帶式輸送機額定出力計算研究

劉國瑞，邵文杰

(上海電氣電站工程公司，上海 201612)

帶式輸送機是現代最重要的散狀物料輸送設備，被廣泛應用于電力、冶金、礦山和港口等領域。在燃煤電廠中，帶式輸送機系應用最為廣泛的動力煤輸送設備。帶式輸送機系統的設計、制造、安裝等都影響著燃煤電廠運煤系統的穩定運行，其中，帶式輸送機系統的設計又起著決定性的作用。帶式輸送機的設計主要包括：額定出力計算；頭尾部標高、最大傾角的確定；帶寬、帶速與出力的關系匹配；功率計算；受力計算；幾何計算等。其中額定出力的計算至關重要，決定著帶式輸送機設備參數的選擇。本文著重對通用固定帶式輸送機額定出力的計算進行一些探討。

1 不同標準中帶式輸送機額定出力的計算方法

有關帶式輸送機額定出力、功率、受力計算的標準有：電力行業標準《火力發電廠運煤設計技術規定》(DLGJ1－93，已作廢)、《火力發電廠運煤設計技術規程第1部分：運煤系統》(DL/T 5187.1－2016)；國家標準《連續搬運設備 帶承載托輥的帶式輸送機 運行功率和張力的計算》(GB/T17119－1997)、《帶式輸送機工程設計規范》(GB50431－2008) ；國際標準《連續搬運設備—帶承載托輥的帶式輸送機—運行功率和張力的計算》(ISO5048－1989)；其他的國內外標準和資料有德國標準《連續輸送機.松散物料用皮帶輸送機.計算和參數選定的根據》(DIN22101－2002)、美國輸送設備制造商協會(CEMA)編寫的《散狀物料帶式輸送機(第二版)》、我國的《DTⅡ(A)型帶式輸送機設計手冊(第二版)》等。

1.1 電力行業標準

根據《火力發電廠運煤設計技術規定》(DLGJ1－93)，帶式輸送機的額定運輸量可按下式計算：

式中：Q為帶式輸送機的額定運輸量(t/h)；K為斷面系數；B為帶寬(m)；V為帶速(m/s)；γ為煤的散狀密度(t/m3)。

根據《火力發電廠運煤設計技術規程第1部分：運煤系統》(DL/T 5187.1－2016)，帶式輸送機的最大輸送能力的簡易計算可按式(2)計算：

式中：Q為帶式輸送機的最大輸送能力(t/h)；K為斷面系數；B為帶寬(m)；v為帶速(m/s)；ρ為物料的松散密度(t/m3)。

1.2 國家標準及國際標準

國家標準《連續搬運設備 帶承載托輥的帶式輸送機 運行功率和張力的計算》(GB/T17119－1997)與國際標準《連續搬運設備－帶承載托輥的帶式輸送機－運行功率和張力的計算》(ISO5048 －1989)對于帶式輸送機最大出力、功率、受力等的計算相同，GB /T17119－ 1997等同采用 ISO5048 － 1989。因此，后文僅將國際標準與其他標準作比較。

國際標準對帶式輸送機的最大輸送能力計算公式如下：

當在輸送帶的傾斜段加料時，確定輸送機的傾斜系數k要計入截面S1減小的因素。k計算如下：

式中：Q為帶式輸送機最大輸送能力(t/h)；S為輸送帶上物料最大橫截面面積(m2)；v為帶速(m/s)；k為輸送機的傾斜系數；ρ為物料的松散密度(t/m3)；S1為輸送帶上部物料最大橫截面面積(m2)；S2為輸送帶下部物料最大橫截面面積(m2)；13中間輥長度(三輥槽形)(m)；b為輸送帶的可用寬度(m)；B為帶寬(m)；λ為槽形托輥側輥軸線與水平線間的夾角(o)；θ為被輸送物料的運行堆積角(o)；k1為截面S1的減小系數；δ為輸送機在運行方向上的傾斜角(o)。

當δ等于θ時，上部截面面積S1不存在，只有下部截面面積S2在起作用。

但 是，GB/T17119－1997與ISO5048－1989均未對帶式輸送機額定出力的計算給出詳細說明。

1.3 德國標準

德國標準《連續輸送機.松散物料用皮帶輸送機.計算和參數選定的根據》(DIN22101－2002)對帶式輸送機的最大出力(標準中稱為“理論輸送量”)及額定出力均作了說明。德標中帶式輸送機的理論輸送量計算如下：

