煤矿带式运输机节能设计研究

李桂香 李 建

（山东能源集团装备制造（集团）有限公司新汶分公司，新泰 271219）

带式运输机不仅是煤矿井下的主要生产运输工具，也是煤矿生产过程中的主要耗能工具。随着国家节能减排政策的推广，煤矿企业如何提高运输机的效率、降低能量损耗成为迫切需要解决的问题，这对提升企业的综合效益具有重大意义。

1 煤矿带式运输机概述

1.1 带式运输机的结构

煤矿带式运输机主要由输送带、驱动装置、张紧装置、清扫装置及托辊等部分组成。

第一，输送带。输送带不仅是带式运输机的牵引装置，也是带式运输机最主要的承载设备，主要用于将物料吸入系统并进行输送。输送带能够保护芯材免受腐蚀和损坏，因此其必须具有足够的强度。目前，输送带可分为普通输送带、钢丝输送带和强力重型输送带3 种类型，应根据运输距离、运输量等具体情况选择不同类型的输送带。

第二，驱动装置。驱动装置是带式运输机运行的动力基础，通常由电机、联轴器、减速机和耦合器组成。煤矿带式运输机的驱动方式可分为直流电机、绕线转子电机等，其主要部件是传动滚筒，滚筒和输送带之间的摩擦力作为运行驱动力。传动滚筒通常包括单滚筒和双滚筒两种，为适应井下的不利条件，带式运输机多选用双滚筒。

第三，张紧装置。张紧装置在带式运输机上的主要作用是控制和保证输送带的张紧，避免在物料及物品的运输过程中发生打滑现象，从而有效保障并延长输送带的使用寿命，提高带式运输机的整体使用效率。

第四，清扫装置。清扫装置是带式运输机的一部分，主要包括在卸载滚筒后方设计的刮板或者在底部装设的清扫刷，起到后勤保障的作用。当运输机运行时，物料在输送带上运输的过程中会产生并留存一定的残渣，这些残渣垃圾可能会对部分构成零件造成磨损，从而引起跑偏或卡顿现象。清扫装置能够充分清理残渣，保证机器运行流畅。

第五，托辊。托辊在带式运输机的运行中主要起到支撑运输带的作用，通过稳定支撑保证输送带在机器运行过程中平稳工作。一般常见的托辊类型有调心托辊、平形托辊、槽型托辊和承载托辊4 种，它们具有不同的特点与功效，能够满足各种运输需求。

1.2 带式运输机的工作原理

带式运输机是一种常用的物料输送设备，由传动装置、输送带、支撑装置和输送带框架组成。工作时，传动装置通过电动机或其他动力源驱动输送带运动。物料被放置在输送带上，依靠与输送带之间的摩擦力，随着输送带的运动向前传送。支撑装置用于支撑输送带，确保其平稳运行，输送带框架则起到固定输送带和支撑装置的作用。

目前，煤矿中的带式运输机结构相对简单，本身的污染不大，在运行过程中对物料的磨损也较小，而且能够节省成本。但是在实际工作中，带式运输机基本要24 h 持续运行，这种工作强度会影响机器及其部件的使用寿命、机器运行时的能耗和相关的维修费用等，造成成本不断增加。

1.3 带式运输机的功能及特点

带式运输机的主要部件是输送带和滚筒，滚筒包括驱动滚筒和转向滚筒两种。驱动滚筒一般安装在装载和卸载部分，以增加推力，便于输送带的运行。带式运输机通常用于在平坦和倾斜的表面上运输材料和物体，可以单独运输，也可以与多个单元组合运输。

带式运输机作为我国煤矿行业最高效的连续运输系统，与其他运输系统相比，在运输能力、远程运输、连续运输及实用的中央控制和传输系统方面均具有显著优势。带式运输机的主要优点是具有储带仓，可以方便实现机身的伸缩。随着采煤及物料运输距离的变化，运输机的末端可以进行相应的延长或缩短。同时，带式运输机具有结构紧凑、轻巧的特点，无须支架，可以直接放置在底板上，方便拆装。如果运输需求较大、距离较远，可以根据需要安装中间驱动装置。

2 煤矿带式运输机的节能技术研究

2.1 通过降低运行阻力提高运行效率

目前，国内煤矿带式运输机的运行效率仅为50%左右。在实际应用中，由于其他因素的影响，一些运输机的运行效率仅能维持在40%左右，这样就造成了电力资源的浪费[1]。常见的影响煤炭带式运输机的阻力分为主阻力、附加阻力、特殊主阻力、特殊附加阻力以及倾斜阻力5 类。所有带式运输机都具有主阻力和附加阻力，并且只有一些附加装置具有特殊阻力，而倾斜运输机通常具有倾斜阻力。滚筒阻力和运输机运行阻力为运输机阻力的50%～85%。

