机械工程专题讲座

机械工程专题讲座-煤矿高产高效机电技术之带式输送机1绪论带式输送机是煤矿的主要生产设备之一，特别是大型现代化煤矿，从工作面到装车站，儿乎全由带式输送机完成煤炭的输送任务。带式输送机具有长运距、大运量、连续输送等优点，且运行可靠，易于实现自动化集中控制。带式输送机己成为煤炭高效开采的关键设备。上世纪九十年代以来，我国煤矿带式输送机向长运距、高带速、大运量、大功率的方向发展；经过科研攻关和引进、消化吸收国外先进技术，基本满足了发展需求，但与国外先进带式输送机比仍然存在不少差距。为了适应现代化煤矿建设的发展要求，国产带式输送机的设计和制造水平，都堕待有一个质的飞跃。现代社会对煤矿安全和设备的自动化程度要求越来越高，传统的运输机己不能满足煤矿自动化的要求，因此如何设计性能完善、质量可靠、技术先进的皮带运输机监控系统，己成为重要的研究方向。为保证煤矿井下带式输送机的安全运行，《煤矿安全规程》明确规定：“采用滚筒驱动带式输送机运输时，必须装设驱动滚筒防滑保护、堆煤保护和防跑偏装置；应装设温度保护、烟雾保护和自动洒水装置”。在信息技术发展的引领下，近年来带式输送机保护装置得到迅猛的发展。各生产厂家和科研院所相继研制出多种类型和功能的保护装置。现阶段带式输送机的保护装置主要实现跑偏、张紧力、温度、烟雾、煤位、撕裂、速度等保护，当发生故障时，保护装置会根据故障进行语音报警及显示报警。现阶段，针对带式输送机的电机的变频调速以及减速器的故障状态监测，建立起相应的控制系统和故障诊断专家系统。可编程控制器（PLC）具有高稳定性、高可靠性以及抗干扰能力强等优点，根据上述情况，在研制皮带机监控系统时，选用可编程序控制器作为系统的主控设备，使该系统在适应性和功能等方面全面升级。可编程控制器控制范围一般在3km以内，主机与分机之间一般在lkm左右，最远不超过3kmo实践证明，它能在最恶劣的环境下连续不断工作，抗干扰能力强，稳定性好，无故障工作时间可达几年，主机工作寿命可达十几年以上。PLC组成的监控系统可靠性高、使用方便，能适应带式输送机复杂多样的控制和保护要求。因此出现了很多以PLC为控制部件的带式输送机保护监控系统。2国内外带式输送机技术的现状目前带式输送机己广泛应用于国民经济各个部门，近年来在露天矿和地下矿的联合运输系统中带式输送机乂成为重要的组成部分。主要有：钢绳芯带式输送机、钢绳牵引胶带输送机和排弃场的连续输送设施等。这些输送机的特点是输送能力大（可达30000t/h）,适用范围广（可运送矿石，煤炭，岩石和各种粉状物料，特定条件下也可以运人），安全可靠，自动化程度高，设施维护检修容易，爬坡能力大（可达16°）,经营费用低，由于缩短运输距离可节省基建投资。目前，带式输送机的发展趋势是：大运输能力、大带宽、大倾角、增加单机长度和水平转弯，合理使用胶带张力，降低物料输送能耗，清理胶带的最佳方法等。我国己于1978年完成了钢绳芯带式输送机的定型设计。带式输送机由于具有长距离连续运输、运量大、运行可靠、效率高、易于实现集控自动化等优点，己成为我国煤矿井下原煤运输系统的主要设备，许多矿井己完成“运煤皮带化”。随着带式输送机长距离、高带速、大运量、大功率的发展需要，带式输送机的电控重要性日益凸现。尤其是年产千万吨级煤矿的不断出现，导致超长距离、超大运量、超大功率的新型带式输送机己成为必备的设备，带式输送机电控技术水平己发展到一个新的台阶。下面两点是我国与国外在带式输送机技术上的差距⑷。2.1带式输送机动态分析与监测技术长距离、大功率带式输送机的技术关键是动态设计与监测，它是制约大型带式输送机发展的核心技术。目前我国用刚性理论来分析研究带式输送机并制订计算方法和设计规范，设计中对输送带使用了很高的安全系数（一般取n=10左右），与实际情况相差很远。实际上输送带是粘弹性体，长距离带式输送机其输送带对驱动装置的起、制动力的动态响应是一个非常复杂的过程，而不能简单地用刚体力学来解释和计算。