常村 第06章 提升通风排水和压缩空气设备教材文档格式.docx

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主斜井带式输送机是矿井正常生产的关键性设备，其输送能力、输送带宽度、输送带速度的选型应结合井下工作面的生产能力、大巷运输条件及井底煤仓容量及设备配套情况来确定。

针对该主斜井运距长达1810m、提升高度达500m的实际情况，其运输能力与输送带宽度、带速的合理确定，尤为重要。

输送机的运输能力与输送带宽度、带速成正比，在运输能力一定时，带宽与带速成反比。

提高带速可减小带宽以及输送带的张力，从而减小输送机的外形尺寸。

若增加带宽，需要增加主斜井巷道断面积，则增加了巷道工程量，投资相应提高。

而对大运量、长距离的输送机，其输送带的投资将占整个输送机总投资的1/3左右，降低带强，能显著减低设备的投资。

但带速若过大，物料对托辊的冲击增大，托辊的直径也将加大，作为易损件的托辊更换成本提高；

同时带速快，输送带的磨损加剧，输送机产生共振危害的可能性增大，从而使输送机的整体寿命降低；

对输送机制造、安装水平的要求高。

结合国内外带式输送机的使用现状，综合考虑多种因素，确定主斜井带式输送机按Q=1700t/h、B=1400mm、v=5m/s进行设计。

1.设计依据

带式输送机运量Q=1700t/h

主斜井井筒倾角δ=16°

带式输送机斜长L=1810m

带式输送机带宽B=1400m

带式输送机运行速度v=5m/s

煤的松散容重ρ=1000kg/m3

带式输送机工作制度330d/a、16h/d

2.带式输送机选型计算

⑴圆周驱动力的计算

根据带式输送机的实际工作条件及国内设备生产厂家的加工、安装水平，同时考虑到现场的管理水平等因素后，确定采用并计算出如下参数：

模拟摩擦系数f＝0.027

传动滚筒摩擦系数μ＝0.35

带式输送机运行速度v＝5m/s

输送带强度St5400N/mm

每米输送物料质量qG＝94.44kg/m

每米输送带质量qB＝92.40kg/m

每米承载托辊转动质量qRO=29.1kg/m

每米回程托辊转动质量qRU=10.84kg/m

附加阻力系数C＝1.055

特种主要阻力FS1＝4210N

特种附加阻力FS2＝2950N

倾斜阻力Fst＝462234.21N

满载时圆周驱动力Fu＝CfLg[qRU+qRO+（2qB+qG）]+FS1+FS2+Fst

＝630829.87N

⑵电动机功率

带式输送机正常运行时滚筒总的轴功率：

PA＝Fuv/1000＝3154.15kW

带式输送机全部驱动电机所需驱动功率：

P＝PA/η＝3710.8kW

式中：

η——总传动效率，取η＝0.85。

为此，选择SIEMENS公司的1LA4560－4CN60－Z（1600kW、6kV）型大功率变频调速异步电动机3台。

⑶输送带张力计算

主斜井带式输送机采用头部双滚筒三电机传动，功率配比2:

