中材國(guó)際DANGOTE項(xiàng)目一體化長(zhǎng)皮帶機(jī)介紹

林仁章，史嘉耿

相較于汽車(chē)運(yùn)輸?shù)牡洼斔土?、高運(yùn)營(yíng)成本以及大量揚(yáng)塵，皮帶機(jī)具有環(huán)保、輸送能力大、能耗低、維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，采用長(zhǎng)距離皮帶機(jī)輸送石灰石已成為當(dāng)下水泥廠輸送石灰石的首選方案。隨著長(zhǎng)距離皮帶機(jī)設(shè)計(jì)理念和制造技術(shù)的成熟，長(zhǎng)度為幾公里、十幾公里甚至幾十公里的皮帶機(jī)在水泥廠中的應(yīng)用越來(lái)越多。

在由中材國(guó)際海外總承包的DANGOTE集團(tuán)水泥廠項(xiàng)目中，長(zhǎng)皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)采用中材國(guó)際、四川自貢和美國(guó)CDI組成的合作體方式聯(lián)合設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)節(jié)約用鋼量、簡(jiǎn)化施工工序、縮短施工周期的目標(biāo)，長(zhǎng)皮帶機(jī)多采用一體化設(shè)計(jì)（皮帶機(jī)的中間架和支腿與桁架一體化），包括三角形桁架和矩形桁架兩種結(jié)構(gòu)。本文初步總結(jié)中材國(guó)際DANGOTE項(xiàng)目中的一體化礦山長(zhǎng)皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)和理論分析方法，著重介紹這兩種結(jié)構(gòu)的一體化礦山長(zhǎng)皮帶機(jī)。表1為中材國(guó)際DANGOTE集團(tuán)各項(xiàng)目長(zhǎng)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)形式。

1　一體化礦山長(zhǎng)皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)和理論分析方法

1.1　確定長(zhǎng)皮帶機(jī)總體走向

長(zhǎng)距離皮帶機(jī)設(shè)計(jì)首先要對(duì)礦山到廠區(qū)的地形和輸送環(huán)境進(jìn)行查勘，了解布置區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件，盡可能選取地質(zhì)條件好、輸送距離短、地勢(shì)起伏不大的路線。布置區(qū)域內(nèi)應(yīng)盡量避開(kāi)高壓線、輸油管線、居民密集居住區(qū)、高速公路、鐵路、河流、湖泊等；皮帶機(jī)盡可能貼附地勢(shì)布置，廊道的高度滿足凈空要求即可，盡量避免高支架以減少投資成本和運(yùn)行成本；距離居民區(qū)較近時(shí)，皮帶機(jī)廊道需采用封閉設(shè)計(jì)以減少皮帶機(jī)運(yùn)行噪聲對(duì)敏感區(qū)域環(huán)境的影響；跨越河流時(shí)需考慮河流水位變化，尤其汛期歷史最高水位；長(zhǎng)皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)還需考慮施工及巡檢道路，驅(qū)動(dòng)裝置、翻帶裝置和張緊裝置等主要部件的布置，既要保證設(shè)備正常運(yùn)行，又要兼顧供配電、維修的需要。

表1　中材國(guó)際DANGOTE集團(tuán)各項(xiàng)目長(zhǎng)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)形式

在充分研究沿途地形的基礎(chǔ)上合理選取輸送路線，利用平面轉(zhuǎn)彎技術(shù)優(yōu)化輸送路線，并根據(jù)輸送能力初步計(jì)算膠帶的帶強(qiáng)，選取合理的帶速，對(duì)于帶強(qiáng)過(guò)大的皮帶機(jī)需進(jìn)行必要的分段以有效降低膠帶選型帶強(qiáng)。

1.2　長(zhǎng)皮帶機(jī)整體的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析

長(zhǎng)皮帶機(jī)設(shè)計(jì)需對(duì)皮帶機(jī)整體進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。通過(guò)全面的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，確定輸送系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)控制參數(shù)，保證長(zhǎng)皮帶在各種惡劣工況條件下均能平穩(wěn)可靠運(yùn)行。

