武穴東南礦業(yè)長距離曲線膠帶機設計探討

曹彥斌

(衡陽運輸機械有限公司， 湖南 衡陽 421002)

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武穴東南礦業(yè)長距離曲線膠帶機設計探討

曹彥斌

(衡陽運輸機械有限公司， 湖南 衡陽 421002)

針對長距離曲線膠帶機在武穴東南礦業(yè)砂石輸送系統(tǒng)中的應用，探討了該膠帶機的主要技術參數(shù)、整機總體布置、設計計算方法、主要部件的配置、啟制動控制等。指出了對比原汽車輸送的缺陷，該膠帶機體現(xiàn)出長距離膠帶機輸送散狀物料的優(yōu)勢。

長距離；曲線膠帶機；設計

1 工程概況

該項目膠帶機位于湖北武穴市大法寺鎮(zhèn)，將砂石骨料從加工中心輸送到長江堤岸裝船，單機長度為5.776 km，是單機轉(zhuǎn)彎數(shù)量較多(8處)、運行線路較為復雜的膠帶機；輸送線路所在地地形較復雜，沿線有十幾個高坡點，膠帶機成功取代了原汽車輸送方式；膠帶機除尾部段為隧道內(nèi)布置，其它均為露天布置。

該機是采用ISO國際設計方法進行設計計算，用動態(tài)分析軟件對各種工況進行精確的分析和計算，并以此結(jié)果作為整機總體布置、受力分析、結(jié)構設計、零部件選型的依據(jù)，保證了設計的可靠性和先進性 。

2 主要技術參數(shù)及總體布置

2.1 主要技術參數(shù)

主要技術參數(shù)見表1。

2.2 總體布置

由于輸送線路周邊障礙物多，地形起伏不斷，本工程長距離膠帶機具有多點拐彎(最大拐角36.4°)、傾角變化大(-10°～+12°)、高帶速(帶速4 m/s)、大運量(1800 t/h)的技術特點，且對運行可靠性的要求很高，膠帶機布置簡圖見圖1(膠帶機從A點運行到B點，沿途共設8段曲線，曲線圓心分別為O1-8)。

圖1 膠帶機布置

長距離膠帶機運行阻力大，為有效地減小膠帶機沿線各點的膠帶張力，降低工程投資，保證設備運行可靠，應采用多點驅(qū)動型式驅(qū)動。該膠帶機采用“頭部雙驅(qū)動+尾部單驅(qū)動(帶制動)”方式驅(qū)動，驅(qū)動裝置布置型式見簡圖2。

表1 主要技術參數(shù)

圖2 膠帶機驅(qū)動裝置布置

3 設計計算方法

3.1 初步設計計算

初步設計時采用ISO5048國際標準進行計算，包括各種運行阻力，驅(qū)動功率和沿線各點張力的計算，并以此計算結(jié)果為依據(jù)進行總體方案布置和部件選型。

3.2 動態(tài)分析計算

再將輸送帶當作粘彈性體進行動態(tài)分析設計計算。動態(tài)分析就是將輸送帶按粘彈性體的力學性質(zhì)，綜合計入驅(qū)動裝置的啟制動特性、各運動體的質(zhì)量分布、線路各區(qū)段的坡度變化、各種運行阻力、輸送帶的初始張力等因素的作用，建立輸送帶粘彈性力學模型進行計算，并驗證了原計算參數(shù)和整機布置的合理性和可靠性。

4 膠帶機部件配置

4.1 驅(qū)動裝置

驅(qū)動系統(tǒng)是長距離膠帶機設計的關鍵環(huán)節(jié)，保證膠帶機的啟制動過程平穩(wěn)、可控，減小動態(tài)應力。該膠帶機采用具有可控啟制動功能的液粘性軟啟動裝置，控制膠帶機按理想的啟制動曲線(圖3)啟動和制動。其主要優(yōu)點：可減少啟動時的加速度，減小輸送帶及承載部件的動態(tài)載荷；啟動過程可通過控制器設置所需要的加速度曲線和起動時間；具有設定啟制動速度曲線自動跟蹤功能、過載保護功能、多機平衡功能，能夠提供理想的可控啟制動性能；具有傳動效率高、調(diào)速范圍寬等特點。

