带式输送机的能耗优化研究

陈 煜

（大同煤矿集团机电装备制造有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤矿生产对电能的巨大消耗一直是我国电力供应紧张的主要因素之一。散装物料的运输处理中，带式传输机运输处理效率高，是物料运输处理的主要设备。由于输送机选型与工作环境不协调以及运煤量易根据产煤量发生变化，导致输送机在工作中不必要的能耗增多，比如输送机的负载运行导致效率低下、过载运行导致能耗急剧增大。随着煤炭行业逐渐向节能减排方向发展，针对输送机的能耗优化成为煤矿节能减排的重要方向。带式传送机的能耗优化实质上就是通过优化结构参数、减小运行阻力，从而达到提高效率，实现降耗节能的目的。但是，因为煤矿生产条件复杂，更多的研究人员致力于通过外加的高效率电机来实现对传送带工作过程中能耗的优化，最常用的则是对电机速度的控制。该方法虽然可行，但是也增加了成本，导致了带式输送机维护管理的困难。为此，本文在分析输送带工作中阻力大小变化、带速与运量之间的关系的基础上，通过研究输送带参数对功率的影响，确定合适的参数，从而实现降低能耗。

1 带式输送机节能运行分析

带式输送机是由三相电机进行驱动的，带动输送带在滚筒、轴承等支撑件上进行往复运动，实现对煤炭的运输工作。但是，煤量太大会导致能耗越来越大、磨损越来越严重，煤量太小会导致效率低下、能源浪费。为了解决这个问题，必须了解输送带在工作过程中的具体情况，分别从两个方面考虑：输送带运行阻力情况、带速与运量的关系。

1.1 输送带运行阻力

输送带在工作中会受到各种各样的阻力。阻力的存在会直接导致能耗的增加。一般将输送机受到的阻力分为四大类：基本阻力、倾斜阻力、附加阻力、特殊阻力。

1）基本阻力主要是指煤与输送带以及输送带与托辊之间的摩擦力，这种阻力是导致整个系统能耗增大的主要因素，也是优化设计的重点。

2）倾斜阻力是由于起始地与目的地存在高度差而造成的，是物料重量的一个分量，是考虑输送带布置与装载量的一个重要参数。

3）附加阻力是指在运输过程中不可避免有外界因素造成的额外阻力，一般包括送料区的额外阻力、转向过程中的阻力（局部阻力）、滚筒轴承运转时的运转阻力，该阻力是指导输送机平台搭建设计的主要参数，能够为输送机的设计提供思路。

4）特殊阻力是由于外接设备存在而导致的阻力，通常不予考虑。

1.2 输送机带速与运量的关系研究

由功率的计算方法可以看出，运量与运送速度直接影响了整个系统的功率，即能耗。图1为运速、运量与功率之间的一般关系图。可见，相同运量的限定下，输送机的运送速度越高，所需的功率越大，消耗的能耗越多。相同功率限定下，运输机运量越大，运送速度越慢。

因此运输机运量、运速以及功率之间存在着相互制约的关系，设计时不能为了降耗而过度的降低运速，不但不会降低能耗，反而会增加生产成本。因此在选择设计输送机时，必须保证在输送机正常工作条件下，适当的改变输送带的结构参数及材质，在运量、运速和功率之间达到一个平衡，使其在各种变化因素下能耗保持最低。根据实际情况，输送带的强度必须保持在一定范围内，故带速与运量必须满足图2所示关系：

而运速的调节也应该满足下式：

式中：Q"为临界运量，qm为运输率。

2 输送机结构参数对功率的影响分析

在输送机设计的过程中，必须考虑输送机功率大小和阻力的影响。为了在输送带自身做到最优化，必须分析各结构参数对功率的影响，使输送机的能耗达到最优化。

2.1 带宽对运行状态的影响

带式输送机的带宽通过物料大小确定。带宽的不同直接影响了输送机功率和阻力的变化。图3为不同带宽下的功率与阻力变化趋势图。从图中可以看出，随着带宽的增加，运行阻力呈现了增长的趋势，且增长速度越来越快。因为带宽变大，输送带和物料单位面积上的质量增大，使得托辊上的阻力和输送带变形造成的阻力都变大，总的运行阻力变大。而驱动功率却越来越小，因为阻力的增加导致输送带的速度变慢，并且速度变化的趋势是大于阻力增大的程度的。如果从输送机驱动功率考虑，应该选择大带宽的输送机，并且在低速度条件下运行。但是在实际应用中，应该综合考虑，不应该依据某一单个标准，还要考虑大带宽带来的其它问题，是整体成本最低才是我们追求的目标。

2.2 带速对运行状态的影响

在输送机运输的总量以及其输送带的宽度一定的情况下，输送机的运行速度不同，物料在输送机上增加的速率不同。这将导致托辊上面承受的阻力发生变化，输送带对下面部件产生的阻力也会发生变化，由于速度的变化，使得输送带上面的物料之间的阻力也将发生变化。

图3 不同带宽条件下运行阻力及驱动功率

图4 不同带速条件下运行阻力及驱动功率

图4为变化带速下阻力与功率的变化曲线，可以看出运行阻力会随着带速的增高而呈现下降趋势。这是因为物料在单位面积上的质量变小，致使给托辊造成的压力变小，由于速度变慢，致使物料内部之间的阻力变小。在输送机带宽确定的情况下，在满足输送量的情况下，通过选择一个合适的速度以使输送机的功率消耗达到最低。

2.3 覆盖厚度对运行状态的影响

覆盖厚度是压陷阻力的主要产生原因，压陷阻力的存在直接影响了功率与运行阻力的大小。图5为覆盖厚度不同时阻力与功率的变化曲线，从图中可以看出下覆盖层厚度、运行阻力、驱动功率的变化趋势是一致的。这是因为下覆盖层的材质很大程度决定了压陷的程度。一般黏性材料做成的下覆盖层变形后不会立即反弹，造成大量能量损失，在厚度比较大的情况下，该现象更加明显。由图5可以看出运行阻力在不同的覆盖层变化明显，差值高达55 386.7 N。由此可以得出，覆盖层材料的性质不但决定了其寿命，也影响着能源消耗。为此，研究新型覆盖层材料对于输送机节能有很大必要。

图5 不同覆盖层厚度下运行阻力及驱动功率

4 结语

从传送带自身优化节能出发，基于带式输送机运行状态阻力及带速与运量的关系，研究带宽、带速和输送带覆盖厚度三个因素分别与运行阻力、驱动功率之间的关系，为输送带的节能设计优化提供理论依据。结合理论研究，依据节能要求，根据某矿的具体情况提出输送机的设计方案，该方案的实施在满足矿井要求的前提下，达到节能的目的。