帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載溜槽的種類及其選擇

胡成功，孫 曉，宋偉剛

1神華北電勝利能源有限公司 內(nèi)蒙古錫林浩特 026000 2中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司 遼寧沈陽 110015 3東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 遼寧沈陽 110819

在散料輸送與裝卸過程中必然存在物料的轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)載設(shè)計(jì)研究得到了廣泛的關(guān)注。轉(zhuǎn)載設(shè)計(jì)需要考慮的問題主要包括：物料的匯集與分流；控制料流的路徑以產(chǎn)生最小的沖擊、磨損、撒料和粉塵現(xiàn)象；避免輸送物料的蛻化 (指物料的破碎或混合其他種類物料，造成產(chǎn)品品質(zhì)下降和塊度變小)；確保物料卸載至帶式輸送機(jī)中心，并與帶式輸送機(jī)運(yùn)行方向一致且具有接近的速度；確保料流連續(xù)，不在溜槽中阻塞；控制轉(zhuǎn)載速度，以減緩粉塵的生成；轉(zhuǎn)載溜槽的容積可以滿足正常工作，包括滿載啟動(dòng)和停機(jī)等情況。

有關(guān)轉(zhuǎn)載溜槽的設(shè)計(jì)與應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，1991 年和 1992 年在南非召開了兩次溜槽設(shè)計(jì)會(huì)議，涉及溜槽設(shè)計(jì)、料流軌跡、物料逃逸、設(shè)計(jì)實(shí)例、控制物料蛻化、襯板選擇及溜槽存在問題等內(nèi)容。近年來，由于 FEM、DEM、CFD 等軟件的應(yīng)用，轉(zhuǎn)載溜槽的研究也成為熱點(diǎn)之一，國內(nèi)雖然發(fā)表了一些轉(zhuǎn)載溜槽的論文，但大多是針對具體工程項(xiàng)目所存在的問題進(jìn)行改進(jìn)，缺乏系統(tǒng)性。葉濤等人以工程轉(zhuǎn)載系統(tǒng)實(shí)例為研究對象，采用 DEM 仿真方法進(jìn)行了轉(zhuǎn)載站的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[1]。趙瓊等人通過帶式輸送機(jī)卸料軌跡的計(jì)算和實(shí)際使用中存在的問題，對轉(zhuǎn)載漏斗進(jìn)行了改進(jìn)[2]。

本文是帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載溜槽設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究系列之一，主要涉及轉(zhuǎn)載溜槽的概念及其應(yīng)用場合，對現(xiàn)有轉(zhuǎn)載溜槽的種類、特點(diǎn)及選用進(jìn)行分析，以期為轉(zhuǎn)載溜槽的設(shè)計(jì)選用提供參考。有關(guān)轉(zhuǎn)載溜槽的設(shè)計(jì)計(jì)算方法將另文討論。

1 轉(zhuǎn)載溜槽的定義及其設(shè)計(jì)原則

牛津字典中的溜槽定義為“用于將物品轉(zhuǎn)載到較低高度的傾斜通道或滑道”，轉(zhuǎn)載溜槽涉及輸送機(jī)之間的轉(zhuǎn)載，散料的堆、取以及工藝要求等很多方面[3]。

幾乎所有的散狀固體物料處理過程都使用溜槽，如果其設(shè)計(jì)和維護(hù)不當(dāng)，會(huì)造成系統(tǒng)每年的停機(jī)時(shí)間多達(dá) 12～16 周，一個(gè)轉(zhuǎn)載溜槽的維護(hù)費(fèi)用多達(dá)上百萬元。在轉(zhuǎn)載溜槽的使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)的問題包括：給料區(qū)物料湍流，給料不對中造成輸送帶跑偏，裙板密封不良，緩沖托輥的快速損壞，裙板高度、長度不足導(dǎo)致的撒料、粉塵溢出，物料蛻化造成煤、焦炭、糧食顆粒等物料破碎，溜槽、輸送帶磨損嚴(yán)重，大塊物料造成輸送帶損壞、磨損，物料堆積堵塞，溜槽和裙板的結(jié)構(gòu)支撐缺陷，加載到過渡段、結(jié)構(gòu)件的腐蝕等等。這些問題的根源在于轉(zhuǎn)載溜槽的設(shè)計(jì)缺陷。

針對上述問題 Stuart-Dick 和 Royal 歸納了散狀物料轉(zhuǎn)載溜槽的 6 條設(shè)計(jì)原則[4]，Roberts[5]也提出了設(shè)計(jì)中需要考慮的問題，歸納如下。