圖3 S型啟動曲線

4.2 滾筒

長距離膠帶機的滾筒承受的荷載較大，傳動滾筒滿足許用扭矩、許用合力要求，直徑選用同時滿足膠帶工作張力限制。改向滾筒選用滿足許用合力及包角條件下選用其型號。本機傳動滾筒直徑取φ1000 mm，所有傳動滾筒均采用重型鑄焊結(jié)構，輪轂與輪軸之間采用漲套聯(lián)接；改向滾筒根據(jù)負載情況，采用鑄焊結(jié)構和全焊結(jié)構，焊后整體退火；滾筒周向和縱向焊縫無損傷，輪轂的鑄造質(zhì)量經(jīng)磁粉或超聲波檢驗；滾筒表面膠層的形成方式為干式硫化鑄膠(傳動滾筒為陶瓷包膠)，膠面的物理機械性能均符合GB10595中的規(guī)定。

4.3 托輥

根據(jù)托輥靜、動載荷及壽命計算，托輥直徑選用φ159 mm；由于該系統(tǒng)膠帶機的張力大，膠帶自動糾偏能力強，上托輥設品字形槽形前傾托輥，下托輥設V形托輥，頭部和尾部分別布置5組螺旋清掃托輥。

對于該膠帶機，其主要阻力由托輥旋轉(zhuǎn)阻力和輸送帶運行阻力組成，計算表明，兩項占60%以上，因此提高托輥輥子的質(zhì)量尤為重要。托輥采用高性能的大滾珠、大游隙系列托輥專用軸承及高精度的密封圈，密封結(jié)構為非接觸式迷宮密封結(jié)構，密封通道內(nèi)注入高質(zhì)量的潤滑脂；輥皮采用托輥專用焊縫焊管，其園度等級和壁差均符合嚴格的ISO國際標準，在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的偏差非常低；輥輥體兩端與軸承座在專用焊機采用CO2氣體保護焊，這有效地保證了托輥的防水、防塵性能，降低了托輥旋轉(zhuǎn)阻力。

4.4 拉緊裝置

由于通廊具有較高的廊道立柱，膠帶機可采用垂直重錘拉緊方式，此種拉緊裝置的動態(tài)響應快且維護簡單，適用于長距離膠帶機。

4.5 清掃裝置

由于輸送的物料粘附性較強，含有一定的水份及粘土，故必須設置性能較好的清掃裝置。

本膠帶機是條長距離，大功率膠帶機，為保證設備正常運轉(zhuǎn)，延長膠帶的使用壽命，必須對膠帶加強維護，因此對本膠帶機設計了二級高分子刀片清掃器、空段清掃器、刮板清掃裝置等。

4.6 機架

所有鋼結(jié)構的制作鋼材均進行預處理，達到Sa2-1/2級；為便于機架轉(zhuǎn)運，所有大型機架均為可拆分結(jié)構，主機架采用有限元分析；通廊采用“一體化”結(jié)構，即中間架、支腿、托輥橫梁與絎架成一體構造，即減少通廊空間尺寸又節(jié)約用材，且提高了架體的抗振動能力。

4.7 膠帶

膠帶為鋼芯帶，鋼絲繩芯膠帶具有良好的承載性能和成槽性能，膠帶覆蓋層采用良好的防切割性、耐磨材料，膠帶表面無缺陷；膠帶的鋼芯采用有防銹鍍層的鋼絲繩，鋼絲繩為強度高、柔軟性好的產(chǎn)品，經(jīng)預張拉處理；膠帶的供貨長度為400 m/卷，使接頭數(shù)量最少并易于現(xiàn)場安裝。

4.8 平面轉(zhuǎn)彎部分

由于受自然地理位置限制，該膠帶機全程需設8個轉(zhuǎn)彎點，見膠帶機布置簡。平面轉(zhuǎn)彎膠帶機在曲線段受到輸送帶張力的作用下產(chǎn)生一個向心合力，使輸送帶產(chǎn)生向曲線內(nèi)側(cè)滑移的趨勢[1]。平面轉(zhuǎn)彎膠帶機的轉(zhuǎn)彎結(jié)構設計的關鍵是產(chǎn)生向曲線外側(cè)的導向力。平面轉(zhuǎn)彎膠帶機所采取的措施：內(nèi)曲線抬高、加大槽角、托輥設置前傾、曲線內(nèi)側(cè)面設置擋輥、設置壓帶裝置等[2]。

膠帶膠帶機共設有8處轉(zhuǎn)彎段，故需對每處轉(zhuǎn)彎曲線進行膠帶受力平衡、膠帶最大許用應力、外側(cè)膠帶不脫離托輥來校核轉(zhuǎn)彎曲率半徑[3]?？紤]整機制造上的一致性最終膠帶機轉(zhuǎn)彎承載段托輥采用深槽角60°四輥結(jié)構，回程段采用10°V形結(jié)構，內(nèi)曲線均采用可抬高調(diào)節(jié)(圖4)，每處轉(zhuǎn)彎曲線的起始段均設有過渡曲線，在過渡曲線段和凹弧轉(zhuǎn)彎段均設有壓帶輥(圖5)。