靜態(tài)分析包括：（1）帶寬帶速計(jì)算；（2）功率計(jì)算；（3）膠帶張力-帶強(qiáng)計(jì)算；（4）滾筒張力、拉緊力計(jì)算；（5）起弧半徑、水平轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算；（6）滾筒布置與選擇；（7）托輥布置與選擇；（8）翻帶計(jì)算；（9）啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間計(jì)算等。通過(guò)靜態(tài)分析，可基本確定長(zhǎng)皮帶機(jī)的各種選型參數(shù)。

圖1　輸送干料時(shí)的離散元分析　

動(dòng)態(tài)分析包括：（1）各種工況下正常制動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)帶速、張力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩、拉緊位移等數(shù)值變化；（2）各種工況下緊急制動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)帶速、張力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩、拉緊位移等數(shù)值變化；（3）各種工況下正常啟動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)帶速、張力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩、拉緊位移等數(shù)值變化。通過(guò)動(dòng)態(tài)分析可模擬皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，核驗(yàn)靜態(tài)分析結(jié)果并調(diào)整相關(guān)選型參數(shù)。

1.3　頭部漏斗和溜子的離散元分析

采用離散元分析技術(shù)模擬物料的卸料軌跡，結(jié)合皮帶機(jī)布置形式設(shè)計(jì)流線型的卸料頭部漏斗和溜槽，不但可有效減少溜子磨損情況，降低物料對(duì)下游皮帶機(jī)的沖擊，而且可降低輸送干物料時(shí)帶來(lái)的揚(yáng)塵，避免輸送濕物料產(chǎn)生的溜子堵塞問(wèn)題。

輸送干料時(shí)的離散元分析見(jiàn)圖1，輸送濕料時(shí)的離散元分析見(jiàn)圖2。

1.4　桁架和立柱的有限元分析、3D3S鋼結(jié)構(gòu)-空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

通過(guò)建立三維模型進(jìn)行內(nèi)力線性與非線性分析、動(dòng)力、模態(tài)等分析，模擬恒載和活載對(duì)桁架和立柱最不利的情況，以分析結(jié)構(gòu)安全性。

桁架的有限元分析見(jiàn)圖3。

桁架的3D3S鋼結(jié)構(gòu)-空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析見(jiàn)圖4。

圖2　輸送濕料時(shí)的離散元分析

圖3　桁架的有限元分析　

圖4　桁架的3D3S鋼結(jié)構(gòu)-空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

立柱的有限元分析見(jiàn)圖5。

立柱的3D3S鋼結(jié)構(gòu)-空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析見(jiàn)圖6。

1.5　輸送帶的有限元分析

輸送帶是長(zhǎng)皮帶機(jī)最關(guān)鍵的組成部分之一，其性能和質(zhì)量對(duì)長(zhǎng)皮帶機(jī)的整機(jī)性能、能耗和運(yùn)行成本至關(guān)重要，正確選擇輸送帶是長(zhǎng)皮帶機(jī)設(shè)計(jì)和制造中的關(guān)鍵。近二十年來(lái)的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，對(duì)于一個(gè)水平無(wú)曲線的輸送機(jī)，去除物料提升或下坡運(yùn)行等幾何因素，其空載運(yùn)行時(shí)75%的能量消耗在輸送帶上。通過(guò)對(duì)輸送帶進(jìn)行有限元分析，可獲得膠帶上下蓋膠配方、芯膠成分、鋼絲繩直徑強(qiáng)度及分布排列方式和邊緣狀態(tài)等的最優(yōu)解決方案。

圖5　立柱的有限元分析

圖6　立柱的3D3S鋼結(jié)構(gòu)-空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

平直輸送機(jī)的空載功率消耗見(jiàn)圖7。

圖7　平直輸送機(jī)的空載功率消耗

圖8　輸送帶下蓋膠在托輥上滾動(dòng)接觸變形的有限元數(shù)值模擬

輸送帶下蓋膠在托輥上滾動(dòng)接觸變形的有限元數(shù)值模擬見(jiàn)圖8。

2　三角形桁架結(jié)構(gòu)皮帶機(jī)