(1)避免在沖擊點(diǎn)堵塞 要求卸料滾筒到溜槽沖擊點(diǎn)間要有足夠的距離，以避免物料沖擊到溜槽后反彈造成物料向上運(yùn)動(dòng)，溜槽要保證有足夠的傾斜角度，在鐵礦石行業(yè)普遍要求最小傾斜角度為 65°～70°，設(shè)計(jì)規(guī)范為 55°以上。

(2)確保足夠的截面 一般要求落料管截面為轉(zhuǎn)載物料所占截面的 3～4 倍。這里存在一對矛盾：截面越大，料流通過越順暢，不易產(chǎn)生堵料；而過大的截面又導(dǎo)致料流發(fā)散，造成更大的粉塵問題，需折中考慮。

(3)控制顆粒流 控制料流相對集中，一般要求物料經(jīng)過上部導(dǎo)流板后垂直下落，并且保證給料到受料輸送機(jī)上應(yīng)對中給料，避免由于物料偏載引起的輸送帶跑偏和撒料問題。

(4)盡量減小溜槽表面摩擦 為了保證料流順暢，一般要求溜槽表面光滑。由于物料經(jīng)過溜槽時(shí)會(huì)對襯板產(chǎn)生磨損，襯板表面經(jīng)過摩擦后會(huì)趨于光滑，因而一些設(shè)計(jì)要求襯板安裝前需做拋光處理，以保證新安裝的襯板和物料的摩擦保持不變。

(5)控制粉塵生成 控制粉塵主要是保持物料與溜槽面接觸，使料流集中，保證較小的沖擊角度，物料通過溜槽時(shí)盡量保持穩(wěn)定的速度，給料到受料輸送機(jī)上時(shí)與輸送帶運(yùn)行方向一致，速度接近帶速。

(6)控制物料蛻化 對于易于破碎的物料，需要控制料流的速度，盡量降低物料間的碰撞。

上述設(shè)計(jì)原則有的存在相互制約的問題，而避免轉(zhuǎn)載溜槽堵料是首要問題，因?yàn)槎氯馕吨D(zhuǎn)載溜槽的功能失效。

2 轉(zhuǎn)載溜槽的類型

轉(zhuǎn)載物料種類繁多，包括很細(xì)的氧化鋁粉，大塊的或塊度差較大的原礦，流動(dòng)性好的糧食，流動(dòng)性差的黏濕物料，磨琢性強(qiáng)的鐵、銅礦石和球團(tuán)等。不同類型的物料及不同的工藝條件需要不同結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)載溜槽，例如配料時(shí)的復(fù)雜溜槽，料倉、料斗堆料溜槽，安裝有采樣器的采樣溜槽，卸料車上的溜槽，條篩下的堆取料機(jī)、分叉溜槽，向振動(dòng)給料機(jī)、板式給料機(jī)給料的溜槽[6]等。

由于早期的帶式輸送機(jī)輸送量小且?guī)佥^低，大多數(shù)是將物料直接卸料到轉(zhuǎn)載溜槽的漏斗中。隨著輸送量及帶速的增加，溜槽的磨損和堵塞問題日益突出。20 世紀(jì) 60 年代提出了巖箱形溜槽的概念 (Rock Box，俗稱料打料)，當(dāng)人們注意到出現(xiàn)物料的蛻化和粉塵問題后，將導(dǎo)流板和曲線溜槽引入到轉(zhuǎn)載系統(tǒng)中，曲線溜槽的概念已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。針對轉(zhuǎn)載溜槽的粉塵抑制問題，由于采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行除塵，又造成更多的粉塵，因而又提出了無動(dòng)力抑塵的概念和工程應(yīng)用。下面討論各種轉(zhuǎn)載溜槽的特點(diǎn)與應(yīng)用條件，為轉(zhuǎn)載溜槽的選擇提供參考。

2.1 導(dǎo)流板和曲線溜槽

導(dǎo)流板和曲線溜槽是由格蘭斯通港務(wù)局的 Alan Huth 設(shè)計(jì)和開發(fā)的，最初用于改善港口裝船。之所以稱為導(dǎo)流板和曲線溜槽是因?yàn)樵诹锊垌敳垦b有一個(gè)拋物線形狀的碟形罩導(dǎo)流板，底部裝有一個(gè)類似勺子的溜槽 (見圖 1)[6]。由于設(shè)計(jì)原理來自流體力學(xué)，將散狀固體物料流看作流體，設(shè)計(jì)者試圖首先將物料流導(dǎo)流到垂直方向，然后控制引導(dǎo)物料通過轉(zhuǎn)載溜槽給料到受料輸送機(jī)上。由于其對料流的良好控制，有利于減少誘導(dǎo)空氣并降低粉塵的生成，理論上無動(dòng)力抑塵轉(zhuǎn)載應(yīng)該采用此類轉(zhuǎn)載溜槽。

