带式运输机传动装置一级圆柱齿轮减速器课程设计

带式运输机传动装置一级圆柱齿轮减速器课程设计
运输带工作拉力:F=6.5KN
卷筒的直径：D=500mm
运输带速度：V=2.0m/s
带速允许偏差：5%
使用年限：10年
工作制度：单班
每班工作时间：8h

输送能力Q=1800t/h
输送长度L=3005m
输送带宽度B=1200mm
2.2.2 线路参数
东翼一采区上山主运输大巷共3005米,可简化为如图2.1所示的八段:第一段(1点到2点)平运,长度540米;第二段(2点到3点)下运,水平长度207米,提升高度－27.1米;第三段(3点到4点)平运,水平长度62米；第四段(4点到5点)下运,水平长度518米,提升高度－82米;第五段((5点到6点)平运,长度470米;第六段(6点到7点)上运,水平长度360米,提升高度18.9米;第七段((7点到8点)下运,水平长度400米,提升高度－28.4米:第八段(8点到9点)下运,水平长度435米,提升高度－56米;整机水平长度2992米,运输长度3005米.

图2.1 输送线路参数图
2.2.3 物料特性
输送物料原煤
物料密度ρ=900kg/m3
物料安息角50°
2.2.4 带式输送机工作环境
安装地点：东滩煤矿东翼一采区上山主运输大巷,底板为煤.
环境温度：0～35℃ .
由于带式输送机巷道起伏不平,变坡点较多,致使此带式输送机运行工况相当复杂,是目前国内乃至国外煤矿井下运行工况最为复杂的带式输送机之一:从另一方面,下运带式输送机运行安全可靠性要求高,控制系统复杂,且我国目前对下运带式输送机的理论研究较少,特别是长运距、大运量下运带式输送机系统的工况分析、动态分析、启动、制动技术研究较少,这也是本文选择长运距、大运量下运带式输送机进行研究的目的.
2.3 本课题的研究内容
2.3.1 长运距、大运量下运带式输送机关键技术分析研究
通过下运带式输送机驱动装置的各种组成方案的分析比较,以及常规长运距、大运量下运带式输送机驱动方案中软制动技术和软起动技术的理论研究,提出长运距、大运量下运带式输送机常见驱动方式和制动方法,并分析常见驱动方式和制动方法的优点和存在问题,归纳总结出长运距、大运量下运带式输送机关键驱动方案和制动方式选择的依据.
2.3.2 带式输送机的设计及驱动、制动方案的分析
针对充矿集团东滩煤矿东翼一采区主运输大巷固定下运带式输送机的设计参数及其特殊的工作环境所形成的复杂工况,首先对正常运行时工况进行设计计算,然后再对空载及最大正功和最大负功工况进行计算,再对各种工况的计算结果分析讨论,最后确定合理的张紧方式及张紧力大小,提出合理的张紧装置的选型.
通过各种工况的计算、分析比较,提出合理的驱动装置中,电机、减速器、软起动装置(调速型液力耦合器)及软制动装置各部件的选型方案.
3 长距离、大运量下运带式输送机关键技术的分析
3.1 下运带式输送机的基本组成
带式输送机的组成如图3.1所示[2],主要其有:输送带、驱动装置(电动机、减速机、软起动装置、制动器、联轴器、逆止器)、传动滚筒、改向滚筒、托辊组、拉紧装置、卸料器、机架、漏斗、导料槽、安全保护装置以及电气控制系统等组成.

1-头部漏斗 ；2-机架；3-头部扫清器；4-传动滚筒 5-安全保护装置；6-输送带；7-承载托辊；8-缓冲托辊；9-导料槽；10-改向滚筒；11-拉紧装置 12-尾架；13-空段扫清器；14-回程托辊；15-中间架；16-电动机；17-液力偶合器；18-制动器；19-减速器；20-联轴器
图3.1 带式输送机组成示意图
3.2 驱动方案的确定
带式输送机的驱动部是整机组成的关键部件.驱动部配置是否合适,直接影响带式输送机能否正常运行.长距离、大运量带下运带式输送机对驱动部的要求比通用带式输送机的要求更高,它要求驱动装置能提供平稳、平滑的起动和停车制动力矩,以保证输送带不出现超速、打滑及输送带上的物料不出现滚料和滑料现象.为此要求驱动装置具有一个制动力可随时调整的制动器,以保证起动和停车制动的可控,极大地减小对物料的冲击.同时,在输送机空载起车时还必需保证起动的平稳性.