以Nigeria Obajana 3&4項(xiàng)目中的三角形桁架結(jié)構(gòu)皮帶機(jī)為例，該項(xiàng)目長(zhǎng)皮帶機(jī)帶速5m/s，最大能力1 800t/h，輸送距離總長(zhǎng)度約10 070m，中間無(wú)轉(zhuǎn)運(yùn)，整體呈下降趨勢(shì)，下降高度約80m，傾角在4°～6°之間，沿途穿越道路、現(xiàn)有皮帶機(jī)廊道、沖溝、小溪和河流等，多處地形均有大面積的開(kāi)挖。長(zhǎng)皮帶機(jī)水平轉(zhuǎn)彎共5處，最大水平轉(zhuǎn)彎半徑5.35km，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑2km。

項(xiàng)目采用的三角形桁架長(zhǎng)度分為24m、30m和36m。桁架各桿件均為標(biāo)準(zhǔn)件，并按相同桿件集中包裝發(fā)貨，桁架現(xiàn)場(chǎng)裝配。托輥支架安裝在下弦桿的桿件上，托輥安裝在托輥架上。三角形桁架結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖9）無(wú)需設(shè)置檢修廊道，皮帶機(jī)的日常巡檢采用檢修小車(chē)（見(jiàn)圖10）。檢修小車(chē)自帶小型柴油發(fā)電機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)，可以在桁架上勻速前進(jìn)。需要注意的是，三角形桁架皮帶機(jī)僅適用于傾角＜7°的皮帶機(jī)，否則小車(chē)的爬升有困難。

3　矩形桁架結(jié)構(gòu)皮帶機(jī)

圖9　三角形桁架

圖10　檢修小車(chē)

以Ethiopia項(xiàng)目的矩形桁架結(jié)構(gòu)皮帶機(jī)為例，Ethiopia項(xiàng)目地處約2 600m高海拔高原環(huán)境，長(zhǎng)皮帶機(jī)輸送距離總長(zhǎng)度～3 880m，整體呈不斷爬升趨勢(shì)，采用兩段皮帶機(jī)接力輸送，提升總高度達(dá)到～540m，沿線地形復(fù)雜，沿途穿越山嶺、沖溝、道路、村莊和峽谷（峽谷跨度＞120m，深度近40m）等，山體坡度起伏變化較大，且沒(méi)有現(xiàn)成道路及供電，設(shè)計(jì)及施工難度特別大。長(zhǎng)皮帶機(jī)最大能力1 600t/h，帶速5.6m/s，傾角在0°～15°之間，帶有2處水平轉(zhuǎn)彎，水平轉(zhuǎn)彎半徑3km。

一般矩形桁架（見(jiàn)圖11）長(zhǎng)度分為18m、24m、30m和36m。桁架各桿件均為標(biāo)準(zhǔn)件，相同桿件集中包裝發(fā)貨，桁架現(xiàn)場(chǎng)裝配。托輥支架安裝在下弦桿的桿件上，托輥安裝在托輥架上。兩側(cè)的走道板（見(jiàn)圖11）從桁架的梁上挑出，用于日常的巡檢。矩形桁架的立柱及兩側(cè)走道板見(jiàn)圖12。

4　一體化長(zhǎng)皮帶機(jī)的優(yōu)勢(shì)

圖11　矩形桁架

圖12　矩形桁架的立柱及兩側(cè)走道板

4.1　明顯節(jié)約了用鋼量

不同跨度的普通棧橋、三角形桁架以及矩形桁架的結(jié)構(gòu)件用鋼量見(jiàn)表2。

以總長(zhǎng)為1km、立柱高度為6m的B1000皮帶機(jī)為例，對(duì)30m跨度普通棧橋皮帶機(jī)、36m跨度三角形桁架皮帶機(jī)和24m跨度矩形桁架皮帶機(jī)總用鋼量對(duì)比如下：

