Đang tải... (xem toàn văn)
Mức tiêu thụ năng lượng riêng là chỉ tiêu đang được sử dụng để đánh giá hiệu quả về năng lượng của băng tải mỏ hầm lò có công suất lớn. Trong bài báo này, mức tiêu thụ năng lượng riêng và công suất dẫn động được xem xét là hàm xấp xỉ của khối lượng tải chất trên băng tải. Quan hệ giữa mức tiêu thụ năng lượng riêng với khối lượng tải được thiết lập dưới dạng giải tích.
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Đánh giá mức tiêu thụ lượng riêng cho băng tải mỏ hầm lò có cụm dẫn động sử dụng hộp giảm tốc bánh côn trụ Lê Văn Đạt1*, Nguyễn Ngọc Linh2, Nguyễn Văn Kựu2 Viện Cơ khí Năng lượng Mỏ - Vinacomin Trường Đại học Thủy lợi Ngày nhận 2/2/2018; ngày chuyển phản biện 5/2/2018; ngày nhận phản biện 12/3/2018; ngày chấp nhận đăng 26/3/2018 Tóm tắt: Mức tiêu thụ lượng riêng tiêu sử dụng để đánh giá hiệu lượng băng tải mỏ hầm lò có cơng suất lớn Trong báo này, mức tiêu thụ lượng riêng công suất dẫn động xem xét hàm xấp xỉ khối lượng tải chất băng tải Quan hệ mức tiêu thụ lượng riêng với khối lượng tải thiết lập dạng giải tích Tiếp theo, mức tiêu thụ lượng riêng áp dụng để phân tích hiệu lượng cho dạng băng tải mỏ hầm lò có cụm dẫn động sử dụng hộp giảm tốc bánh côn trụ với số sơ đồ dẫn động khác Kết nghiên cứu áp dụng cho tốn phân tích tối ưu hóa lượng tiêu thụ băng tải mỏ hầm lò Từ khóa: Băng tải mỏ hầm lò, hộp giảm tốc bánh côn trụ, mức tiêu thụ lượng riêng Chỉ số phân loại: 2.3 Đặt vấn đề Hiện nay, băng tải thiết bị chủ đạo hệ thống vận chuyển mỏ hầm lò, đặc biệt mỏ than Các hướng phát triển công nghệ gần băng tải tập trung nghiên cứu [1]: Tối ưu hóa lượng tiêu thụ, tối ưu hóa tuyến vận chuyển, phân bố cụm dẫn động, phân tích mơ Các hướng phát triển gắn kết chặt chẽ với mặt kỹ thuật mặt kinh tế Đối với mỏ than đại, việc phát triển công nghệ cho băng tải liền với mục tiêu nâng cao suất giảm chi phí khai thác [1, 2] Do đặc trưng địa hình dốc, nên cơng suất băng tải lắp mỏ hầm lò lớn phần cơng suất tiêu tốn để nâng vật liệu chiếm tỷ lệ cao, lên đến 90% tổng cơng suất [1] Mặt khác, có u cầu đặc thù phòng chống cháy nổ nên hệ thống dẫn động băng nằm số phận có giá thành cao Vì vậy, việc tối ưu hóa hệ dẫn động thiết kế băng tải toán quan trọng, cần có lời giải hợp lý [3] Khi tăng số lượng cụm dẫn động dẫn tới kết quan trọng giảm cường độ băng, giúp cho khối lượng kết cấu băng tải nhẹ hơn, nhỏ gọn rẻ Đồng thời, kết quan trọng khác khả chuẩn hóa phận, nhờ chiều dài hệ thống cơng suất tăng lên sử dụng loại băng cách bổ sung thêm cụm dẫn động [4] Tuy nhiên, việc tăng số lượng cụm dẫn động dẫn tới việc tăng giá thành chúng [3, 5] Mặt khác, tăng số lượng cụm dẫn động, tối ưu hóa lượng tiêu thụ vấn đề quan tâm nghiên cứu [1, 2, 5] Semenchenko cộng [2] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm mức tiêu thụ lượng băng tải vận chuyển mỏ than Dựa mơ hình hồi quy tuyến tính