下运带式输送机受地形条件(如起伏较大)和装载量的影响,其起动工况比较复杂,应考虑如下几种：
(1)负载量小或空载,松闸后带式输送机不能自起动；
(2)负载量较大,松闸后带式输送机能自起动,但自然加速度较小；
(3)负载量大,松闸后带式输送机能自起动,且自然加速度较大.
下运带式输送机在正常运行时,电动机也存在发电工况、电动工况交织运行的问题,所以在设计中,一般较少考虑软起动装置.带式输送机配下运带式输送机在正常运行时,电动机也存在发电工况、电动工况交织运行的问题,所以在设计中,一般较少考虑软起动装置.带式输送机配置软起动装置,可有效降低起、制动过程的动张力,延长输送带及接头的使用寿命,甚至可降低输送带强度,具有很大的经济意义.对此《煤矿安全规程》作了相应规定.
由于下运带式输送机一般情况下电动机工作在发电工况,空载时电动机工作在电动工况.目前常用的下运带式输送机驱动部典型设备配置如表3.1所示.
表3.1 常用下运带式输送机驱动部组合表
组合
设备12345
电动机单机或多机1:1(或2:1)驱动单机驱动或多机1:1(或2:1)驱动多电机1:1(或2:1)驱动多电机1:1(或2:1)驱动多电机1:1(或2:1)驱动
软起动无限矩型液力偶合器限矩型液力偶合器调压电气软起动滑差离合器
减速器垂直轴或平行轴垂直轴或平行轴垂直轴或平行轴垂直轴或平行轴可以采用垂直轴或平行轴
制动器可控盘式制动装置可控盘式制动装置液压制动或液力制动+推杆制动可控制动装置可控制动器
拉紧装置重力拉紧或自动拉紧重力式拉紧装置重力式拉紧装置重力拉紧或自动拉紧装置重力拉紧或自动拉紧装置
适用场合短距离,中小倾角、小型机中长距离,大倾角中长距离,大倾角长距离,变坡,倾角不大长距离,变坡,倾角不大
3.3 新型下运带式输送机驱动组合及其控制过程
多数下运带式输送机采用以下几种驱动部组合方式:
(1)电动机—制动装置—减速器—滚筒
(2)电动机—限矩型液力偶合器—制动装置—减速器—滚筒
(3)电动机—限矩型液力偶合器—减速器—可控制动装置—滚筒
(4)电动机—软启动—减速器—液压软制动—盘式制动装置—滚筒
(5)电动机—软启动—减速器—液力软制动—盘式制动装置—滚筒
(6)电动机—软启动—减速器—可控盘式制动装置—滚筒
(7)电动机—软启动—减速器—液粘软制动—滚筒
其中方式(1)～(3)多用于小型(短距离、小倾角、小运量、低带速)下运机上方式；(4)～(7)较适于大倾角下运输送机上.由上述方案可见,下运输送机可控制动装置必不可少；并且目前对下运输送机电动工况的可控起动问题有所忽视.对于长距离、大运量下运带式输送机,可控制动装置必不可少,同时可控起动装置也成为必须.
为此我们提出一种经济实用的长距离、大运量、大功率下运带式输送机的驱动部组合方案.该方案驱动部主要有以下设备组成:电动机、联轴器、调速型液力偶合器、减速机、可控制动装置、驱动滚筒等组成,如图3.2所示[3].

图3.2 驱动部分组合方案示意图
采用以上驱动组合的下运带式输送机的起动和停车过程如下:
(1)开机准备:先给软起动装置的电气系统和液压系统送电,使主、从动摩擦片闭合,可控制动装置逐渐松闸,如果是重载,按起动要求重车逐渐自动起动带式输送机.
