武穴東南礦業(yè)長(zhǎng)距離曲線膠帶機(jī)設(shè)計(jì)探討

曹彥斌

(衡陽運(yùn)輸機(jī)械有限公司， 湖南 衡陽 421002)

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武穴東南礦業(yè)長(zhǎng)距離曲線膠帶機(jī)設(shè)計(jì)探討

曹彥斌

(衡陽運(yùn)輸機(jī)械有限公司， 湖南 衡陽 421002)

針對(duì)長(zhǎng)距離曲線膠帶機(jī)在武穴東南礦業(yè)砂石輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用，探討了該膠帶機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)、整機(jī)總體布置、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、主要部件的配置、啟制動(dòng)控制等。指出了對(duì)比原汽車輸送的缺陷，該膠帶機(jī)體現(xiàn)出長(zhǎng)距離膠帶機(jī)輸送散狀物料的優(yōu)勢(shì)。

長(zhǎng)距離；曲線膠帶機(jī)；設(shè)計(jì)

1 工程概況

該項(xiàng)目膠帶機(jī)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(zhǎng)江堤岸裝船，單機(jī)長(zhǎng)度為5.776 km，是單機(jī)轉(zhuǎn)彎數(shù)量較多(8處)、運(yùn)行線路較為復(fù)雜的膠帶機(jī)；輸送線路所在地地形較復(fù)雜，沿線有十幾個(gè)高坡點(diǎn)，膠帶機(jī)成功取代了原汽車輸送方式；膠帶機(jī)除尾部段為隧道內(nèi)布置，其它均為露天布置。

該機(jī)是采用ISO國(guó)際設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，用動(dòng)態(tài)分析軟件對(duì)各種工況進(jìn)行精確的分析和計(jì)算，并以此結(jié)果作為整機(jī)總體布置、受力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件選型的依據(jù)，保證了設(shè)計(jì)的可靠性和先進(jìn)性 。

2 主要技術(shù)參數(shù)及總體布置

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)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(zhǎng)距離膠帶機(jī)具有多點(diǎn)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(yùn)量(1800 t/h)的技術(shù)特點(diǎn)，且對(duì)運(yùn)行可靠性的要求很高，膠帶機(jī)布置簡(jiǎn)圖見圖1(膠帶機(jī)從A點(diǎn)運(yùn)行到B點(diǎn)，沿途共設(shè)8段曲線，曲線圓心分別為O1-8)。

圖1 膠帶機(jī)布置

長(zhǎng)距離膠帶機(jī)運(yùn)行阻力大，為有效地減小膠帶機(jī)沿線各點(diǎn)的膠帶張力，降低工程投資，保證設(shè)備運(yùn)行可靠，應(yīng)采用多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)型式驅(qū)動(dòng)。該膠帶機(jī)采用“頭部雙驅(qū)動(dòng)+尾部單驅(qū)動(dòng)(帶制動(dòng))”方式驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置布置型式見簡(jiǎn)圖2。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖2 膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置布置

3 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

3.1 初步設(shè)計(jì)計(jì)算

初步設(shè)計(jì)時(shí)采用ISO5048國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，包括各種運(yùn)行阻力，驅(qū)動(dòng)功率和沿線各點(diǎn)張力的計(jì)算，并以此計(jì)算結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行總體方案布置和部件選型。

3.2 動(dòng)態(tài)分析計(jì)算

再將輸送帶當(dāng)作粘彈性體進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)計(jì)算。動(dòng)態(tài)分析就是將輸送帶按粘彈性體的力學(xué)性質(zhì)，綜合計(jì)入驅(qū)動(dòng)裝置的啟制動(dòng)特性、各運(yùn)動(dòng)體的質(zhì)量分布、線路各區(qū)段的坡度變化、各種運(yùn)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(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，并驗(yàn)證了原計(jì)算參數(shù)和整機(jī)布置的合理性和可靠性。