cơng suất dẫn động khối lượng tải chất băng, tác giả [2] phân tích đánh giá mức tiêu thụ lượng riêng băng tải theo mức độ chất tải Áp dụng mơ hình xấp xỉ nêu trên, nghiên cứu tiêu mức tiêu thụ lượng riêng sử dụng để phân tích phương án bố trí cụm dẫn động sử dụng hộp giảm tốc bánh trụ lắp vị trí đầu băng tải mỏ hầm lò Tính tốn cụ thể tiến hành băng tải Vinacomin với số liệu cung cấp từ kết đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo nội địa hóa hộp giảm tốc bánh côn trụ thường dùng băng tải mỏ hầm lò” Viện Cơ khí Năng lượng Mỏ Nội dung nghiên cứu Xây dựng quan hệ giải tích số mức tiêu thụ lượng riêng khối lượng tải chất băng băng tải mỏ hầm lò dựa trên: Phương pháp tính cơng suất theo cách tiếp cận cân lượng, rời rạc hóa q trình chất tải băng tải mỏ hầm lò sử dụng xấp xỉ tuyến tính công suất theo khối lượng tải Tác giả liên hệ: Tel: 0934208293 * 60(6) 6.2018 55 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Analysis of the specific energy consumption for underground mining belt conveyor with single drive unit using bevel helical gearboxes Van Dat Le1*, Ngoc Linh Nguyen2, Van Kuu Nguyen2 Institute of Energy and Mining Mechanical Engineering - Vinacomin Thuyloi University với Fe lực căng hữu ích (N); v vận tốc băng (m/s); η hiệu suất cụm dẫn động Hiện nay, có hai cách tiếp cận phổ biến để tính tốn lực căng hữu ích Fe sử dụng tiêu chuẩn thiết kế băng tải Thứ cách tiếp cận cân lực sử dụng tiêu chuẩn ISO 5048, DIN 22101, CEMA Thứ hai cách tiếp cận cân lượng sử dụng tiêu chuẩn JIS B 8805 British Coal Theo cách tiếp cận cân lượng cơng suất băng tải chia làm ba thành phần là: Received February 2018; accepted 26 March 2018 Abstract: The specific energy consumption is an important criterion which is used to evaluate the energy efficiency of underground mining belt conveyors In this paper, the specific energy consumption is considered as a function of the load weight on a belt conveyor which is expressed in analytic form This formulation is then used to analyse the energy efficiency of a typical underground belt conveyor in coal mines with single drive unit using bevel helical gearboxes in compliance with several transmission schematics The result of the paper can be applied to the optimization problem of energy consumption for underground mining belt conveyors Keywords: Bevel helical gearbox, specific energy consumption, underground belt conveyor Classification number: 2.3 Áp dụng mức tiêu thụ lượng riêng thu để so sánh hiệu lượng sơ đồ dẫn động kiểu đơn - đơn, kiểu kép - đơn kiểu kép - kép cho dạng băng tải mỏ hầm lò có cụm dẫn động với hai tang dẫn sử dụng hộp giảm tốc bánh trụ Trong tính tốn, nhóm nghiên cứu sử dụng số liệu từ băng tải điển hình Vinacomin Kết thảo luận Hệ số chất tải hệ số mức tiêu thụ lượng riêng Để đánh hiệu lượng việc vận chuyển vật liệu mỏ, mức tiêu thụ lượng riêng