(2)当输送带在装满物料的情况下起动带式输送机时,不能直接对电机送电,否则起动太快,物料容易出现下滑或滚料,所以在这种情况下而是靠煤的下滑力起动输送机,当逐渐松开制动器,输送带带动电机旋转,通过速度传感器检测旋转速度,当速度达到近电机同步运行转速时,PLC控制电机自动送电起动,从而使电机运行于正常的发电状态,这样可以大大减小电机起动时对电气和机械的冲击.而且向下输送的角度越大,起动加速度越大.为了保证起动平稳,通过速度反馈改变制动器施加的制动力,根据不同的制动力,把加速度控制在0.3m/s2之内,保证起动过程的平稳性.
(3)电机直接起动控制,当输送机空载或轻载,逐渐松开制动器时,输送机不能自动起动,这时根据测速装置检测输送机处于零速状态或起车太慢时,需要采用调速型液力偶合器来可控起动带式输送机,此时的可控起动过程完全同上运带式输送机的起动过程.
(4)正常运行时,调速型液力偶合器开度最大,传动效率达到最大.
(5)当多电机驱动时,出现某台电机超载,需要功率平衡时,根据电机的电流反馈来进行调速型液力偶合器的输入与输出速度调节(具体详见电气部分),来进行多电机间的功率平衡调节.一般只要带式输送机系统设计合理,都能保证系统的多机功率平衡.
(6)停车时,按预定的减速度要求进行闭环改变可控制动系统的制动力矩,使带式输送机按预定的减速度减速,实现可控停车.
(7)当输送机在带载停车时,不能直接切断电机,否则容易出现飞车现象,造成严重事故.为此在停机时,先对输送机施加制动力,当检测到电机旋转速度降到其同步速度时,再对电机断电,这样在施加制动力降速时,可以充分利用电机的制动力,使停车更平稳.当输送机的速度降至电机的同步速度时,调速型液力偶合器勺管全部插入,保证电机与输送机系统的同步切除,保证了可控制动系统进一步按要求减速停车.
(8)如果停车时,带式输送机是空载(即主电机处于电动状态),则可以同上运带式输送机的停车过程结合可控制动装置进行联合停车制动.
(9)定车时,可控制动装置抱闸,主电机停机,调速型液力偶合器的液压和电气系统停电.
(10)在起动和停车过程中出现故障,如输送带跑偏、撕带、油温过高等等,调速型液力偶合器和可控制动装置的电气控制系统会自动根据要求可控停机.
4 长距离大运量下运带式输送机设计
充矿集团东滩煤矿东翼一采区主运输大巷固定带式输送机,运距3005米,运量1800吨/小时,提升高度－175.5米,环境温度为0～35 ℃ ,是属于典型的煤矿井下长运距、大运量下运带式输送机.由于带式输送机巷道起伏不平,变坡点较多,致使此带式输送机运行工况相当复杂.此外,该机运行安全可靠性要求高,控制系统复杂,是目前国内乃至国外煤矿井下运行工况较为复杂的带式输送机.本章以该下运带式输送机为例,说明其设计过程.
4.1 带式输送机原始参数
带式输送机是目前井下煤炭的主要输送设备,其设计的自动化先进程度、结构布置方式、使用安全性、可靠性、连续性和高效运行将直接影响矿井生产成本.采用带式输送机输送物料与其它方式相比有着一系列的优越性和高效性,其自动化程度高,代表现代物流技术的发展方向.本课题所要求设计的带式输送机的参数如表4.1所示.
表4.1 输送机原始参数
运量Q1800t/h
运距L54020762518470360400435
垂高0-27.10-82018-28.4-56
总垂高-175m
总运距L3005m
平均倾角β-4°
最大块度300mm
煤容重γ0.9t/m3
煤安息角50°
4.2 带式输送机的设计计算
4.2.1 输送带运行速度的选择
输送带运行速度是输送机设计计算的重要参数,在输送量一定时,适当提高带速,可减少带宽.对水平安装的输送机,可选择较高的带速,输送倾角越大带速应偏低,向上输送时带速可适当高些,向下输送时带速应低些.目前DTII系列带式输送机推荐的带速为1.25～4m/s.对于下运带式输送机,考虑管理难度大,一般确定带速为2～3.5m/s.根据工作面顺槽胶带机的规格(带宽1.2m、带速3.15m/s),工作面的实际生产能力,煤流的不均匀型等因素,同时考虑工作面煤仓无缓冲作用的状况(约3米深),确定东滩煤矿一采区运输大巷固定下运带式输送机带速3.15m/s.