4 膠帶機(jī)部件配置

4.1 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是長(zhǎng)距離膠帶機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，保證膠帶機(jī)的啟制動(dòng)過程平穩(wěn)、可控，減小動(dòng)態(tài)應(yīng)力。該膠帶機(jī)采用具有可控啟制動(dòng)功能的液粘性軟啟動(dòng)裝置，控制膠帶機(jī)按理想的啟制動(dòng)曲線(圖3)啟動(dòng)和制動(dòng)。其主要優(yōu)點(diǎn)：可減少啟動(dòng)時(shí)的加速度，減小輸送帶及承載部件的動(dòng)態(tài)載荷；啟動(dòng)過程可通過控制器設(shè)置所需要的加速度曲線和起動(dòng)時(shí)間；具有設(shè)定啟制動(dòng)速度曲線自動(dòng)跟蹤功能、過載保護(hù)功能、多機(jī)平衡功能，能夠提供理想的可控啟制動(dòng)性能；具有傳動(dòng)效率高、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)。

圖3 S型啟動(dòng)曲線

4.2 滾筒

長(zhǎng)距離膠帶機(jī)的滾筒承受的荷載較大，傳動(dòng)滾筒滿足許用扭矩、許用合力要求，直徑選用同時(shí)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(hào)。本機(jī)傳動(dòng)滾筒直徑取φ1000 mm，所有傳動(dòng)滾筒均采用重型鑄焊結(jié)構(gòu)，輪轂與輪軸之間采用漲套聯(lián)接；改向滾筒根據(jù)負(fù)載情況，采用鑄焊結(jié)構(gòu)和全焊結(jié)構(gòu)，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(yàn)；滾筒表面膠層的形成方式為干式硫化鑄膠(傳動(dòng)滾筒為陶瓷包膠)，膠面的物理機(jī)械性能均符合GB10595中的規(guī)定。

4.3 托輥

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

對(duì)于該膠帶機(jī)，其主要阻力由托輥旋轉(zhuǎn)阻力和輸送帶運(yùn)行阻力組成，計(jì)算表明，兩項(xiàng)占60%以上，因此提高托輥輥?zhàn)拥馁|(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(gòu)為非接觸式迷宮密封結(jié)構(gòu)，密封通道內(nèi)注入高質(zhì)量的潤(rùn)滑脂；輥皮采用托輥專用焊縫焊管，其園度等級(jí)和壁差均符合嚴(yán)格的ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的偏差非常低；輥輥體兩端與軸承座在專用焊機(jī)采用CO2氣體保護(hù)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(jī)可采用垂直重錘拉緊方式，此種拉緊裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且維護(hù)簡(jiǎn)單，適用于長(zhǎng)距離膠帶機(jī)。

4.5 清掃裝置

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

本膠帶機(jī)是條長(zhǎng)距離，大功率膠帶機(jī)，為保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)膠帶的使用壽命，必須對(duì)膠帶加強(qiáng)維護(hù)，因此對(duì)本膠帶機(jī)設(shè)計(jì)了二級(jí)高分子刀片清掃器、空段清掃器、刮板清掃裝置等。

4.6 機(jī)架

所有鋼結(jié)構(gòu)的制作鋼材均進(jìn)行預(yù)處理，達(dá)到Sa2-1/2級(jí)；為便于機(jī)架轉(zhuǎn)運(yùn)，所有大型機(jī)架均為可拆分結(jié)構(gòu)，主機(jī)架采用有限元分析；通廊采用“一體化”結(jié)構(gòu)，即中間架、支腿、托輥橫梁與絎架成一體構(gòu)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(dòng)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(qiáng)度高、柔軟性好的產(chǎn)品，經(jīng)預(yù)張拉處理；膠帶的供貨長(zhǎng)度為400 m/卷，使接頭數(shù)量最少并易于現(xiàn)場(chǎng)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(jī)全程需設(shè)8個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，見膠帶機(jī)布置簡(jiǎn)。平面轉(zhuǎn)彎膠帶機(jī)在曲線段受到輸送帶張力的作用下產(chǎn)生一個(gè)向心合力，使輸送帶產(chǎn)生向曲線內(nèi)側(cè)滑移的趨勢(shì)[1]。平面轉(zhuǎn)彎膠帶機(jī)的轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是產(chǎn)生向曲線外側(cè)的導(dǎo)向力。平面轉(zhuǎn)彎膠帶機(jī)所采取的措施：內(nèi)曲線抬高、加大槽角、托輥設(shè)置前傾、曲線內(nèi)側(cè)面設(shè)置擋輥、設(shè)置壓帶裝置等[2]。