圖1 導(dǎo)流板和曲線溜槽Fig.1 Hood and scoop chute

這種轉(zhuǎn)載溜槽盡管已在煤炭工業(yè)以外行業(yè)廣泛使用，但卻存在以下問題：

(1)與任何其他類型的轉(zhuǎn)載相比，它更依賴于精確的工程設(shè)計(jì)，尤其是在軌跡計(jì)算方面。許多失敗或性能不佳的例子都是由于工程設(shè)計(jì)不正確導(dǎo)致的。

(2)兩個(gè)導(dǎo)流板部件容易磨損，因此在處理磨琢物料時(shí)，導(dǎo)流板的壽命可能是一個(gè)嚴(yán)重的問題。

(3)如果下落高度過大 (超過 5 m)，控制物料速度就顯得尤為重要。

(4)由于設(shè)計(jì)依賴于流體流動(dòng)控制，因此襯板材料的表面粗糙度將影響轉(zhuǎn)載性能，當(dāng)處理可能阻礙轉(zhuǎn)載的黏濕性材料時(shí)，應(yīng)慎重考慮。

2.2 撞擊或沖擊板

撞擊或沖擊板使物料撞擊其表面并改變流動(dòng)方向，這是最早的改變料流方向的轉(zhuǎn)載方式。這種方法造成在沖擊時(shí)垂直于沖擊板的速度分量被耗散，使物料垂直或接近垂直地落到受料帶式輸送機(jī)上。使用沖擊板可能會(huì)導(dǎo)致某些產(chǎn)品的蛻化，還會(huì)產(chǎn)生粉塵和噪聲，并使物料在受料輸送機(jī)的裙邊周圍溢出。

沖擊板易受塊料的磨蝕及沖擊磨損 (某些礦物的細(xì)粒組分可能有很強(qiáng)的磨琢性)，需要特別注意選擇合適的材料作為沖擊板的襯板，盡管如此，襯板的使用壽命可能非常短。這種類型轉(zhuǎn)載的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，價(jià)格便宜且易于設(shè)計(jì)及建造。

2.3 導(dǎo)流板

導(dǎo)流板實(shí)際上是沖擊板的擴(kuò)展，或更準(zhǔn)確地說是沖擊板的自然演變。隨著輸送機(jī)速度的增加，物料可能從沖擊板的表面反彈，在轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)產(chǎn)生不受控制的物料流，繼而導(dǎo)致在受料輸送機(jī)上的不良承載，并因此造成跑偏問題。正是出于這些考慮，對沖擊板進(jìn)行了修改，使沖擊板成為導(dǎo)流板，從而控制輸送頂端的物料流。設(shè)計(jì)導(dǎo)流板的關(guān)鍵是要了解物料軌跡，并隨之進(jìn)行調(diào)整，因此最早的導(dǎo)流板是由現(xiàn)場工程師設(shè)計(jì)和建造的，以解決現(xiàn)場轉(zhuǎn)載中出現(xiàn)的問題。

2.4 巖箱

巖箱用來吸收與處理大塊礦石帶來的高能量沖擊，以免損壞產(chǎn)品或?qū)е率芰陷斔蛶毫选ＫO(shè)計(jì)成開放箱式的巖石壁架，使得礦石可以流入巖箱并且當(dāng)它填充時(shí)溢出才會(huì)到受料輸送機(jī)上。一些早期設(shè)計(jì)是清空巖箱中礦石，而現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)計(jì)都是在巖箱中裝滿礦石，以礦石自身作為沖擊或磨損的表面 (有時(shí)稱為自生巖箱——料打料)。為了使物料保留在巖箱中，巖箱的前開口處有一個(gè)小的凸緣。35°～45°之間的來料將呈現(xiàn)一個(gè)自然堆積角，礦石從該表面開始導(dǎo)流到受料輸送機(jī)上。存在問題：由于物料流通過轉(zhuǎn)載站時(shí)速度顯著減慢，因此會(huì)限制輸送機(jī)能力；當(dāng)帶速超過 2.5 m/s，必須注意轉(zhuǎn)載能力與輸送量相匹配；會(huì)產(chǎn)生物料的蛻化，造成粉塵和噪聲問題；當(dāng)處理黏濕物料時(shí)容易阻塞，因此需要定期清理；產(chǎn)品落在受料輸送機(jī)上的水平速度很小或沒有，必須通過受料輸送機(jī)來進(jìn)行加速，因而增加了輸送帶的磨損。

