行星架输出的转速，使负载得到所需要的启动速度特征和减速特性，并能以任意非额度的低速运行。内齿圈的转动用多片式液体粘滞离合器控制。其中，多片式液体粘滞离合器是该套控制系统的核心部件，工作是依靠动、静片之间的油膜剪切力传递力矩。离合器由环形液压缸的压力，改变动、静片间的油膜厚度，就能控制它所传递的力矩。当输出轴上的转矩大于负载的静阻力矩时，负载加速；转矩平衡时，负载就稳定运行。

在CST 总体系统中，与主体可控无极变速减速器配套的装置有：控制离合器环形油缸的液压伺服系统、给离合器和润滑系统供油的液压系统、油液冷却系统、以及电控监测系统。电控监测系统由可编程控制器和监测各种参数的传感器组成。CST 可控启动传输对带式输送机具有下列功能：电机无载启动；输送带的加、减速度特性任意可调；输送带可低速运行；过载保护灵敏；有节能效果，多电机驱动时的功率分配均衡；控制系统的响应极快；冷却系统可满足频繁启动需要；有多种监测、保护装置，能连续对各种参数进行有效监测和控制，可靠性高。

综上所述，采用可控启动机械调整装置，完全可以解决过载或运行异常得不到合理的保护、驱动系统功率分配不均衡、耗能较高、设备设置缺乏自动监测等核心功能问题，是带式运输机行业发展的新趋势。

其次是抓好制作和安装阶段相关的跟进、检验、监督及验收等前期工作。只有把设备管理的前期基础工作落实到位，才是避免、消除设备运行隐患和故障的必要条件。

4.3 输送机运行维护及管理

设备投入运行后，需依照各厂矿的工作性质和特点，严格做好设备运行管理工作；从技术层面讲，设备运行一定周期后，各零部件及其机构由于负荷不均衡等因素，会产生形位偏差或磨损超标等症状，这就需要在日常点检维修工作中，及时做好设备各零部件的调整、维护保养和易损件的更换，主要有以下方面。

（1）对于主滚筒、运输托辊分别相对胶带中心线的垂直度的调整和更正。

（2）对于主滚筒、运输托辊轴心线分别相对于底板水平面的平行度的调整和更正。

（3）运行一定周期后，全面检查机头、机尾及机架是否发生变形或位移，有无下沉或侧偏等现象，并给予对应的检修。

（4）检查动力传动系统相对于主机架、传动系统各轴之间的平行度、垂直度是否符合要求，其润滑状况要求良好达标。

（5）运行一定周期后，应及时校核调整皮带机的张紧力。

（6）检查滚筒、托辊等主要皮带传动零部件的运行状况及磨损状况，并给予检修。

（7）检查纠偏装置、紧停保护装置、制动装置等设施的功能状况并及时给予修复。

（8）给料方式正确，落料高差符合要求。这样，只有日常维护和管理工作都做到位，才会有效排除上述设备的运行故障。结合前期工作的有效落实，基本兼备了设备畅通运转的充要条件，保障了设备正常生产。

5 改造效果

5#皮带机技改后，生产输送量从原来的180 万吨/年提高到230 万吨/年，对接了三期扩产规划的要求；三期正常投产后，按目前产品市场价值预测，可提高生产效益约11 250 万元/年。