地下長距離曲線帶式輸送機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計與應(yīng)用

郭 子 晗， 李 松

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081 )

1 概 述

近年來，長距離帶式輸送系統(tǒng)以其具有的能連續(xù)運行、運行可靠、輸送能力大、運行成本低、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在砂石、煤炭、冶金、電力、化工、礦山、港口、建材、糧食等領(lǐng)域，在生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用。而水電工程選址多在高山峽谷，其地形條件復(fù)雜，周邊建筑物密集，線路選擇受限，為適應(yīng)布置條件，需考慮采用地下隧洞內(nèi)的布置方案。但在線路和斷面形式的選擇、驅(qū)動方式及設(shè)備布置、通訊系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、電氣自動化控制方案等諸多問題相互獨立，又彼此制約，共同影響到長距離帶式輸送系統(tǒng)的設(shè)計和后期的安全可靠運行。筆者結(jié)合楊房溝工程帶式輸送系統(tǒng)在設(shè)計、運行中遇到的問題以及采取的解決方案，介紹了地下長距離帶式輸送機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用。

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)，該工程地形條件復(fù)雜，開采石料場與砂石加工系統(tǒng)距離壩址較遠(yuǎn)，砂石系統(tǒng)加工所需的半成品石料和加工生產(chǎn)的成品料均采用帶式輸送機(jī)運輸。半成品、成品料輸送線布置情況見圖1。

2 線路選擇及布置

圖1 半成品、成品料輸送線布置圖

長距離帶式輸送機(jī)線路長、功率大，線路設(shè)計關(guān)系到輸送機(jī)總體的經(jīng)濟(jì)性和后期運行的可靠性。長距離帶式輸送機(jī)線路選擇的目的是在線路起點與終點間選出一條全面符合建設(shè)要求的線路路徑。路徑的選擇應(yīng)對線路運行、安全、經(jīng)濟(jì)、合理、施工方便等因素進(jìn)行全面考慮、綜合比較。線路方案合理與否直接影響到設(shè)計質(zhì)量和后期運行。

在楊房溝工程長距離帶式輸送系統(tǒng)總體方案布置上，技術(shù)人員充分利用現(xiàn)場地形特點，對線路布置方案進(jìn)行了多次優(yōu)化。半成品輸送線由3條帶式輸送機(jī)組成，總長度為3.95 km。A1膠帶機(jī)布置在料場豎井底部的粗碎車間卸料端，為短距離膠帶機(jī)，主要滿足在卸料段出現(xiàn)故障時能緊急停機(jī)，以減小其對長距離膠帶機(jī)運行的影響，同時調(diào)整角度，增大A2曲線長距離膠帶機(jī)的曲率半徑。A2膠帶機(jī)沿線經(jīng)過楊房溝、滴水崖溝，采用空間曲線布置，全線布置在隧洞內(nèi)，在楊房溝附近設(shè)置曲線轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑為5 500 m。為避讓楊房溝、滴水崖溝對輸送線路的影響，在滿足隧洞排水坡度要求的前提下，全程小角度上運或下運。膠帶機(jī)在隧洞斷面布置方案上，平衡考慮土建施工費用和膠帶機(jī)后期運行維護(hù)的需求，采取了經(jīng)濟(jì)合理的斷面形式，為結(jié)合布置成品料帶式輸送機(jī)，A2隧洞斷面凈空尺寸按兩種形式布置，其中Ⅰ型為4.5 m(寬)×4 m(高)，長度為2.56 km，布置半成品料輸送機(jī)，Ⅱ型為6.5 m(寬)×4 m(高)，長度為1.2 km，平行布置半成品料A2及成品料帶式輸送機(jī)。

為適應(yīng)地形、避免供料線對卡楊專用公路的影響和避讓周邊建筑，半成品輸送線采用全隧洞布置方案，在布置上盡量遠(yuǎn)離江邊沿山坡布置，隧洞圍巖條件相對均勻、穩(wěn)定，既減少了隧洞支護(hù)工程量，又能保證施工進(jìn)度；為方便運行管理，節(jié)省土建費用，成品料輸送線與半成品輸送線采用共用隧洞的布置方案，利用半成品、成品輸送線轉(zhuǎn)料環(huán)節(jié)局部擴(kuò)挖集中布置電控驅(qū)動站，以提高電控系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，同時減少了隧洞開挖支護(hù)量并滿足轉(zhuǎn)料站的結(jié)構(gòu)布置和安裝要求。半成品輸送線采用空間曲線膠帶機(jī)布置方案，能夠滿足空間轉(zhuǎn)角和系統(tǒng)排水要求，同時優(yōu)化了半成品輸送線運行工況，提高了運行的可靠性，節(jié)約了后期運行管理成本。

3 驅(qū)動方式的選擇

驅(qū)動方式的選擇受地形、帶寬、運量、膠帶等多個因素的同時影響，方案設(shè)計時應(yīng)有針對性地考慮最佳驅(qū)動方案。對于長度在3 km 以內(nèi)的輸送機(jī)，一般采用頭部集中驅(qū)動；對于長度在5 km 以上的輸送機(jī)，則采用頭尾驅(qū)動較多。單機(jī)長度超過10 km 時，一般會考慮中間轉(zhuǎn)載驅(qū)動的方案。由于帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動種類較多，根據(jù)傳動原理和結(jié)構(gòu)特點的不同，將現(xiàn)有的驅(qū)動裝置分成變頻調(diào)速、液力耦合器傳動、直流電動機(jī)調(diào)速、液體粘性離合器傳動、液壓馬達(dá)驅(qū)動、交流電動機(jī)軟起動和差動變頻無級調(diào)速等。帶式輸送機(jī)的負(fù)載是一種恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，運行過程中往往不可避免地要帶重負(fù)荷啟動或制動，因此驅(qū)動裝置的性能非常關(guān)鍵。

楊房溝工程長距離帶式輸送系統(tǒng)采用變頻軟起動方案，其運行效果滿足大型帶式輸送機(jī)軟啟動及調(diào)速的性能要求。采用變頻驅(qū)動方式具有以下優(yōu)點：變頻器的加、減速曲線可以在寬廣范圍內(nèi)設(shè)定，能滿足控制帶式輸送機(jī)加速度和減速度的要求，變頻調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性基本與電動機(jī)的固有特性相同，使用開環(huán)系統(tǒng)控制帶式輸送機(jī)的驅(qū)動可以滿足技術(shù)要求。變頻調(diào)速的調(diào)速精度高，易于實現(xiàn)啟、制動速度曲線的自動跟蹤，能夠提供可控、理想的啟、制動性能，適用于長距離、線路復(fù)雜的帶式輸送機(jī),可以控制輸送機(jī)按設(shè)定 的“S”曲線啟動和制動，以滿足整機(jī)動態(tài)穩(wěn)定性及可靠性要求。變頻調(diào)速驅(qū)動裝置還可以滿足低速驗帶運行要求。當(dāng)用多臺變頻調(diào)速電動機(jī)驅(qū)動一臺帶式輸送機(jī)時，通過變頻器調(diào)整各電動機(jī)的特性使之盡量接近，以減小各電動機(jī)間負(fù)載功率的差異；能實現(xiàn)軟啟動，電機(jī)啟動對電網(wǎng)的沖擊小，能減少供配電系統(tǒng)設(shè)備的投入。

變頻驅(qū)動方案總體減少了驅(qū)動裝置的尺寸和重量，節(jié)約了場地空間，軟起、制動的加減速度可控制在α≤0.05 m/s2，將電機(jī)的啟動電流和輸送帶的起動張力控制在允許范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)平穩(wěn)啟動、停機(jī)和運行?？梢詫崟r根據(jù)運量情況調(diào)節(jié)帶速，節(jié)能運行，解決工程對系統(tǒng)運行要求存在的生產(chǎn)能力不平衡的問題，同時達(dá)到很好的保護(hù)輸送機(jī)系統(tǒng)及延長輸送機(jī)系統(tǒng)壽命的目的。

4 曲線膠帶的糾偏

長距離膠帶機(jī)一般會根據(jù)現(xiàn)場地形設(shè)置曲線轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑的選擇應(yīng)根據(jù)計算確定。選取轉(zhuǎn)彎半徑的一個原則是：只要現(xiàn)場條件允許，轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)盡量取大一些。轉(zhuǎn)彎段與直線膠帶機(jī)不同，轉(zhuǎn)彎膠帶機(jī)在曲線段受到膠帶張力S的作用產(chǎn)生一個向心合力F，使膠帶產(chǎn)生向曲線內(nèi)側(cè)滑移的趨勢。平面轉(zhuǎn)彎膠帶機(jī)轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是產(chǎn)生向曲線外側(cè)的導(dǎo)向力來抵消向心合力F。當(dāng)膠帶偏移量達(dá)到帶寬5%時，必須進(jìn)行糾偏，否則輸送帶將越跑越偏。據(jù)統(tǒng)計，輸送帶的損壞有30%以上是因跑偏磨損而報廢，跑偏量過大會造成膠帶磨損、撒料、縮短膠帶的使用壽命、增加設(shè)備維護(hù)和衛(wèi)生清理工作量，跑偏嚴(yán)重時，會使膠帶刮破及撕裂、直接影響到安全生產(chǎn)并帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，有效地防止和快速調(diào)整輸送帶跑偏是長距離曲線帶式輸送機(jī)應(yīng)注意和需要解決的重要問題之一。楊房溝工程長距離帶式輸送系統(tǒng)曲線段采用了以下技術(shù)措施：(1)內(nèi)曲線抬高。將上下托輥內(nèi)曲線適當(dāng)抬高，通過調(diào)整鉸接托輥支架與縱梁連接的支座予以實現(xiàn)。(2)托輥設(shè)置前傾。膠帶和托輥產(chǎn)生摩擦力，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦導(dǎo)向力。在不同的工況下，膠帶的張力不能保持為恒定值，因而在設(shè)置托輥前傾時，將內(nèi)托輥提供的前傾力設(shè)為導(dǎo)向力，而外托輥產(chǎn)生向心力。(3)加大槽角。楊房溝工程膠帶機(jī)曲線段上托輥采用45°托輥。(4)曲線內(nèi)側(cè)面設(shè)置擋輥并在帶面設(shè)置壓帶輥：設(shè)置擋輥和壓帶輥的目的是為了當(dāng)采用前面的措施不能完全防止膠帶向內(nèi)偏移的強(qiáng)制措施。