2.5 螺旋溜槽

螺旋溜槽 (見圖 2)用于限制溜槽底部的出口速度，這種溜槽在物料處理行業(yè)很常見。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確保螺旋的下滑傾角大于物料的自然堆積角，使物料保持螺旋下來的動(dòng)量，同時(shí)允許物料和螺旋溜槽表面產(chǎn)生摩擦，使物料在整個(gè)轉(zhuǎn)載中得到完全引導(dǎo)。缺點(diǎn)有：所處理的物料必須相對自由流動(dòng)，黏性物料會(huì)迅速阻塞螺旋；螺旋可分離物料中的塊料和細(xì)料，細(xì)粒傾向于減速并流向螺旋的側(cè)面，而塊狀物傾向于加速并在螺旋溜槽中心運(yùn)動(dòng)；如果存在自由水，物料可能會(huì)以不受控制的方式向下流動(dòng)；由于物料流動(dòng)的導(dǎo)向特性，襯板磨損是一個(gè)問題；對于沒有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師來說，設(shè)計(jì)成本相對較高，建造成本相對較低，但維護(hù)成本很高。落差高度應(yīng)適中，特別是物料給料速度較低時(shí)，如果速度更快則需要更高的高度；如果物料以傾斜角度重新定向，則高度也會(huì)增加。由于不會(huì)像瀑布溜槽那樣使物料流速變慢，因此所需的高度通常在瀑布溜槽、導(dǎo)流板和曲線溜槽之間。

圖2 螺旋溜槽Fig.2 Screw chute

2.6 倉式下降溜槽

如圖 3 所示，從帶式輸送機(jī)卸下的物料沿直的、傾斜的、反向的導(dǎo)料溜槽下滑到料倉，確保物料在料倉的傾斜面上滑到靠近料倉的底部位置，物料離開溜槽后堆成錐形[7]。傾斜溜板與水平面的夾角必須比物料的安息角大 10°～15°，物料才能在沿溜槽快速向下滑動(dòng)與倉壁或料倉的物料相遇時(shí)不會(huì)揚(yáng)塵。這種倉式下降溜槽能消除揚(yáng)塵，并將料倉裝滿至其有效容積，在一定程度上避免物料在向料倉堆料時(shí)的物料分級(jí)。

圖3 倉式下降溜槽Fig.3 Bin-typed descent chute

2.7 積料階梯

許多規(guī)范規(guī)定帶式輸送機(jī)向料堆輸送石塊時(shí)不允許石塊碎裂和生成巖石粉，成功的作法是在帶式輸送機(jī)卸料點(diǎn)下面安設(shè)一個(gè)積料階梯 (見圖 4)，實(shí)際上積料階梯是帶有許多隔板的鋼 (或木)塔架。從帶式輸送機(jī)卸下來的物料自由降落的高度不能大于 2 m。如果物料是重質(zhì)的磨損性物料，隔板可以布置成積料箱形狀，但不能用于可燃性物料輸送，如粉塵煤。

2.8 瀑布溜槽

圖4 積料階梯Fig.4 Material-accumulating ladder chute

由南非 M＆J 工程公司設(shè)計(jì)的 WEBA ChuteTM是最廣泛使用的瀑布溜槽，其壁架類似于小巖箱。WEBA 品牌源自 Werner Baller 的名字和姓氏[8]，WEBA 轉(zhuǎn)載系統(tǒng)可處理轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)的散狀物料，物料流通過瀑布溜槽從一個(gè)溜槽落到另一個(gè)溜槽，就像瀑布一樣。瀑布溜槽為巖箱結(jié)構(gòu)的變形，因?yàn)樗怯啥鄠€(gè)壁架而不是一個(gè)或兩個(gè)壁架組成 (見圖 5)。瀑布溜槽有 2 種用途：一種用于控制通過轉(zhuǎn)載站的物料速度；另一種用于推動(dòng)礦石流中的礦石，因此在處理高磨蝕性物料時(shí)大大延長了維護(hù)周期。Donohue[9]分析的 WEARBACK (防背板磨損)溜槽 (見圖 6)類似于WEBA[10]，所不同的是，耐磨襯板作為壁架設(shè)置在沖擊板上。

