3×33运输巷皮带设备选型及验算
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摘 要：根据3×33皮带巷输送长度、巷道倾角、输送高度、输送量、原煤安息角以及带速的要求对3×33皮带巷所有的皮带设备进行验算，使得所选用的设备符合煤矿安全规程的要求，并且经济合理。
关键词：钢丝绳芯带式输送机 运输能力 验算
中图分类号：TQ520.61 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（c）-0022-03
3×33皮带下山担负三水平下山采区主要运输任务，在皮带下山中设计一条钢丝绳芯带式输送机，运输能力1 200 t/h。采区煤炭通过皮带下山运到上部采区煤仓，装入底卸式矿车后运到三水平卸载煤仓，再通过3～2水平皮带运到二水平储煤仓，由混合井提至地面。
1 主要技术参数
（1）原煤安息角：ρ=20°；容重：γ=0.9 t/m3；最大粒度：Xmax=0.35 m；2、输送量：Q=1 200 t/h；（3）输送长度：L=631 m，其中平段L1=260 m，斜段L2=371 m；（4）输送高度：H=105 m；（5）输送倾角：β1=0°，β2=15°50′（上运）；（6）工作环境与装载点：煤矿井下运输，输送机成槽角λ=35°，工作条件一般，机尾装载，机头卸载。
（1）带速：初选V=3.15 m/s；（2）带宽：初选B=1.2 m；①按输送量计算B=[Q/（ρKVCm）]0.5=[1 200/（0.9×409×3.15×0.88）]0.5=1.08 m，式中K为装料断面系数，取409；Cm为倾斜系数，取0.88。②按输送物料块度验算带宽，B≥2Xmax+0.2=2×0.35+0.2=0.9 m，故选择带宽B=1.2 m，符合要求。（3）输送带：预选阻燃钢丝绳芯输送带ST2000，单位长度质量qo=44 kg/m，额定拉断力Sn=2 000 N/mm×1 200 mm=2 400 kN，钢丝绳直径δ=6 mm，间距t=12 mm；（4）托辊：选用托辊直径ф=133 mm，4G306轴承。承载分支三托辊组成，托辊组转动部分质量Gts=8.13×3=24.39 kg，托辊组间距Lts=1.2 m；回空分支平形托辊，托辊转动部分质量Gtk=18.35 kg，托辊间距Ltk=3 m。按下式求得承载、回空托辊组转动部分单位长度质量qt。qt=qtk+qts，qtk=Gtk/Ltk、qts=Gts/Lts，qtk=18.35/3=6.12 kg/m，qts=24.39/1.2=20.325 kg/m，qt=qtk+qts=6.12+20.325=26.445 kg/m。
（5）传动滚筒圆周力和轴功率计算。
①圆周力计算。承载分支空载主要阻力Fsh=CNfg [L1（qts+qdcosβ1）+L2（qts+qdcosβ2）]=1.17×0.03×9.81×[260×（20.325+44×cos0°）+371×（20.325+44×cos15°50′）]=13763N，式中CN为附加阻力系数，1.17；f为运行阻力系数，0.03。回空分支主要阻力：Fkh=CNfg[L1（qtk+qdcosβ1）+L2（qtk+qdcosβ2）]=1.17×0.03×9.81×[260×（6.12+44×cos0°）+371×（6.12+44×cos15°50′）]=10 677 N，输送物料单位长度的质量：q=Q/3.6V=1200/（3.6×3.15）=105.82 kg/m，物料主要阻力：Fwh=CNfgq（L1cosβ1+L2cosβ2）=1.17×0.03×9.81×105.82×（260×cos0°+371×cos15°50′）=22 479 N，主要阻力：FH=Fsh+Fkh+Fwh=13 763+10 677+22 479=46 919 N，物料倾斜阻力：Fwst=qHg=105.82×105×9.81=109 000 N，输送带倾斜阻力：Fost=qdHg=44×105×9.81=45 322 N，物料与导料槽之间的摩擦阻力：Fg=μ2Iv2γlg/V2b12=0.7×0.372×900×4.5×9.81/（3.152×0.732）=720 N，式中l为导料槽拦板长度，4.5m；b1为料槽两拦板长度，0.73m；μ2为物料与导料拦板的摩擦系数，0.7；Iv为输送能力，1 200/（3.6×900）=0.37m3。头部清扫器摩擦阻力，Fr1=N3Apμ3=1×0.012×100 000×0.7=840 N，空段清扫器摩擦阻力，Fr2=N3Apμ3=1×0.018×100 000×0.7=1 260 N，式中N3为清扫器个数，1个头部，1个空段；A为清扫器和输送带接触面积，头部：0.012，空段：0.018；P为清扫器和输送带间的压力，100 000 N/O；μ3为清扫器和输送带间的摩擦系数，0.7。