现己开发了带式输送机动态设计方法和应用软件，在大型输送机上对输送机的动张力进行动态分析与动态监测，降低输送带的安全系数，大大延长使用寿命，确保了输送机运行的可靠性，从而使大型带式输送机的设计达到了最高水平（输送带安全系数n=5〜6）,并使输送机的设备成本尤其是输送带成本大为降低。2可靠的可控软起动技术与功率平衡技术长距离大运量带式输送机由于功率大、距离长且多机驱动，必须采用软起动方式来降低输送机制动张力，特别是多电机驱动时。为了减少对电网的冲击，软起动时应有分时慢速启动；还要控制输送机启动加速度0.3〜O.lm/s2,解决承载带与驱动带的带速同步问题及输送带涌浪现象，减少对元部件的冲击。由于制造误差及电机特性误差，各驱动点的功率会出现不均衡，一旦某个电机功率过大将会引起烧电机事故，因此，各电机之间的功率平衡应加以控制，并提高平衡精度。国内己大量应用调速型液力偶合器来实现输送机的软起动与功率平衡，解决了长距离带式输送机的起动与功率平衡及同步性问题。但其调节精度及可靠性与国外相比还有一定差距。3国产带式输送机技术的发展方向3.1大型化、提高运输能力在今后10年内输送能力要提高到3000〜10000t/h,带速提高至5〜8m/s,可伸缩带式输送机输送距离要达到6000m以上，钢绳芯强力带式输送机须达到14000m以上，单台电机功率要达到1000〜2500kW以上,输送带抗拉强度大于6000N/mm（钢绳芯）和3150N/mm（整芯）⑸。2提高元部件性能和可靠性除了进一步完善和提高现有元部件的性能和可靠性，还要不断研究新的技术和开发新的元部件。3扩大功能，一机多用将带式输送机结构作适当修改，拓展运人、运料或双向运输等功能，做到一机多用，使其发挥最大经济效益。4开发专用机型我国煤矿的地质条件差异很大，为了满足特殊要求，应开发特殊型带式输送机，如弯曲带式输送机、大倾角或垂直提升输送机等。4矿用带式输送机发展的技术前瞻4.1动态分析技术对整机运行过程的动态特性进行分析，涉及基础理论和现代先进技术，是综合性的高新技术。德国、美国、日本等国较早开展动态特性研究，并己在实际工程中应用。应用动态分析技术优化设计大型带式输送机，安全系数最小可达4.8。国产输送机未经动态特性分析，即使使用了可控启动装置，其安全系数也需要取到8左右。掌握动态分析技术，可使我国带式输送机技术水平有一个质的飞跃，应尽快开展这方面的研究工作。2可控启动技术大型带式输送机启动是个加速过程，输送带发生粘弹性变形而产生动张力。当带速越高、启动时间越短时，启动加速度与输送带粘弹性变形就越大，动张力也越大，严重时就会损坏输送带与其它元部件。采用可控启动（乂称软起动）技术，可使输送带启动时初张力下降小于10%,保证输送带不打滑。可控启动装置，必须具有以下性能：1、启动时间可随带式输送机主参数调节，使启动速度曲线平稳，并能实现满载启动。2、根据我国有关标准规定，输送带启动加速度不得大于0.3m/s2o3、在多机驱动时，还应具有功率平衡的功能。4、电动机应能空载启动，在多机驱动时，还应具有使电动机顺序启动的功能。5、具有过载保护功能。6、启动时尽量降低对电源的冲击，避免对电源电流与电压产生污染。7、输送机短时停车时，可以不停电动机。8、操作维护简便，工人易于掌握。近儿年来，国内外相继开发成功多种形式的软起动装置：1、液粘性软起动装置，如澳大利亚的BOSS系统、美国的CST等；2、液力型软起动装置，如调速型液力偶合器、加长后辅腔液力偶合器等；3、电气型软起动装置，如变频调速、可控硅控制开关磁阻启动等；4、机械式软起动装置，如BEST、德国力士乐公司的辅助液压马达周转齿轮系统【刈。3下运制动技术下运带式输送机在正常运转时，借助电动机转子达到同步转速时产生的反力矩来限制输送带速度的提高。但当停机或电源中断时，由于失去控制，会造成滚料或飞车事故，故必须进行制动。