式中：Qth為帶式輸送機的理論輸送量(t/h)；Ath為理論裝料斷面的面積(m2)；V為帶速(m/s)；ρ為物料的松散密度(t/m3)。

A1,th為理論裝料斷面中水平部分以上三角形部分的面積(m2)；A2,th為當β=0o時的理論裝料斷面的面積(水平斷面面積)(m2)；

式中：lM為三托輥布置時中間托輥殼體長度(m)；b為可利用的帶寬(m)；λ為上分支或下分支輸送帶的槽角(o)；β為計算部分斷面積A1,th用的等效堆積角 (o)；可利用的帶寬b取決于帶式輸送機帶寬B：

額定出力用如下公式計算：

φ為有效裝料系數；

式中：φBetr為相對于輸送機生產條件的裝滿系數；φSt為傾斜輸送時對于理論總斷面積Ath的裝滿系數的縮減系數；φBetr取決于輸送物料的特性、塊度、最大邊長、堆積角βdyn(標志實際動態堆積特性)、帶式輸送機的運行條件、加料均勻性、輸送帶的直線性、輸送能力的儲備。當加料均勻和輸送帶直線運行時，水平直線輸送機的理論裝料斷面可以被充分利用，即φ=φBetr=1。φSt由A1,th決定：

當輸送機對中良好并均勻加載塊度小的物料時，可將δmax≤βdyn代入式中：

式中 ：δmax為輸送機的最大傾角 (o)；βdyn為被輸送物料的實際動堆積角(o)。

在應用公式(19)、(20)時，應注意傾斜輸送時的傾角最大只能等同于βdyn，且此時僅斷面積A2,th用于輸送物料。

DIN22101－2002中對φSt給出了詳細的計算公式，但對φBetr僅給出了其影響因素和取值范圍(0.7～1.1)，并未給出φBetr的計算公式和取值方法。

1.4 美國標準

美國輸送設備制造商協會(CEMA)編寫的《散狀物料帶式輸送機(第二版)》中對帶式輸送機額定出力的計算時忽略傾斜角的影響。CEMA中帶式輸送機額定出力計算如下：

式中：Qm為額定出力(t/h)；At為總橫斷面積(in2)；As為動堆積面積(in2)；Ab為梯形面積(in2)；V為帶速(in/s)；ρ為物料的松散密度 (t/in3)；b為帶寬 (in)；α為動堆積角 (o)；β為托輥組槽角(o)；

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1.5 我國的《DTⅡ(A)型帶式輸送機設計手冊(第二版)》

DTⅡ(A)與GB/T17119－1997計算公式相同，但僅說明系“輸送能力”，ISO5048－1989及GB/T17119－1997均明確此公式系帶式輸送機的最大輸送能力。建議在DTⅡ(A)的今后修編中遵從GB/T17119－1997的寫法，注明是“最大輸送能力”。

《DTⅡ(A)型帶式輸送機設計手冊(第二版)》中明確關于帶式輸送機輸送能力的計算，系執行國家標準《連續搬運設備 帶承載托輥的帶式輸送機 運行功率和張力的計算》(GB/T17119－1997)。同時，在DTⅡ(A)中也非常客觀的指出，“…值得注意的是，由于缺乏準確的物料特性—特別是不同帶速下的運行堆積角等相關資料，使得精確計算輸送能力幾乎不可能…因而該標準提供的計算方法，其精度是有限的…”，這些說明是在GB/T17119－1997中未予提及的。

為了最大程度體現工具書的特點，《DTⅡ(A)型帶式輸送機設計手冊(第二版)》中為避免對輸送帶上最大截面積S的復雜公式計算，根據國際標準《松散物料連續搬運設備槽形帶式輸送機(攜帶式輸送機除外) 托輥》(ISO1537－1975)中的中間輥長度(三輥槽形)計算并列表了在不同托輥槽角λ和運行堆積角θ下的輸送帶上的最大截面積S，以便查閱。《DTⅡ(A)型帶式輸送機設計手冊(第二版)》中表2－3，系在運行堆積角θ為20°、托輥槽角λ為35°、帶式輸送機傾斜角為0°情況下計算得到的帶速v、帶寬B與最大輸送能力Q(m3/h)的關系。