1。

根据输送机的布置形式，确定第一传动滚筒的围包角α1＝170°

，第二传动滚筒的围角α2＝200°

。

则Fu＝S1－S2

F1＝S1－S1-2＝Fu/3

F2＝S1-2－S2＝2Fu/3

S4≈S3=S2＋F2－qBLgsinδ

设第二传动滚筒eμα2值用足时，则：

S2＝F2/（eμα2－1）＝596516.95N

S1＝Fu＋S2＝806793.57N

S1-2＝S2＋F2＝596516.95N

故S1/S1-2＝806793.57/596516.95＝1.35＜eμα1＝2.82

S1-2/S2＝596516.95/596516.95＝3.39≤eμα2＝3.39

按不打滑条件验算，张力满足要求。

按输送带允许最大下垂度计算最小张力：

承载分支：

Smin≥a0（qB+qG）g/8（h/a）max＝27494.16N

回程分支：

Smin≥auqBg/8（h/a）max＝33991.65N，故应按此值计算输送带各点张力，

则S1＝Smin＋CfLg（qRO＋qB＋qG）＋FS1＋FS2＋Fst＋qBLgsinδ

＝1064832.72N

⑷输送带安全系数计算

n＝BSt/S1＝1400×

5400／1064832.72＝7.1

安全系数在许用值7～9范围内，所选输送带强度满足要求。

3.驱动装置选型

主斜井带式输送机是整个矿井的运输咽喉，对矿井的正常生产起着决定性作用。

驱动装置是主斜井带式输送机的关键部件，对于大型带式输送机，驱动方式的选择和带式输送机的控制，对整机的稳定、可靠运行至关重要。

由于本输送机运输距离较长、运输能力大、提升高度较大，为降低起动和紧急制动时输送带的动张力，减少起动时对电网的冲击和起动过程中各承力部件的动载荷，延长减速器、电动机和工作机构等关键部件的使用寿命，实现电机间的功率平衡，应对带式输送机的起/制动加速度进行控制，因此驱动装置应具有软起/停功能。

目前，在带式输送机上应用的具有软起/停功能的驱动装置比较多，根据国内同类设备生产现状及现有生产矿井的实际使用情况，设计对本带式输送机的驱动方式进行了CST可控启/停驱动、高速交－直－交变频驱动系统的方案比较。

CST可控启/停驱动系统的原理及技术性能详见第三章3.2.1相关叙述。

其主要优点为：

⑴完全可调节起动速率斜率，软启动、软制动性能良好；

⑵耦合片与减速器在一个整体内，体积小，占地少；

⑶起动完成后，在正常运行带速时，无滑差消耗，效率高；

⑷可以实现多台驱动电机之间的功率平衡；

⑸其离合器安装于减速器的低速轴侧，如果发生过载，离合器能快速响应并提供对减速器、滚筒、输送带和电动机的保护；

⑹CST离合片能立即隔开冲击并吸收冲击载荷。

CST的主要缺点是：

⑴串轴驱动在需要功率平衡时从动驱动（CST的功率平衡原理是以某台CST的功率为给定，另几台CST的功率跟随该台CST的功率）与主驱动须稍有差转的能力，需要连续的热耗散，必须采用热交换，有一定的功率损耗。

类似地，CST在启动段有一定的功率损耗。

⑵无法在低速段长期运行，所以无法提供可调验带速度。

⑶系统复杂，主要元件依赖进口，液压元器件的维护工作量大，年运行费用较高。

高速交－直－交变频驱动系统的原理及技术性能与第三章3.2.1讲述的高速交-直-交防爆变频驱动系统相类似，但其为交-直-交电压型变频器。

具有调速范围宽、控制精度高、动态响应快、效率高等优点，易于实现启/制动速度的自动跟踪，能够提供可控的、理想的启/制动性能，启动加速度可以控制在0～0.05m/s2，适用于长距离、大功率、线路复杂的带式输送机，可以控制输送机按设定的“S”形曲线启动和制动，控制启/制动时间，以限制输送带的弹性振动，减少起动时的动张力，满足整机动态稳定性及可靠性的要求，能在低速情况下长时间运行，真正提供验带速度。

因电气中高次谐波分量极小，无需治理，且功率因数接近为1，无需补偿及滤波设备。

还可根据井下原煤的生产情况调节输送带速度以最大限度地节能运行，另外还具有效率高、维护方便等优点。

交－直－交变频驱动系统的主要缺点是：

变频器安装于减速器的高速轴，如果产生过载，不能立即提供对减速器、滚筒、输送带和电动机的保护；

如果产生冲击负荷，变频器不能吸收冲击载荷；

电控设备占地面积大，需设置专门的电机、减速器冷却通风系统。

通过上述比较，可以看出CST可控启/停驱动系统与交－直－交变频驱动系统的技术水平相当，都可显著降低输送带带强，延长输送带的使用寿命，改善带式输送机设备的运行工况。