上述措施在工程中的應(yīng)用，起到了很好的糾偏效果。由于膠帶機(jī)運輸量、運輸速度等工況的改變，使膠帶跑偏變化較大。在運行過程中，需對各運行工況轉(zhuǎn)彎部位膠帶狀況進(jìn)行分析并進(jìn)行相應(yīng)的試驗和數(shù)據(jù)收集，歸納出糾偏托輥水平角度及垂直角度具體的調(diào)整參數(shù)和相應(yīng)的糾偏方法。

5 多站電氣自動化控制設(shè)計

大型帶式輸送系統(tǒng)具有設(shè)備功率大、數(shù)量多、布置分散、跨越距離遠(yuǎn)、保護(hù)裝置多的特點，控制系統(tǒng)通過設(shè)置一個主操作控制站、多個從操作控制站的方式予以控制，各控制站能根據(jù)區(qū)域設(shè)備的布置特點將電氣設(shè)備控制裝置就近分散布置在各控制站內(nèi)，每座控制站配置有相應(yīng)設(shè)備的電氣控制裝置、通訊裝置，人機(jī)自動化控制操作界面，實現(xiàn)該區(qū)域設(shè)備的自動化控制及信息管理。系統(tǒng)各操作站和現(xiàn)場設(shè)備通過現(xiàn)場總線、光纖通訊技術(shù)組建可靠、快速的通訊網(wǎng)絡(luò)，將各控制站整合為一體以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制。

楊房溝工程帶式輸送系統(tǒng)采用多站控制技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備的布置設(shè)置了6座控制站，其中2#站為控制主站，1#、3#、4#、5#、6#站為控制分站，每座控制站由PLC和工業(yè)光纖以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線組成控制網(wǎng)絡(luò)，完成系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備、保護(hù)裝置的全工作過程的監(jiān)控、監(jiān)測，構(gòu)成一個完善的監(jiān)控系統(tǒng)。電氣設(shè)備控制裝置就近分散布置在各控制站內(nèi)，每座控制站配置有相應(yīng)設(shè)備的電氣控制裝置、通訊裝置，系統(tǒng)人機(jī)自動化控制操作界面。系統(tǒng)控制主要采用PLC+變頻軟起動控制技術(shù)，系統(tǒng)各操作站和現(xiàn)場設(shè)備通過現(xiàn)場總線、光纖通訊技術(shù)組建可靠、快速的通訊網(wǎng)絡(luò)，將各控制站整合為一體并采用人機(jī)操作界面用以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制。

多站自動化控制系統(tǒng)適應(yīng)長距離帶式輸送系統(tǒng)自動化控制要求，具有自動化程度高、綜合信息管理便捷等優(yōu)點，可大量節(jié)約安裝成本，減少維護(hù)工作量，提高系統(tǒng)運行的可靠性，尤其是對提高運行管理水平具有重要作用。

6 結(jié) 語

楊房溝工程地下隧洞長距離曲線帶式輸送機(jī)結(jié)合類似工程的運行經(jīng)驗，在設(shè)計中綜合考慮線路布置、現(xiàn)場安裝、運行維護(hù)、電氣控制、通訊、信號系統(tǒng)等解決方案，系統(tǒng)投入運行后，運行狀況良好，能夠保證系統(tǒng)可靠、連續(xù)運行生產(chǎn)。由于目前對生產(chǎn)系統(tǒng)的運行管理日趨智能化，對其自動化程度及智能化管理水平的要求越來越高，各工程需結(jié)合輸送機(jī)的設(shè)計方案研發(fā)智能化控制管理系統(tǒng)，智能協(xié)同、動態(tài)控制和調(diào)節(jié)設(shè)備運行參數(shù)，實現(xiàn)管理過程的智能化和信息化，提高整機(jī)自動化水平，進(jìn)一步降低運行成本。