4.2.2 输送带宽度计算
1)按输送能力确定带宽
带式输送机的输送能力与带宽和带速的关系是：
Q=KB2vγc t/h
式中K—货载断面系数,K值与货载在输送带上的堆积角有关（查标准MT/T467-1996中表三）
B—输送带宽度,m
V—输送机速度,m/s
γ—运送货载的集散容重,t/m3
C—输送机倾角对输送量的影响系数.
当输送量已知时可按下式求得满足生产能力所需的带宽B1：
B1= = =1.2
2）按输送物料的块度确定带宽B2
因为本带式输送机输送原煤,且amax=300mm故有：
B2≥2•amax+200=2×200+200=800mm
实际确定宽度时B=max{1000B1,B2},故可选用1200mm宽度的输送带.
4.2.3 初选输送带
我国目前生产的输送带有以下几种:尼龙分层输送带、塑料输送带、整体带芯阻燃带、钢丝绳芯带等.
在输送带类型确定上应考虑如下因素：
1)为延长输送带使用寿命,减小物料磨损,尽量选用橡胶贴面,其次为橡塑贴面和塑料贴面的输送带；
2)在同等条件下优先选择分层带,其次为整体带芯和钢丝绳芯带；
3)优先选用尼龙、维尼龙帆布层带.因在同样抗拉强度下,上述材料比棉帆布带体轻、带薄、柔软、成槽性好、耐水和耐腐蚀；
4)覆盖胶的厚度主要取决于被运物料的种类和特性,给料冲击的大小、带速与机长,输送石炭石之类的矿石,可以加厚2mm表面橡胶层,以延长使用寿命.
综合该机各类特性参数和技术特性,考虑到输送量较大,运输距离较长,且为固定用输送机,为此初选输送带采用钢丝绳芯输送带,它既有良好的强度,又具有较好的防撕裂性能,是目前井下带式输送机首选带型.可以初选输送带如下：
输送带型号：ST2500输送带
带宽：1200mm
带质量：qd=35.3kg/m2
4.3 输送机布置形式及基本参数的确定
4.3.1 输送带布置形式
对于角度不大的长距离、大运量带式输送机系统,一般可采取双滚筒1:1或2:1的功率配比,这样既可以实现电机的分时起动(煤矿井下变电所容量有限制),同时可以降低输送带的强度.为了降低输送带的强度,本驱动系统采用了头部双滚筒驱动,并把拉紧装置放在紧跟驱动滚筒后部,有利于起动时自动拉紧,同时减少了电力线路铺设长度,保证了控制响应及时.驱动部布置的位置对输送带强度的影响较大,但对于本输送系统,进行分析后得出,驱动部布置在上部效果较理想.同时遵循尽量减少施工工作量、简化设备的原则,降低制作成本,其具体布置示意图如输送机总装图所示.考虑到煤的输送质量较大,本机各类托辊组间距为：
承载托辊间距lt'=1.2m
回程托辊间距lt"=3m
缓冲托辊间距lth=0. 6m
承载托辊直径dt=φ133mm Gt'=34.92Kg
回程托辊直径dt'=φ133mm Gt"=30.63Kg
4.3.2 输送机基本参数的确定
1）输送带质量qd
由上述输送带选型结果可知qd=35.3kg/m2×1.2m=42.36kg/m
2）物料线质量q
当已知设计输送能力和带速时,物料的线质量由下式求得：
q= = =159kg/m
式中 Q—每小时运输量,t/h；
v—运输带运输速度,m/s
3）托辊旋转部分线质量qt′,qt″
由前述托辊组的选择情况可知
qt′= Gt'/ lt'=29.1kg/m
qt″= Gt"/ lt"=10.21 kg/m