制动过程是个减速过程，同样存在输送带变形与储存能量的释放问题，如控制不当，除了发生滚料、飞车事故外，还会损坏输送带及元部件，严重时可能发生输送带的折叠现象。下运带式输送机的技术难点为：1、制动能量大制动器吸收的机械能转化为热能，温度急剧升高，超过150°C就有引起瓦斯和煤尘爆炸的危险。且使闸衬摩擦系数下降，制动器的制动力矩急剧下降，以致造成飞车事故。2、制动平稳性要求高制动减速度要求限制在0.1〜0.3m/s2范围之内，制动时间约10〜20s。为保持稳定的制动减速度，要求制动力矩能随负载的大小自动调节。3、事故停电时要求迅速安全制动制动装置必须满足的技术要求：1、制动减速度必须限制在0.1〜0.3m/s2范围内；每小时制动10次，接触面除不产生火花外，各元部件温度不得高于MT820-1999《煤矿井下用带式输送机技术条件》中规定的温度；2、整个采区停电也必须保证能够制动。3、液力制动装置，己在煤矿井下普遍使用。但体积庞大，要用多种能源（电、液、气），操作复杂，易出事故，需要改进提高。盘式制动装置体积小、重量轻，省掉一套机械抱闸制动器，操作维护简便，更适合于煤矿井下使用。但目前还有关键技术问题有待解决抒七4.4自动张紧技术在确保输送带最小初拉力能满足挠度要求的条件下，驱动滚筒趋入点和奔离点的张力比应为定值。要求启动张紧力与额定张紧力的比值1.4〜1.5,允许波动±10%；在正常工作过程中为0.9〜1.1。大型带式输送机张紧装置的技术要求：1、自动调整张紧力能随着输送带张力变化自动调节，使驱动滚筒趋入点和奔离点的张力比保持为定值。2、响应速度快当输送带张力发生变化时，张紧装置使其恢复到原值的响应速度越快越好，使输送带张力稳定，平稳运行；否则，可能产生振动，甚至发生共振。3、不出现死区如机尾有低谷的高垂度输送机，制动时输送带可能摺叠和严重变形，导致物料滚落，应予避免。重力张紧装置因受到煤矿井下空间的限制，仅用于倾斜带式输送机上。绞车与油缸相结合的自动张紧装置，经实际使用证明，能达到使用要求。使用液压绞车的自动张紧装置，响应速度与可靠性要高得多。张紧装置安装在不同的位置上，其所需张紧力与张紧行程相差甚大。目前国产张紧装置响应速度不快、可靠性不高，有待进一步改进。4.5中间驱动技术采用中间驱动可以降低输送带的最大张力，降低输送带的强度要求，由于单元驱动装置小型化，不仅搬运、安装方便，而且还可减少安装空间，使巷道的拓宽量大为减少。中间驱动有两种：直线摩擦式与滚筒卸载式。直线摩擦式采用子带输送机向母带输送机输入功率，不但投资较大，且装拆子带输送机工作量大，影响工作面的推进，因而可伸缩带式输送机大多采用滚筒卸载式中间驱动。中间驱动的关键技术是驱动装置的负荷分配及各驱动装置的启动顺序和时间间隔。目前国内外多采用液力调速装置来解决〔35】。4.6高速托根技术在输送能力相同的前提下，提高带速比加大带宽有利于节省设备投资费用。为了安全起见，带速一般控制在4〜5m/s。带速提高后，托辐转速和旋转阻力增大，使用寿命降低。标准规定，托辐转速不得超过600r/mino提高托辐质量对降低能耗、节省费用、增加运行可靠性具有很大的意义。托辐的使用寿命主要取决于轴承的性能，轴承摩擦阻力约占托辐旋转阻力的1/4〜1/8,托辐常用204、205系列滚动轴承。国产轴承的性能与英国、西德等国基本相同。国内研制开发了KA系列托辐专用轴承，主要改进措施是：1、增大轴承的径向游隙和允许的偏转角，使不同心度和污物堵塞对轴承的影响小得多。2、采用爪型柔性尼龙保持架。3、加大沟槽半径，加大钢球直径，提高轴承的承载能力。KA系列托辐专用轴承在非常恶劣的条件下运转，试验寿命可达到204轴承的10倍以上，而旋转阻力小一多半。带速一般不能超过4.5m/so美国、澳大利亚等使用了新型注油托辐，轴承采用稀油润滑，其运行阻力小，托辐寿命可达10年以上，托辐速度高达6〜8m/s。