膠帶膠帶機(jī)共設(shè)有8處轉(zhuǎn)彎段，故需對(duì)每處轉(zhuǎn)彎曲線進(jìn)行膠帶受力平衡、膠帶最大許用應(yīng)力、外側(cè)膠帶不脫離托輥來校核轉(zhuǎn)彎曲率半徑[3]。考慮整機(jī)制造上的一致性最終膠帶機(jī)轉(zhuǎn)彎承載段托輥采用深槽角60°四輥結(jié)構(gòu)，回程段采用10°V形結(jié)構(gòu)，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(shè)有過渡曲線，在過渡曲線段和凹弧轉(zhuǎn)彎段均設(shè)有壓帶輥(圖5)。

圖4 轉(zhuǎn)彎托輥結(jié)構(gòu)

圖5 壓帶輥結(jié)構(gòu)

4.9 保護(hù)裝置

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

5 膠帶機(jī)的啟動(dòng)控制

正常情況下膠帶機(jī)停機(jī)前應(yīng)將其上的物料卸空，以便下次可空載啟動(dòng)。但是非正常停機(jī)時(shí)其上會(huì)有物料，再次啟動(dòng)即可能為滿載啟動(dòng)，因此啟動(dòng)過程參數(shù)的確定以滿載啟動(dòng)為準(zhǔn)。

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

尾部YNRQD450離合器待該處張力達(dá)到一定值時(shí)方投入驅(qū)動(dòng)狀況，以防止開始時(shí)低張力狀態(tài)下打滑，為此在該處設(shè)置了一個(gè)膠帶張力傳感器來進(jìn)行監(jiān)視。

為了檢修膠帶機(jī)方便，膠帶機(jī)設(shè)置了驗(yàn)帶速度V=0.6m/s，驗(yàn)帶必須在空載下運(yùn)行，只啟動(dòng)頭部一套驅(qū)動(dòng)裝置，啟動(dòng)時(shí)間不小于30 s。

6 膠帶機(jī)的制動(dòng)停機(jī)控制

停機(jī)有正常停機(jī)和緊急事故(或系統(tǒng)突然失電)停機(jī)兩種情況，由于停機(jī)過程的動(dòng)態(tài)效應(yīng)甚至大于啟動(dòng)過程，因此應(yīng)特別引起注意。本設(shè)計(jì)在尾部改向滾筒上設(shè)一組液壓盤式制動(dòng)器用以協(xié)助完成停機(jī)過程的控制。

6.1 正常停機(jī)

正常停機(jī)前，首先停止尾部受料點(diǎn)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(dòng)器上閘并最終實(shí)現(xiàn)停機(jī)。

6.2 緊急事故停機(jī)

安全保護(hù)裝置中的拉繩、撕裂、煙霧等一次傳感元件動(dòng)作并發(fā)出信號(hào)時(shí)，視為緊急停機(jī)，此外系統(tǒng)突然失電也作為緊急停機(jī)工況處理。此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電，YNRQD450離合器脫開，兩秒鐘后尾部制動(dòng)器上閘制動(dòng)停機(jī)，緊急停機(jī)時(shí)間約15 s。

7 結(jié)語

該項(xiàng)目原采用50臺(tái)自卸式汽車輸送砂石骨料到江邊碼頭，對(duì)沿途道路造成了嚴(yán)重的破壞并造成江邊公路交通堵塞，對(duì)周邊環(huán)境也造成較大的污染；采用長(zhǎng)距離膠帶機(jī)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(xiàng)目原汽車輸送物料到江邊碼頭的運(yùn)輸費(fèi)用達(dá)7元/t，現(xiàn)采用長(zhǎng)距離膠帶機(jī)運(yùn)輸費(fèi)用不足3元/t)。長(zhǎng)距離膠帶機(jī)作為散裝物料輸送設(shè)備，其低廉的運(yùn)輸成本和良好的經(jīng)濟(jì)效益在該項(xiàng)目得到了充分驗(yàn)證，是一種很好的節(jié)能降耗、綠色環(huán)保輸送設(shè)備。

[1]宋偉剛. 散狀物料膠帶機(jī)設(shè)計(jì)[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2002：276～280.

[2]孫可文.膠帶機(jī)械的傳動(dòng)理論與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991：14～217.

[3]孫可文.膠帶機(jī)械的傳動(dòng)理論與設(shè)計(jì)計(jì)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(jí)工程師，主要從事膠帶機(jī)特別是長(zhǎng)距離、大運(yùn)量膠帶機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

TH13

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1674-9944(2016)18-0183-02