F=FH+Fwst+Fg+Fr1+Fr2=46 919+109 000+720+840+1260=158 739 N。②轴功率P，P=FV/1 000=158 739×3.15/1 000=500 kW，③电动机功率的确定，传动装置由电动机、联轴器、XCQ行星软启动传动装置等组成，采用双滚筒三电机的传动方式。每台电动机功率，Pd=KdP/（ηζdζn）=1.15×500/（0.90×0.98×0.95×3）=229 kW，式中Kd为功率备用系数，1.15；η为传动装置的效率，0.98×0.94×0.98=0.90；ζd为多机功率不平衡系数，0.98；ζ为电压降系数，0.95；n为传动装置数目，3。按两个滚筒的功率配比2：1选择，电动机实选功率为250kW。
（6）输送带张力计算。
带式输送机系统如图1所示。
①按传动条件，传动滚筒采用包胶滚筒，使FⅡ=FⅠ/2=
F/3=158 739/3=52 913 N，摩擦系数μ=0.25，动载荷系数Ka=1.2。对传动滚筒Ⅱ，选取围包角θⅡ=210°，传动系数CⅡ=0.667，S3min≥CⅡ・Ka・FⅡ=0.667×1.2×52913=42 352 N，对传动滚筒Ⅰ，选取围包角θⅠ=210°，传动系数CⅠ=0.667，S2min≥CⅠ・Ka・FⅠ=0.667×1.2×52 913×2=84 703N，S3min≥S2min-FⅡ=84 703-52 913=31 790N，比较上述计算结果，按传动条件应满足S3min≥42 352 N，②按垂度条件，承载分支，S6min≥100（q+qd）g・lts/8=100×（105.82+44）×9.81×1.2/8=22 046 N回空分支S5min≥100qd・g・ltk/8=100×44×9.81×3/8=16187N，按垂度条件应满足S5min=S6min≥22 046 N。③力比较，回空分支区段上各项阻力总和F3=FKH-FoST+Fr2=10 677-45 322+1 260=
-33 385 N，S3min=S5min-F3=22 046+33 385=55 431 N，比较上述最小张力计算结果，最小张力应由垂度条件来确定，选取S3=55 431 N。④输送带张力逐点计算Smax=S1=S3+F=55 431+158 739=214 170 N，S3=55 431 N，S4=S5=22 046 N。⑤输送带强度校核。许用安全系数[m]=m0・Ka・Cw/η0=3×1.8×1.2/0.9=7.2，式中m0为基本安全系数，3；Cw为附加弯曲伸长折算系数，1.8；η0为皮带接头效率，0.9。计算实际安全系数。m=Sn/Smax=2 400 000/214 170=11.2，输送带强度符合要求。围包角校核。传动滚筒I围包角许用值：eμα=2.50，e1=S1/（S1-FI）=214 170/（214 170-105 826）=1.98符合要求，传动滚筒II围包角许用值：eμα=2.50，e2=（S1-FI）/S3=（214 170-105 826）/55431=1.95符合要求。
（7）滚筒直径的确定。
①传动滚筒直径D≥C0・δ=150×6=900 mm，式中 C0为为确定最小滚筒直径的计算系数，150，D≥（2S1-FI）t/B[p']d=（2×214 170-105 826）×12/（1 200×1.2×6）=448mm。式中[P']为钢丝绳芯输送带钢丝绳下的许用比压，1.2 MPa
选传动滚筒直径D=1.0 m。
②机头卸载滚筒，围包角α=180°，输送带张力利用率，φ=[m]・S1/Sn=7.2×214 170/2 400 000=0.64，选滚筒直径D=1.0 m。
③传动改向滚筒I，围包角α=180°，输送带张力利用率，φ=[m]・S1/Sn=7.2×214 170/2 400 000=0.64，选滚筒直径D=1.0 m。
④传动改向滚筒Ⅱ，围包角α=180°，输送带张力利用率，φ=[m]・S3/Sn=7.2×55 431/2 400 000=0.17，与传动改向滚筒I一致，选滚筒直径D=1.0 m。
⑤机尾拉紧改向滚筒，围包角α=180°，输送带张力利用率，φ=[m]・S4/Sn=7.2×22 046/2 400 000=0.066，选滚筒直径D=0.63 m。
（8）部件选择。
①电动机。
型号：YB400M1-4，功率250 kW，电压6 000 V，转速1488 r/min，转动惯量9.5kg・m2。
②XCQ行星软启动传动装置。