国内外托辐质量存在差距的另一个主要原因是加工质量，国内托辐生产厂家的加工工艺与设备精度保证不了设计要求，必须革新加工工艺和设备，才能制造出高质量的高速托根，满足大型带式输送机高带速的要求。4.7电控与监测自动化技术为了实现输送机可控启（制）动、中间驱动、功率平衡、带速同步、自动张紧与机尾自移以及各种保护装置、通信与信号联络等综合功能的要求，国外大型带式输送机都己采用高档PLC可编程序控制器，开发了先进的程序软件与综合电源继电器控制技术以及数据采集、处理、存储、传输、故障诊断与查寻等完整的自动监控系统，除了自动监控输送机的可控启（制）动、带速同步与功率平衡等外，还对各种保护与安全装置、输送带张力、传动滚筒与托辐轴承温度、输送带接头强度、输送量计量等实行监测。国产带式输送机采用中档PLC可编程序控制器来控制输送机的整个工作过程，没有自动监控装置、没有故障诊断与查寻，也没有人员呼救的功能㈣。8变频防爆技术变频调速具有优越的软启动、软停止特性。在空载验带状态下，变频器可在5%〜100%额定带速范围内任意调整电机工作转速。由于变频器采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转最大可输出150%额定转矩，因此最适于输送机“重载启动”特性。多电机驱动时其负载均衡精度很高。当输送机载荷变化较大时，变频调速节能效果明显〔36】。研制400kW/1140V的防爆型矿用变频器要解决的关键技术：1、功率器件的选型1140V是我国煤炭行业所特有的一个电压等级，同时目前市场上还没有用于恒转矩负载启动和调速的400kW/1140V防爆型变频器成品。2、散热问题功率器件散热约占整个变频器散热量的一半，它直接影响变频器的寿命。3、电磁兼容(EMC)变频器由主回路和控制回路两部分组成，由于主回路进行开关动作的非线性，变频器本身就是谐波干扰源。变频器的控制回路是小能量、弱信号回路，极易遭受干扰，使变频器无法工作。解决好电磁兼容抗干扰问题是防爆型变频器正常工作的关键之一。4、防爆外壳的设计防爆外壳的设计要兼顾散热、电磁兼容以及防爆结构的技术要求。5结论经过前面的介绍可知，我国的带式输送机相较于国外的技术还存在有一定的差距。带式输送机是煤矿的主要运输设备，因此，带式输送机的安全运行成了煤矿安全生产的重要组成部分。带式输送机电机的变频调速、综合保护装置以及减速器的故障诊断装置的可靠性和安全性对带式输送机的稳定运行和安全生产起到了重要作用。参考文献［1］邢丽坤，韦颖PLC在带式输送机电气控制系统中的应用(J).煤炭工程，2007(11):113〜114.［2］国家煤矿安全监察局煤矿安全规程〔M).北京:煤炭工业出版社，2004.［3］尹成迅矿用带式输送机控制技术现状及发展趋势［J］煤矿机械，2006(7):1〜3.［4］赵玉文，李云海带式输送机的现状与发展趋势［J］.煤矿机械，2004,25(4):1〜3.［5］韩志工，李冠坚带式输送机综合保护控制装置的设计［J］.科技信息，2008(19):1〜3.［6］王晓娟，欧阳名三带式输送机的保护控制设计［J］煤矿机械，2010(8):1〜3.［7］张培友，郭晓东，王富兰.煤矿地面输煤系统的PLC集中监控及其自动化［J］.山东科技大学学报，2000,19(1):99〜101.［8］黄磊,周少秋，王红卫.矿用胶带运输机安全电控系统设计［J］.焦作工学院学报(自然科学版),2000,19(5):380〜382.［9］悦波，矿用带式输送机监控与保护装置研究［J］山西焦煤科技，2009(9):11-13.［10］张启明.带式输送机保护装置的技术现状［J］.煤矿开采，1999(3):43〜45.［11］张启明，张培友,贾翠欣.带式输送机保护装置的技术现状［J］煤矿机械,1999,(8):5〜7.［12］姚志昌，徐茂峰，唐小行，杨志伊，郭学刚，高彦成，井下运输机械滚动轴承故障的检测与诊断［J］,煤矿机械,2000,(7):47〜49［13］杨志伊，刘同冈，煤矿井下设备振动监测与故障诊断