圖5 瀑布溜槽Fig.5 Cascade chute

2.9 伸縮式溜槽

圖6 WEARBACK 溜槽 DEM 仿真Fig.6 DEM simulation of WEARBACK chute

最廣為人知的伸縮式溜槽是由英國的 Cleveland Cascades Ltd[11]設(shè)計(jì)的，圖 7 所示為其基本設(shè)計(jì)。這種溜槽內(nèi)部是由多個(gè)可調(diào)角度的漏斗級(jí)聯(lián)起來，以控制料流的落料速度，其外側(cè)采用可伸縮的護(hù)罩進(jìn)一步避免粉塵的逃逸。伸縮段通常由鋼絲繩與一臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)相聯(lián)接，卷揚(yáng)機(jī)將伸縮段陸續(xù)地提升起來，使溜槽底部與儲(chǔ)料堆頂部保持一段距離。使用伸縮式溜槽可將粉塵減少到最低限度，廣泛用于裝船和堆料，盡管價(jià)格相對昂貴，但是鑒于它是針對特定的應(yīng)用開發(fā)的，因此在粉塵和物料蛻化的情況下應(yīng)予以考慮。從實(shí)際使用情況看，特別適用于化肥、氧化鋁粉和煤炭等易產(chǎn)生粉塵的物料轉(zhuǎn)載。

圖7 Cleveland 伸縮式溜槽Fig.7 Cleveland cascade chute

2.10 復(fù)雜轉(zhuǎn)載溜槽

當(dāng)在一個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)有多個(gè)給料或受料輸送機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)載難度更大，在很多實(shí)例中，可能有一個(gè)給料輸送機(jī)為二三個(gè)甚至多個(gè)受料輸送機(jī)供料，這時(shí)上面溜槽要增加閘門或轉(zhuǎn)向料斗，才能將料流導(dǎo)到下面的溜槽上，相應(yīng)地也需要分流裝載，同時(shí)轉(zhuǎn)載到幾條輸送機(jī)上，或者在輸送系統(tǒng)運(yùn)行過程中在輸送機(jī)間開閉 (在線分流和在線開閉)，這種情況不能使用傳統(tǒng)的閘門，而采用轉(zhuǎn)向料斗是較好的解決方案 (見圖 8)。盡管復(fù)雜轉(zhuǎn)載溜槽存在多個(gè)轉(zhuǎn)載路徑，但各個(gè)轉(zhuǎn)載路徑的基本構(gòu)成與前面介紹的溜槽結(jié)構(gòu)相同。

圖8 復(fù)雜的分叉漏斗Fig.8 Complex branching chute

3 各種溜槽的對比及故障原因分析

根據(jù)以上所分析的各種溜槽的特點(diǎn)，將各種溜槽性能對比如表 1 所列，可作為選用轉(zhuǎn)載溜槽時(shí)的參考。

轉(zhuǎn)載溜槽可能出現(xiàn)的故障很多，參考文獻(xiàn) [6]給出了故障和可能的原因快速查找指南，如表 2 所列。

4 結(jié)語

對轉(zhuǎn)載溜槽的定義和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了介紹，分析了轉(zhuǎn)載溜槽的結(jié)構(gòu)型式和特點(diǎn)，對比了各種轉(zhuǎn)載溜槽的成本、維護(hù)費(fèi)用、適用帶速和物料種類、控制料流能力、卸料高度及設(shè)計(jì)復(fù)雜度等方面。盡管導(dǎo)流板和曲線溜槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用較高，但在轉(zhuǎn)載站的適用性方面具有優(yōu)勢，特別是在轉(zhuǎn)載站要求較高的情況下可以采用；沖擊板為導(dǎo)流板的簡化形式，在一些導(dǎo)流要求不高的情況下可以使用；瀑布溜槽和WEARBACK 溜槽適合磨琢性物料的轉(zhuǎn)載。在設(shè)計(jì)選擇轉(zhuǎn)載溜槽時(shí)可參考表 1，轉(zhuǎn)載溜槽故障的快速查找指南可用于轉(zhuǎn)載溜槽的故障分析與維護(hù)。

表1 各種型式轉(zhuǎn)載溜槽的對比Tab.1 Comparison of various transfer chutes

表2 快速故障查找指南[6]Tab.2 Quick troubleshooting guide