若单从设备投资看，CST可控启/停驱动系统与交－直－交变频驱动系统相当，但后期维护费用较多，且不能实现低速验带；

若从综合投资方面看，考虑变频驱动系统须设置的电机、减速器冷却通风系统投资、以及需加大的井口房土建设施投资等因素，则交－直－交变频驱动系统综合投资要高于CST可控启/停驱动系统。

交－直－交变频驱动系统所具备的可根据运量调节带速以节能运行的特性，就该主斜井带式输送机而言，具有实际意义，因常村矿井下一水平与二水平原煤系统要实现双向运输，带式输送机的运量常常不均衡，而井底1号煤仓容量仅2500t,其存储和调节缓冲作用有限，采用变频驱动系统可根据井下原煤的生产情况调节带速，节能效果明显，无运行功率损耗；

且变频驱动系统的控制及自动化程度更高，维护方便。

因此本设计推荐交－直－交变频驱动系统。

4.拉紧装置选型

由于该主斜井只有一个角度且δ=16°

，带式输送机的尾部张力最小，故采用尾部重锤车式拉紧装置，其布置较为简单，输送带张紧速度快。

5.输送带的选型

根据计算，该主斜井带式输送机需要B=1400mm、St5400N/mm的阻燃型钢丝绳芯输送带。

考虑到使用环节的重要性及国内供货厂家进行输送带接头的实际工艺水平，设计建议采用进口输送带。

并强调：

将来在本条带式输送机的安装过程中，应加强对输送带硫化接头的质量控制和检测，以确保接头强度满足有关规定的要求。

6.带式输送机的保护与供电

在主斜井选用一套集监测、控制、信号、通信为一体的带式输送机监控系统，为分级分布式结构，具有较高的运行可靠性和使用灵活性，显示功能强，联网方便，设有驱动滚筒打滑、堆煤、跑偏、温度、烟雾、撕裂、输送带张力下降、电动机过载、电机超温等项保护功能，能与井底1号煤仓给料机及井上下的其他带式输送机实现闭锁集中控制。

经过计算，主斜井带式输送机主要参数为：

斜长L＝1810m，倾角δ=16°

运量＝1700t/h，带宽B＝1.4m，速度v＝5m/s，输送带为St5400N/mm（阻燃），驱动装置为专用变频电动机（6kV、1600kW）三台、减速器H3SH23－31.5（稀油站冷却、速比i=31.5）型三台，配SIMENS中压变频器（2000kVA/6kV）三台，采用尾部重锤车式拉紧装置。

根据《煤矿安全规程》的规定，该主斜井带式输送机设有盘形闸制动器控制停机、设有逆止器防止逆转。

主斜井带式输送机技术特征见表6.1-1。

6.1.2.2主斜井辅助提升设备

为使主斜井带式输送机检修及主斜井井底其它设备检修人员上、下井快捷、方便，在主斜井井筒内设置一套RJDY型架空乘人装置。

该架空乘人装置为立轮单道布置，通过驱动装置正反转牵引钢丝绳作往复运动而实现人员上下，以减少井筒断面，节省投资。

由于该主斜井井筒长达1810m、提升高度近500m，根据《煤矿安全规程》第368条的规定，架空乘人装置运送人员时的运行速度不得超过1.2m/s，据此计算，在主斜井内的乘坐时间大约需要26min。

考虑到该架空乘人装置还有运送小型零部件（如托辊等）的功能，因此其驱动装置采用变频调速，使架空乘人装置的运行速度在0.5～3m/s内可调，运送人员时为1.2m/s，运送物件时为2.5m/s左右。