减速比i=π・D・nd/60V=3.14×1.04×1488/（60×3.15）=25.7取i=25。扭矩T=FⅠ/2・D/2=105826/2×1.04/2=27 515 N・m选择XCQ行星软启动传动装置，型号XCQ-63/25，速比i=25，力矩T=63 000 N・m，输入功率P=355 kW。
③高速端联轴器。
Tg=9 550 K・Pw/nd=9 550×1.7×250/1488= 2 728 N・m。式中K为工况系数1.7。选择联轴器，型号：ZL6型弹性柱销齿式联轴器，公称扭矩TN=6 300 N.m，转动惯量Jo=0.188 kg・m2，输入端轴径90 mm，轴孔长172 mm，输出端轴径90 mm，轴孔长172 mm。
④低速端联轴器。
Td=9550K・Pw・i/nd=9550×1.7×250×25/1488=68191N・m。选择联轴器，型号：ZL13型弹性柱销齿式联轴器，公称扭矩TN=100 000 N.m，转动惯量JL=18.798 K・m2，入端轴径215 mm，轴孔长352 mm，输出端轴径200 mm，轴孔长282 mm。
⑤逆止器。
逆止器安装在传动滚筒的改向滚筒轴端。FHmin=FH×0.012/0.03=46919×0.012/0.03=18 768 N，逆止力，FBN=Fwst-FHmin=109 000-18 768=90 232 N，逆止力矩TL=FBN・D/2=90 232×1.04/2=46 921 N・m，逆止器所需逆止力矩，T=2TL=2×46 921=93 842 N・m，选择逆止器，型号：NJ125000/260型接触式逆止器，逆止力矩125 000 N・m。
⑥制动器。
制动器安装在传动滚筒的改向滚筒轴端。制动力矩：Mz=TL=46 921 N・m。选择KPZ-II-1 200/103自冷盘式制动装置，制动力矩103 kNm。
⑦滚筒。
第一，传动滚筒Ⅰ。传递的扭矩T=FⅠ/2・D/2=105826/2×1.04/2=27515N・m所受合力F=2S1-FⅠ=2×214170-105826=322514N。选择滚筒，型号：D5A4Z622S，滚筒直径φ=1.0m，许用合力[F]=495 kN，额定扭矩[T]=2×58.6kNm，转动惯量J=225.54 kg・m2。
第一，传动滚筒Ⅱ。传递的扭矩T=FⅡ・D/2=52 913×1.04/2=27 515 N・m所受合力F=2S3+FⅡ=2×55 431+52 913=163 775 N。选择滚筒，型号：D5A4Z622D，滚筒直径φ=1.0 m，许用合力[F]=495 kN，额定扭矩[T]=64 kNm，转动惯量J=224.95 kg・m2。
第三，传动改向滚筒Ⅰ。
选择传动滚筒作改向滚筒用，一端安装逆止器，另一端安装制动器。受到的扭矩T=46 921 N・m。所受合力F=2S1=2×214 170=428 340 N。选择滚筒，型号：D5A4Z622S，滚筒直径φ=1.0 m，许用合力[F]=495 kN，额定扭矩[T]=2×58.6 kNm，转动惯量J=225.54 kg・m2。
第四，传动改向滚筒Ⅱ。传动改向滚筒Ⅱ与传动改向滚筒Ⅰ相同。受到的扭矩T=46 921 N・m。所受合力F=2S3=2×55 431=110 862 N。选择滚筒，型号：D5A4Z622S，滚筒直径φ=1.0 m，许用合力[F]=495 kN，额定扭矩[T]=2×58.6 kNm，转动惯量J=225.54kg・m2。
第五，机头卸载滚筒。所受合力F=2S1=2× 214 170=428 340 N。选择滚筒，型号：D5B2Z622，滚筒直径φ=1.0 m，许用合力[F]=495 kN，转动惯量J=225.78 kg・m2。
第六，机尾改向滚筒。所受合力F=2S4=2× 22 046=44 092 N。选择滚筒，型号：D5B2Z412，滚筒直径φ=0.63 m，许用合力[F]=130 kN，转动惯量J=36.46 kg・m2。
第七，机尾拉紧装置。拉紧力：T=2S4=2×22 046= 44 092 N。拉紧行程：lSp≥L（ε0+ε1）+lN=631×（0.002 5+0.001）+3=5.2 m。式中ε0为输送带弹性伸长和永久伸长综合系数，0.002 5，ε1为托辊组间的输送带屈挠率，0.001。lN为输送带安装附加行程，3 m。选择拉紧装置，型号ZY-400型自控液压拉紧装置（最大拉力60 kN，最大行程6 m，电源电压660 V，第一种安装方式）。
3 选型验算结论
通过以上选型计算，所选用的皮带设备均符合《煤炭工业矿井设计规范》和《煤矿安全规程》的规定。
参考文献
[1] 开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司矿井三水平下山采区设计说明书[Z].
[2] 煤炭工业矿井设计规范[S].2008.
[3] 煤矿安全规程[S].2016.