圖4 轉(zhuǎn)彎托輥結(jié)構

圖5 壓帶輥結(jié)構

4.9 保護裝置

為實現(xiàn)膠帶膠帶機全程監(jiān)控和集中控制性能，膠帶機兩側(cè)每隔50m設一對智能性拉繩開關，在頭部落料點、尾部接料點各設一對智能性跑偏開頭，并每隔400m設一對智能性跑偏開頭，尾部接料點前一組托輥處設A型、B型膠帶縱向防撕裂裝置各1套，接近頭部處設一組打滑檢測裝置，拉緊裝置處設二組行程限位開關。

5 膠帶機的啟動控制

正常情況下膠帶機停機前應將其上的物料卸空，以便下次可空載啟動。但是非正常停機時其上會有物料，再次啟動即可能為滿載啟動，因此啟動過程參數(shù)的確定以滿載啟動為準。

本機共設三套相同的驅(qū)動單元，頭部二套，尾部一套，每套驅(qū)動單元包括YKK500-4(560 kW)電動機，YNRQD450可控傳動裝置，電液控制組件，冷卻系統(tǒng)等。啟動過程為： ①在YNRQD450離合器脫開狀態(tài)，空載間隔啟動3臺電動機，時間間隔約10 s左右; ②啟動頭部二臺離合器，開始加速膠帶機，采用了S型曲線啟動(如圖3所示)，加速段時間約為20 s，使帶速達到額定值的10%，延遲段時間約10 s，在10%額定帶速下運行，然后開始加速，時間約為150 s，使之達到額定帶速，啟動過程大約180 s。

尾部YNRQD450離合器待該處張力達到一定值時方投入驅(qū)動狀況，以防止開始時低張力狀態(tài)下打滑，為此在該處設置了一個膠帶張力傳感器來進行監(jiān)視。

為了檢修膠帶機方便，膠帶機設置了驗帶速度V=0.6m/s，驗帶必須在空載下運行，只啟動頭部一套驅(qū)動裝置，啟動時間不小于30 s。

6 膠帶機的制動停機控制

停機有正常停機和緊急事故(或系統(tǒng)突然失電)停機兩種情況，由于停機過程的動態(tài)效應甚至大于啟動過程，因此應特別引起注意。本設計在尾部改向滾筒上設一組液壓盤式制動器用以協(xié)助完成停機過程的控制。

6.1 正常停機

正常停機前，首先停止尾部受料點給料。然后采用YNRQD450逐漸減速，減速大約持續(xù)150 s，待帶速降至額定帶速5%以下，尾部制動器上閘并最終實現(xiàn)停機。

6.2 緊急事故停機

安全保護裝置中的拉繩、撕裂、煙霧等一次傳感元件動作并發(fā)出信號時，視為緊急停機，此外系統(tǒng)突然失電也作為緊急停機工況處理。此時驅(qū)動電機斷電，YNRQD450離合器脫開，兩秒鐘后尾部制動器上閘制動停機，緊急停機時間約15 s。

7 結(jié)語

該項目原采用50臺自卸式汽車輸送砂石骨料到江邊碼頭，對沿途道路造成了嚴重的破壞并造成江邊公路交通堵塞，對周邊環(huán)境也造成較大的污染；采用長距離膠帶機輸送很好地解決了上述問題，也大大降低了砂石骨料的輸送成本(該項目原汽車輸送物料到江邊碼頭的運輸費用達7元/t，現(xiàn)采用長距離膠帶機運輸費用不足3元/t)。長距離膠帶機作為散裝物料輸送設備，其低廉的運輸成本和良好的經(jīng)濟效益在該項目得到了充分驗證，是一種很好的節(jié)能降耗、綠色環(huán)保輸送設備。

[1]宋偉剛. 散狀物料膠帶機設計[M].沈陽：東北大學出版社，2002：276～280.

[2]孫可文.膠帶機械的傳動理論與設計計算[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991：14～217.

[3]孫可文.膠帶機械的傳動理論與設計計算[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991：217～229.

2016-07-26

曹彥斌(1973—)，男，高級工程師，主要從事膠帶機特別是長距離、大運量膠帶機的設計開發(fā)工作。

TH13

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1674-9944(2016)18-0183-02