表6.1-1主斜井带式输送机技术特征表

序号

名称

单位

参数

备注

1

运输量

t/h

1700

2

运输物料

原煤

3

运输物料容重

kg/m3

1000

4

速度

m/s

5

输送机斜长

m

1810

6

输送机角度

16°

7

输送带

宽度

mm

1400

带强

N/mm

St5400

阻燃

8

电动机

型号

1LA4560－4CN60－Z

3台

功率

kW

1600

转速

r/min

1494

电压

kV

9

减速器

H3SH23－31.5

传动比

31.5

10

拉紧装置

尾部重锤车式拉紧

6.1.3王村副立井提升设备

矿井扩建后+470m水平最大班辅助运输量为：

下井工人450人、矸石30车、材料45车、设备15车、保健车1次。

经核算现有副井提升设备能力能够满足扩建工程最大班辅助运输量的要求，最大班工人下井时间33min＜40min，作业时间4.4h＜5h，满足规范的要求。

由于分区通风的需要，在王村设有进、出风立井。

为满足+470m水平辅助运输、提升重型液压支架及增加安全出口等的需要，本次设计对该场地的进风井进行装备，设副提升设备，井筒内设一套加宽加长罐笼配平衡锤，相关详细说明见采矿专业部分说明。

6.1.3.1王村副立井提升方式及提升设备方案的确定

由于落地式提升机的井架基础简单，施工工期较短，井筒装备与提升机房可同时施工，提升设备安装与调试可以与井筒装备合理平行交叉作业，设计推荐副立井提升采用落地式系统。

随着大功率电力技术、微电子技术、控制技术的发展，交流调速系统已完全达到直流调速系统的性能指标，而交流电机更具有结构简单、体积小、效率高、维护量小、超载能力高、气隙大易于安装、价格低等优点，从技术分析上应采用交流变频驱动，为此提升电动机选用低速交流同步电动机。

另外对传动系统设计曾考虑了交－交变频和交-直-交变频两个方案。

国内已引进多套交－交变频传动系统，其功率柜已实现国产化，与交-直-交变频传动系统相比，国内用户对提升机交－交变频传动技术的掌握程度较高，同时设备初期投资低（电动机＋电控系统约1260万元）。

另外多绳提升机在紧绳工况时，要求低速时有很大的力矩，交－交变频系统在0转速时可以达到200%的荷载，在200%荷载时可持续5min，能一次性地满足紧绳所需提升距离的要求。

但交－交变频传动系统功率因数较低，在起动、运行中可能会产生高次谐波，对矿井电网造成污染，电动机的频繁起动也将对电网会造成无功冲击，设计应根据需要进行治理，考虑在王村副井场地35/10kV变电所集中进行无功补偿和谐波吸收，加设滤波装置及动态无功补偿装置，为此需增加相应的投资约300万元。

交-直-交变频传动系统由于在装置中设有滤波单元和补偿单元，功率因数接近于1，高次谐波分量很小，不会造成谐波污染，无需专门设置谐波吸收和无功补偿装置，但大功率的交-直-交变频传动系统国内目前尚不能生产，设备及备件必须进口，而且国外厂商由于技术性能保证方面的需要，要求选配同一厂商的变频同步电动机，为此设备初期投资很高（引进的电动机＋电控系统约3849万元）。

经技术经济比较，由于两种变频传动系统都能满足提升工艺要求，电气性能、保护功能基本相当，设计推荐采用国产电机＋交－交变频传动系统。

根据2006年11月会议纪要精神，为保证提升系统的可靠性以及矿井供电系统的稳定性，经过和常村煤矿有关人员讨论，本次设计选用交-直-交变频传动系统。

对于提升系统设备的配套，设计考虑了两个方案。

方案一：

选用国产落地式多绳摩擦轮提升机，进口交-直-交变频低速直联同步电动机、滚动轴承、恒减速液压站、制动器、钢丝绳及摩擦衬垫。

配西门子或ABB中国公司生产的交-直-交变频电控系统（其中传动和控制系统主要部件采用进口设备），既能保证设备质量，技术上也较先进，又能保证关键部件可靠性高，设备初期总投资较低。