为了降低带式运输机的运行阻力，可以采用优化设计、减少负荷、使用辅助装置、维护保养和合理调节张紧力等方法[2]。优化输送带设计，可以选择合适的输送带材料和带型，以减少输送带与物料间的摩擦力。减少带式运输机的负荷，可以控制物料的输送量，避免过载运行。使用辅助装置，可以在带式运输机中设置滚筒、托辊等辅助装置，减少输送带与支撑装置之间的接触阻力。同时，要做好带式运输机的维护保养工作，定期检查和维护传动装置、支撑装置和输送带。

通过这些措施，能够保持带式运输机的良好状态，确保设备运行平稳，减少能量损耗和摩擦力，提高运行效率，节省能源并延长设备的使用寿命。

2.2 通过控制电能消耗降低运行能耗

电能消耗在煤矿带式运输机总能耗中占据很大比例。带式运输机的能耗管理可以基于两个方面：一方面，提高对带速的控制和调节；另一方面，最大限度减少空载和轻载。运输机所消耗的功率与运输长度及煤炭运输量密切相关。如果在实际中，实际运输能力低于设定功率，将导致较大的电能消耗[3]。根据发动机的节能技术，发动机功率可以根据功率范围进行调整，因此功率可以与运输的材料和物品的数量相匹配。通过控制给煤量和运输机速度，减少空载和轻载的情况，从而降低运输机运行时的电能消耗[4]。

2.3 通过定期维修保养降低零部件磨损

输送带部件维护不足和磨损严重会直接影响其性能。在机械设备运行过程中，由于部件之间的相互作用，各部件的过度磨损会增加机械的工作阻力，降低带式运输机的运行效率，这样在相同容量和速度下就会消耗更多的电能。因此，定期对带式运输机及其零件进行维护和维修，可以节省电力能源。

2.4 通过智能控制系统方案有效控制能耗

通过合理的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，可以精准地计算运输机运煤量，有助于计算运输机的最佳输送频率。该系统能够计算当前的煤炭储量是否合理，如果不在适当范围内，则可以根据煤炭运输量重新计算合适的煤炭运输量，并计算出最佳运输速度，再根据运输机的最佳速度调整运输机的传输频率，最大限度提高运输机的运行效率，降低能耗[5]。

智能控制系统所操控的带式运输机节能系统，由检测部分、控制部分和驱动部分组成。检测部分的主要功能是检测运输机的煤炭储存量、煤炭运输量、输送带的实时运输速度是否准确合理[6]。控制部分根据检测到的不同数据实时调整和控制各个控制变量，并及时纠正不合适的部分。驱动部分根据控制区间的数据进行操作，系统中的协调配合越合理，带式运输机的传动效率就越高。

3 煤矿带式运输机的能效优化分析

3.1 带式运输机的能源效率分析

带式运输机的节能情况主要取决于能源效率，包括性能效率、运行效率、设备效率以及技术效率4 部分，其中运行效率和设备效率是其性能效率的决定因素[7]。通常情况下，企业会密切监控运行情况和设备发展水平，以降低能源消耗和生产成本。

技术效率包括对象可行性、方案投资回报和转移效率等指标，其主要目的是实现对象的最优化。设备效率的提高是在不影响系统配置的情况下，通过将能量传输到标准化的独立电力装置来实现，可以减少实际参数和设计参数之间的误差[8]。随着科学技术的发展，设备得到了相应的更新，因此新产品的能源效率也得到了提高。运行效率是系统各部分之间技术协调的主要指标。系统的运行指标不是由内部决定的，而是受到生产、环境和技术等多种因素的影响。

3.2 带式运输机的节能控制方式分析

带式运输机的节能技术主要有两个方面：一方面是要引进先进、高效的设备减少能量损耗；另一方面是优化运输机控制方法，包括流程优化控制、功率优化控制及速度优化控制等多种节能控制方式[9]。

首先，流程优化控制。该控制方式主要针对多带相关联的带式运输机。传统的洗煤生产系统为了简化操作、避免出现堆煤，一般采用“逆煤流开车、顺煤流停车”的控制方式，存在系统空载调整等待时间长的问题，易造成生产用电浪费及设备不必要的磨损[10]。基于逆煤流的缺点，大多企业采用顺煤流的启动方法，提高运输效率，降低能源消耗。

其次，速度优化控制。目前，大多数的煤炭矿业公司通过调整动力传输来调整发动机的电压和速度，从而使运输机达到启动速度。与软启动相比，变频启动性能更好，可以调节各种物料的皮带速度，进而降低运输机的功耗[11]。当达到最佳速度时，运输机可以充分实现节能目标。

最后，功率优化控制。其主要方式是通过减少电机运行实现节能效果，即以实时监测电机功率为基础，精确得到与负载匹配的功率，但是这种方法存在增加生产成本的风险。

4 结语

我国作为工业大国，在能源方面存在比较严重的缺口，提高煤炭行业能源的使用效率，有利于实现节约能源的目标。目前，带式运输机是我国煤矿产业中常见的传输机械之一，通常用于物料运输，但还存在运行效率偏低、能耗相对较高等问题[12]。通过节能技术研究实现带式运输机的能效优化，无论对行业发展还是国家的能源节约都具有重要意义。