30m跨度普通棧橋皮帶機(jī)：皮帶機(jī)支腿按照3m間隔設(shè)置，每對(duì)支腿的重量約為0.052t，中間架以每6m為一組，每組中間架的重量約為0.123t，故1km長(zhǎng)的B1000普通桁架皮帶機(jī)的所有中間架和支腿重量之和為：W1=（1 000/6）×0.123+（1 000/3+1）×0.052=37.9t；所有立柱重量為：W2=（1 000/30）×0.6=20t；所有桁架重量為：W3=（1 000/30）×8.8=293.3t。同理，可計(jì)算得：

36m跨度三角形桁架皮帶機(jī)：

所有立柱重量W2=（1 000/36）×1.4=38.9t

所 有 桁 架 重 量 W3=（1 000/30）×8.8=244.4t。

24m跨度矩形桁架皮帶機(jī)：

所有立柱重量W2=（1 000/24）×1.4=58.3t

所 有 桁 架 重 量 W3=（1 000/24）×4.5=187.5t

所有走道重量W4=1 000×0.062=62t。

從表2、表3的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于總長(zhǎng)為1km、立柱高度為6m的B1000皮帶機(jī)，采用矩形桁架，桁架總重量比普通棧橋節(jié)約用鋼量43.4t，節(jié)約幅度約12.3%；采用三角形桁架，桁架總重量比普通棧橋節(jié)約用鋼量67.9t，節(jié)約幅度高達(dá)近1/5。一體化結(jié)構(gòu)皮帶機(jī)總的用鋼量明顯小于普通棧橋結(jié)構(gòu)皮帶機(jī)，而且無(wú)需中間架和支腿，節(jié)省了用鋼量和設(shè)備費(fèi)用，節(jié)省了項(xiàng)目投資。

表2　三種結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)件用鋼量

表3　三種結(jié)構(gòu)形式總用鋼量對(duì)比

表4　三種結(jié)構(gòu)形式施工工期對(duì)比*

4.2　大大縮短了施工工期（表4）

普通棧橋皮帶機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)先施工支架的混凝土基礎(chǔ)，棧橋在現(xiàn)場(chǎng)加工后進(jìn)行吊裝，最后再進(jìn)行皮帶機(jī)中間架、支腿、托輥架、托輥和膠帶的安裝。普通棧橋皮帶機(jī)的土建施工和設(shè)備安裝周期長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)制作的桁架精度較差，海外工程施工難度相對(duì)較大。而一體化桁架結(jié)構(gòu)皮帶機(jī)，一方面由于所有的桿件和支架均為標(biāo)準(zhǔn)件，工廠制作加工精度高，桿件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，大部分采用螺栓連接拼裝，之后進(jìn)行整體吊裝，現(xiàn)場(chǎng)安裝非常方便；另一方面，由于中間架和支腿與桁架一體化，簡(jiǎn)化了安裝工序，皮帶機(jī)的安裝只需安裝托輥架、托輥和膠帶，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)的安裝時(shí)間，有效縮短了施工工期。

5　結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，一體化桁架結(jié)構(gòu)皮帶機(jī)整體效果比較好，皮帶機(jī)與桁架得到了很好的契合。一體化桁架可有效節(jié)省項(xiàng)目投資、縮短現(xiàn)場(chǎng)施工以及安裝時(shí)間，適應(yīng)了目前海外總承包工程項(xiàng)目的需求。需要注意的是，海外項(xiàng)目的海運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，長(zhǎng)皮帶又是關(guān)鍵設(shè)備，需要合理組織運(yùn)輸，提前做好計(jì)劃，國(guó)內(nèi)的制造和發(fā)運(yùn)需要滿足項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)的要求。同時(shí)皮帶機(jī)的安裝與桁架一體化對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安裝技術(shù)提出了更高的要求。長(zhǎng)皮帶結(jié)構(gòu)形式的選擇，除了考慮投資和項(xiàng)目進(jìn)度，還需結(jié)合業(yè)主的要求和現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)條件，進(jìn)行多方面綜合考慮。■