方案二：

落地式多绳摩擦轮提升机、主绳、恒减速液压站、交-直-交变频低速直联同步电动机及电控系统全套选用进口设备，设备可靠质量好，技术先进，但设备初期总投资很高。

结合常村煤矿的意见，设计推荐方案二。

6.1.3.2王村副立井提升设备选型

矿井工作制度

年工作日：

330d

井口轨面标高：

＋945.5m

井底大巷轨面标高：

＋470m

提升高度：

475.5m

提升容器：

900轨距3t矿车单层单车多绳提升罐笼

质量（包括附加质量）：

26000kg

本体高度：

5.25m

载人数：

76

每次提升矿车数：

1

矿车

型号：

MGC3.3-9B

载荷：

5300kg

质量：

1315kg

最大件（液压支架）质量：

28000kg

运送大件平板车质量：

2000kg

罐笼和平衡锤提升中心线间距：

2.45m

平衡锤质量：

41000kg

最大班提升量：

矸石：

106t

材料：

33车/班

设备：

10车/班

保健车：

1次/班

其它：

5次/班

2.提升设备选型

⑴提升机（进口）

名称：

落地式多绳摩擦轮提升机

主导轮直径：

4.6m

最大静张力：

900kN

最大静张力差：

200kN

变位质量：

18979kg

衬垫摩擦系数：

0.25

传动比1

钢丝绳悬垂长度：

528.05m

钢丝绳在滚筒上的围包角：

183.62°

⑵天轮（进口）

直径：

7231kg

个数：

2

⑶电动机（进口）

名称：

交-直-交变频低速直联同步电动机

功率：

1700kW

转速：

35r/min

转动惯量：

15400kg•m2

过载能力：

冷却方式：

强迫风冷

⑷钢丝绳

内容

单位

主绳（引进）

平衡尾绳（国产）

圆扁股钢丝绳

镀锌6×

36WS

P177×

28ZBB8×

19+FC

直径/宽×

厚

46

177×

28

根数

根

每米质量

Kg/m

7.83

15.1

抗拉强度

（MPa）

1770

1370

钢丝破断拉力总和

kN

1516

2110

单根长度

m/根

645

530

3.提升机及钢丝绳校验

主导轮直径/钢丝绳直径：

100>

90

允许的钢丝绳安全系数：

提升人员：

8.934

提升物料：

7.934

计算的钢丝绳安全系数：

12.905＞8.934

提升大件：

8.52＞7.934

绳衬比压：

1.92＜2MPa

钢丝绳的最大静张力：

711.89＜900kN

钢丝绳的最大静张力差：

152.32＜200kN

4.提升系统及运动学、动力学

提升副立井系统图详见图6.1-1。

提升速度图、力图详见图6.1-2。

每侧钢丝绳平均质量：

17801.5kg

提升系统的净变位质量总和：

138349.3kg

提升大件时提升系统的变位质量总和：

183263.1kg

5.电动机校验

提升大件时

等效力：

129.91KN

等效时间：

173.19s

等效功率：

1117＜1700kW

电动机额定出力：

197.63kN

计算的电动机过载系数：

1.43＜0.85×

注：

应建设方的要求，电动机的容量还考虑了调节钢丝绳悬垂长度时，做短时单侧提升所产生的特殊力。

调绳时罐笼侧的静张力为417.3kN，电动机2.3倍过载时最大出力为454.55kN。

6.提升系统防滑校验

由于本副井提升系统提升的负荷质量变化较大（大至30000kg，小至几人），且运行方向改变频繁，为安全起见，选用恒减速液压站。

该站在安全制动过程中制动力矩是自动调节的，在不同工况下，制动力矩不同，但可保证安全制动减速度基本相同，设计取各工况安全制动减速度为1.5～1.6m/s2。

同时，为了安全设计还给出在采用恒力矩制动（一旦恒减速控制失效，可自动转为恒力矩控制）时的防滑计算结果。

以下系按最不利情况下的恒力制动时的一级制动进行校验的。

重载侧钢丝绳静张力：

711.89KN

轻载侧钢丝绳静张力：

55