E sử dụng E định nghĩa lượng tiêu tốn để vận chuyển vật liệu mỏ băng tải cự ly km, xác định sau [2]: E= 1000 P , Qav L kWh T km (1) Trong đó, Qav suất trung bình (T/h), L cự ly vận chuyển (m) Công suất dẫn động cho băng tải P (kW): Fe v P= (2) 1000η 60(6) 6.2018 P = Peb + Ph + Pl (3) Trong đó, Peb cơng suất để dẫn động băng khơng tải, Ph công suất để vận chuyển vật liệu theo phương ngang, Pl công suất để nâng vật liệu theo phương đứng Để đơn giản hóa, xây dựng công thức (3), nghiên cứu bỏ qua thành phần công suất để khắc phục lực cản phụ lực cản vị trí phễu nạp liệu hay lực cản phận làm băng Ba thành phần công suất nêu xác định sau: = Peb gf ( Lh + Lo )qv / 1000 (4) = Ph gf ( Lh + Lo )qG v / 1000 (5) Pl = gHvqG / 1000 (6) với g = 9,81 m/s gia tốc trọng trường; Lh khoảng cách vận chuyển theo phương ngang (m); L0 chiều dài điều chỉnh (m), với Lh = 300÷1200 m L0 = 45 m; H chiều cao vận chuyển (m); f hệ số cản phận chuyển động, băng tải thông thường f = 0,02, băng tải mỏ f thường lấy từ 0,025 đến 0,035 [2], [2] khuyến nghị tăng hệ số cản f thêm 30% tính tốn cho băng tải hầm lò, cụ thể f = 0,05, tương kẹt lăn đỡ thường xảy môi trường làm việc hầm lò, British Coal yêu cầu f lấy khoảng 0,03 đến 0,041 [4]; khối lượng đơn vị tải qG (kg/m) khối lượng phận chuyển động phân bố theo chiều dài băng q (kg/m) xác định theo công thức: qG = Qav 1000W = 3,6v L q = qR + qRU + 2qB (7) (8) với L = Lh / cos δ ; W tổng khối lượng tải băng (T); qR0 khối lượng đơn vị phận quay lăn đỡ (kg/m); qRU khối lượng đơn vị phận quay lăn đỡ (kg/m); qB khối lượng đơn vị băng (kg/m) So sánh cơng suất tính toán theo tiêu chuẩn khác cho băng tải cụ thể [4] cho thấy kết tính tốn theo British Coal cao chút so với theo tiêu chuẩn khác có hệ số cản f áp dụng cho băng tải mỏ than lớn so với điều kiện thông thường Trong tiêu chuẩn tính tốn nêu tải băng coi tải trọng phân bố qG, xác định theo cơng thức (7), có nghĩa tính tốn mức tiêu thụ lượng băng tải ln ứng với tải lớn Đối với băng tải sử dụng hầm lò mỏ than, điều kiện địa chất, khai thác trung chuyển nên trình chất tải lên băng thực tế trình 56 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ ngẫu nhiễn, việc chất tải băng không liên tục không Một cách mô tả gần trình chất tải diễn theo đợt, khối lượng chất tải đợt đặc trưng khối lượng tải băng đợt Khi nghiên cứu ảnh hưởng việc nạp liệu không công suất tiêu thụ lượng băng tải mỏ than, [2] áp dụng mơ hình hồi quy mô tả phụ thuộc công suất theo khối lượng tải sau: (9) Pi = Peb + Wi DPW Trong đó, Pi, Wi cơng suất dẫn động khối lượng tải băng đợt thứ i; ∆PW (kW/T) công suất dẫn động cần thiết để vận chuyển khối lượng tải Wi Sử dụng công thức xấp xỉ (9), kết hợp với (3) ta có: = Wi Pi − Peb Ph , i + Pl , i = DPW DPW (10) = gv [ f ( Lh + Lo ) + H ] / L DqG 1000 PP ++gv gv[ [f f( (LLh h++LLo o) )++HH]W ]Wi i/ /LL == ebeb 3,6 3,6vW vWi i Wi Wmax (15) = Feh F1= – F2 F2 (e µα − 1) (12) (13) Cl đại lượng khơng thứ ngun, có giá trị từ đến 1, thể mức độ khối lượng tải Wi so với khối lượng tải lớn Wmax Wmax xác định công thức (7), tương ứng với suất lớn Qav Với mức độ chất tải Cl khác nhau, sử dụng công thức từ (3) đến (12) ta xác định công suất dẫn động mức tiêu thụ lượng riêng tương ứng Phân tích mức tiêu thụ lượng riêng băng tải mỏ hầm lò có cụm dẫn động với hai tang dẫn sử dụng hộp giảm tốc bánh côn trụ (16) = Fe1 F2= – F3 F3 (e µα − 1) = Fe F4= – F3 F4 (e µα − 1) Theo tài liệu tính tốn thơng dụng [4], thường lấy α = 2300 μ = 0,25, từ (15) ta xácF1định2,727 căng sau: F4 = = F2 ;các F2 lực = 2,727 F3 ; Fnhư 2,727 2,727 = F2 ; F2 = 2,727 F3 ; F3 2,727 F4 ; F1 = 2,7273 F4 (17) F1 =(14) 2,727 F4 Thay (17) vào được: F4 = (11) Để phân tích quan hệ mức độ chất tải mức độ tiêu thụ lượng riêng, ta sử dụng hệ số chất tải: Cl = Theo công thức Ơle ta có: F1 F2 F3 = = = e µα F2 F3 F4 = F1 Từ (1), (7) (11) ta có số mức tiêu thụ lượng riêng Ei tương ứng với khối lượng tải Wi: PP 1000 1000PP i i EE(W (Wi )i )== Q L i i ==3,6vW 3,6vWi i Qi i L (14) Sử dụng (15), lực căng băng hiệu dụng tang đầu Feh, tang dẫn thứ Fe1 thứ hai Fe2 là: đó, ∆PW xác định từ (3) đến (6), với ý khối 1000 / L : lượng đơn vị tải ứng với DqG = DPW= = DPh + DPl gv [ f ( Lh + Lo ) + H ] Fe = F1 – F4 Fe = 0,052 Fe 2,7273 − (18) Kết hợp (16), (17), (18) có quan hệ lực căng băng lớn F1 Fe1, Fe2 với lực căng hiệu dụng Fe: F1 = 1,052 = Fe ; Fe1 0,386 = Fe ; Fe 0,141Fe (19) Các lực căng hiệu dụng Fe1 thứ hai Fe2 thể phân bố động lực cụm dẫn động, công suất yêu cầu tang dẫn thứ 2,727 lần công suất yêu cầu tang dẫn thứ hai, theo tỷ lệ phần trăm tương ứng 73,2 26,8% Sau xác định lực căng hiệu dụng Fe, Fe1, Fe2 từ công suất băng tải P (bảng 1), xác định công suất yêu cầu tang dẫn thứ thứ hai, Pt1, Pt2 tổng công suất yêu cầu hai tang Pt, Pt1 + Pt2 mức tiêu thụ lượng riêng tính tốn Et (bảng 2) Xét trường hợp bố trí dẫn động cho tang dẫn sau: - TH1 (kiểu đơn - đơn): Mỗi tang có sơ đồ dẫn động kiểu đơn, cơng suất động - giảm tốc công suất tính tốn tang, = P1 P= Pt t1 , P2 - TH2 (kiểu kép - đơn): Tang dẫn thứ có sơ đồ dẫn động kiểu kép, tang dẫn thứ hai có sơ đồ dẫn động kiểu đơn, ba động giảm tốc giống có cơng suất 1/2 cơng suất tính tốn tang dẫn thứ nhất, P= P= P= P / 11 12 t1 - TH3 (kiểu kép - kép): Các tang dẫn có sơ đồ dẫn động kiểu kép, công suất động - giảm tốc 1/2 cơng suất tính tốn tang dẫn= đó, P1 P= Pt / t1 / 2, P2 Xét dạng băng tải hay sử dụng mỏ than Vinacomin hình 1a Các thơng số băng tải suất thiết kế Qav, cự ly vận chuyển L, chiều cao nâng H, góc dốc δ Do hạn chế khơng gian làm việc nên băng tải mỏ hầm lò có nhiều tang dẫn, loại hộp giảm tốc bánh côn trụ thường sử dụng với sơ đồ dẫn động kiểu đơn (1 động - giảm tốc/1 tang dẫn) kiểu kép (2 động - giảm tốc/1 tang dẫn) hình 1b, 1c Hình sơ đồ a) b) c) lực căng băng cụm dẫn động với hai tang dẫn Giả thiết góc Hình đồđộng dẫncủa động tải hình; mỏ điển Sơ đồ ôm α băng tang hệ số ma sát μ băng Hình a)1.Sơa)đồSơdẫn băng tảibăng mỏ điển b) Sơhình; đồ dẫnb)động kiểu dẫn động kiểu đơn; c) Sơ đồ dẫn động kiểu kép tang nhau, lực căng băng hiệu dụng xác định là: đơn; c) Sơ đồ dẫn động kiểu kép 60(6) 6.2018 F1 57 F3 F2 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ F1 α F3 α F2 F4 Hình Lực căng cụm dẫn động hai tang dẫn Bảng Kết tính thơng số băng tải Qav (T/h) 320 η 0,95 Peb (kW) 92,2 L (m) 1005 qR0 (kg/m) 16,5 Ph (kW) 45,8 δ (độ) 16 qRU (kg/m) Pl (kW) 251,3 v (m/s) qB (kg/m) 34 P (kW) 389,3 L0 (m) 45 qG (kg/m) 44,44 Fe (N) 193290 f 0,05 Wmax (T) 46,5 Fe1 (N) 74611 Fe2 (N) 27061 Bảng Điều khiển công suất sơ đồ dẫn động tương ứng với hệ số chất tải Tính tốn Wi Pt Pt1 (T) (kW) 0,021 1,0 0,10 4,6 0,20 9,3 Cl TH1 Pt2 TH2 Pt,TH1 Pt,TH2 P11 TH3 P1 P2 P12 P2 Pt,TH3 P11 P12 P21 P22 (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) 54,5 40,0 14,5 215,6 158,2 57,4 158,2 79,1 79,1 107,8 79,1 67,5 49,5 18,0 215,6 158,2 57,4 158,2 79,1 79,1 107,8 79,1 28,7 83,9 61,6 22,3 215,6 158,2 57,4 158,2 79,1 79,1 107,8 79,1 28,7 28,7 0,30 13,9 100,4 73,7 26,7 215,6 158,2 57,4 158,2 79,1 79,1 107,8 79,1 28,7 0,40 18,6 116,8 85,7 31,1 215,6 158,2 57,4 237,2 79,1 79,1 79,1 215,6 79,1 79,1 28,7 28,7 0,50 23,2 133,3 97,8 35,5 215,6 158,2 57,4 237,2 79,1 79,1 79,1 215,6 79,1 79,1 28,7 28,7 0,60 27,9 149,7 109,9 39,9 215,6 158,2 57,4 237,2 79,1 79,1 79,1 215,6 79,1 79,1 28,7 28,7 0,70 32,5 166,2 122,0 44,2 215,6 158,2 57,4 237,2 79,1 79,1 79,1 215,6 79,1 79,1 28,7 28,7 0,80 37,2 182,6 134,0 48,6 215,6 158,2 57,4 237,2 79,1 79,1 79,1 215,6 79,1 79,1 28,7 28,7 0,90 41,8 199,1 146,1 53,0 215,6 158,2 57,4 237,2 79,1 79,1 79,1 215,6 79,1 79,1 28,7 28,7 1,0 46,5 215,6 158,2 57,4 215,6 158,2 57,4 237,2 79,1 79,1 79,1 215,6 79,1 79,1 28,7 28,7 35 Et 30 ETH1 ETH2 E(kWh/Tkm) 25 ETH3 Kết luận Dựa phương pháp tính cơng suất theo cách tiếp cận cân lượng, rời rạc hóa q trình chất tải sử dụng xấp xỉ tuyến tính cơng suất theo khối lượng tải băng tải mỏ hầm lò, quan hệ mức tiêu thụ lượng riêng với khối lượng tải thiết lập dạng giải tích Tiếp theo, mức tiêu thụ lượng riêng sử dụng để phân tích hiệu mặt lượng sơ đồ dẫn động kiểu đơn kiểu kép cho băng tải mỏ hầm lò có cụm dẫn động với hai tang dẫn sử dụng hộp giảm tốc bánh côn trụ So sánh ba trường hợp bố trí dẫn động cho tang dẫn cho thấy sơ đồ dẫn động kiểu kép - kép tiết kiệm lượng so với sơ đồ kiểu kép - đơn kiểu đơn - đơn, hệ số chất tải nhỏ 0,3 Mức tiêu thụ lượng riêng xây dựng báo phát triển cho trường hợp băng tải có nhiều cụm dẫn động sử dụng hộp giảm tốc bánh côn trụ, đồng thời cho thấy tiềm sử dụng tiêu kỹ thuật toán thiết kế hay thiết kế cải tạo nhằm phân tích tối ưu hóa lượng tiêu thụ cho băng tải mỏ hầm lò TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 15 [1] M.A Alspaugh (2001), Latest Developments in Belt Conveyor Technology, Overland Conveyor Co., Inc, Las Vegas, NV, USA 10 0 lượng tiêu thụ cách tắt bớt động cơ, cụ thể TH2 tắt bớt động tang dẫn thứ nhất, TH3 tắt bớt động tang dẫn Rõ ràng, với sơ đồ dẫn động TH1 khơng thể tắt động tang dẫn Khi Cl> 0,3, ví dụ Cl = 0,4, tổng cơng suất hai tang lớn tổng công suất yêu cầu Pt = 116,8 kW, không tắt bớt động tang dẫn phải trì cơng suất dẫn động lớn mức yêu cầu Pt1 = 85,7 kW Pt2 = 31,1 kW Quan hệ mức tiêu thụ lượng riêng hệ số chất tải ứng với ba trường hợp nêu biểu diễn hình 3, cho thấy Cl> 0,3 chênh lệch mức tiêu thụ lượng riêng ba trường hợp TH1, TH2, TH3 không lớn gần mức tiêu thụ lượng riêng tính tốn Et Tuy nhiên, Cl ≤ 0,3 chênh lệch ba trường hợp lớn, TH3 có mức tiêu thụ lượng riêng nhỏ nằm gần Et nhất, ngược lại TH1 Khi hệ số chất tải Cl thấp mức tiêu thụ lượng riêng lớn, Cl = 0,021 ứng với khối lượng tải Wi = T, ETH1= 31 kWh/Tkm, ETH2= 22 kWh/Tkm, ETH3= 15kWh/Tkm, nghĩa mức tiêu thụ lượng riêng TH2 giảm khoảng 29% TH3 giảm khoảng 52% so với TH1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Cl 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình Quan hệ mức tiêu thụ lượng riêng hệ số chất tải sơ đồ dẫn động Kết tính tốn bảng cho thấy, công suất dùng để nâng vật liệu Pl lên đến 64,5% so với công suất để vận chuyển vật liệu theo phương ngang Ph 11,8% công suất đễ dẫn động không tải Peb 23,7% Bảng cho thấy, hệ số chất tải Cl ≤ 0,3 với trường hợp (TH2), trường hợp (TH3) giảm 60(6) 6.2018 [2] A Semenchenko, P Belitsky, M Stadnik, O Stepanenko (2016), “The impact of anuneven loading of a belt conveyor onthe loading of drive motors and energyconsumption in transportation”, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(1), pp.42-51 [3] Z Despodov, S Mijalkovski, V Adziski (2014), "Selection of Belt Conveyors Drive Units Number by TechnicalEconomical Analysis", Applied Mechanics and Materials, 683, pp.189-195 [4] E.D Yardley, L.R Stace (2008), Belt conveying of minerals, Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC [5] A Nuttal (2007), Design Aspects of Multiple Driven Belt Conveyors, Dissertation, Delft Technical University, ISBN 978-90-5584-092-2 58 ... theo, mức tiêu thụ lượng riêng sử dụng để phân tích hiệu mặt lượng sơ đồ dẫn động kiểu đơn kiểu kép cho băng tải mỏ hầm lò có cụm dẫn động với hai tang dẫn sử dụng hộp giảm tốc bánh côn trụ So... sử dụng cơng thức từ (3) đến (12) ta xác định công suất dẫn động mức tiêu thụ lượng riêng tương ứng Phân tích mức tiêu thụ lượng riêng băng tải mỏ hầm lò có cụm dẫn động với hai tang dẫn sử dụng. .. việc nên băng tải mỏ hầm lò có nhiều tang dẫn, loại hộp giảm tốc bánh côn trụ thường sử dụng với sơ đồ dẫn động kiểu đơn (1 động - giảm tốc/ 1 tang dẫn) kiểu kép (2 động - giảm tốc/ 1 tang dẫn) hình