2 各標準的比較

無論是行業標準、國際標準、德國標準或美國CEMA標準等，都是按輸送帶上物料橫截面面積來計算帶式輸送機輸送能力。以下對幾種標準的計算方法作比較。

2.1 行業標準、DTⅡ(A)型帶式輸送機設計手冊與國際標準的比較

從公式(7)、(8)可見，可利用的帶寬b是帶寬B的函數，在固定的λ、θ值條件下， 輸送帶上物料最大橫截面面積S也是帶寬B的函數，S=F(B2)。為了避免國際標準中對橫截面面積的復雜計算，或像《DTⅡ(A)型帶式輸送機設計手冊》中那樣針對不同的λ、θ、B開列繁雜的最大截面積數值的表格，在行業標準DL/T5187.1 － 2016 中，在固定的λ(35o)、θ(20o)下，對這個F(B2)折算并圓整成了斷面系數K，以方便計算。也正基于此，DL/T 5187.1－2016對原技規DLGJ1－93中的該公式作了保留。但要注意的是，這里的斷面系數K與國際標準中的輸送機傾斜系數k是完全不同的，行業標準中的最大輸送能力計算公式(2)是未考慮帶式輸送機斜升布置的影響的，這在老版本的《火力發電廠運煤設計技術規定》(DLGJ1－93)的“條文說明”中有明確的敘述。

2.2 行業標準、國際標準、德國標準、美國標準的計算結果比較

根據以上各標準公式，我們對各公式計算出的帶式輸送機額定出力做散點圖比較見圖1。為便于比較，λ統一取為35o，運行堆積角θ統一取為20o，帶速V統一取為2.5 m/s，帶寬取B=1600 mm、1200 mm、800 mm三個檔次，輸送機傾角δ按2o～20o區間以每2o一個間隔取值。行業標準中，根據帶式輸送機傾斜角，取用GB/T17119－1997的傾斜系數k作為DL/T 5187.1－2016中有效裝料系數的近似值，圖中額定出力用Q_DL表示；國家標準及國際標準中采用公式(3)的計算結果作為額定運輸量，l3系查閱《松散物料連續搬運設備 槽形帶式輸送機(攜帶式輸送機除外) 托輥》(ISO1537－1975)所得，圖中額定出力用Q_ISO表示；德國標準φSt根據公式(19)計算，因為無法根據不同的物料特性等來計算φBetr，所以將φBetr取值為0.7～1.1的中間值0.9，三托輥布置時中間托輥殼體長度lM系查閱《連續輸送機.松散物料皮帶輸送機的支承輥.主要尺寸》(DIN 22107－1984)所得，圖中額定出力用Q_DIN表示；CEMA標準中，取用B=60 in、48 in、30 in作為國標B=1600 mm、1200 mm、800 mm的對應帶寬系列，取用V=492ft/ min作為國標V=2.5 m/s的對應帶速，圖中額定出力用Q_CEMA表示。

圖1 各標準的計算結果比較

2.3 各標準的計算結果與實際運行出力的比較

筆者針對幾個電廠的帶式輸送機設計額定出力與實際運行出力進行了調研。為了保證數據的準確可靠，著重調研了安裝有皮帶秤的入廠煤計量帶式輸送機及入爐煤計量帶式輸送機。并采用以上標準對上述幾個電廠的帶式輸送機額定出力分別計算，并與實際運行出力進行比較，見表1、表2。計算中采用的λ、θ等參數依據與圖1中一致。

表1 入廠煤計量帶式輸送機的實際計量出力與計算出力的比較

表2 入爐煤計量帶式輸送機的實際計量出力與計算出力的比較

3 結論

從圖1中可得出如下結論：

(2)在帶寬較小(B＜1200 mm)且傾角δ＜16°時，各標準的額定輸送能力基本相當。

(3)帶寬較大(B≥1200 mm)時，各標準在各種傾角下的額定輸送能力有所差異；且帶寬越大，計算結果差異越大。

(4)四種標準中，行業標準與國際標準在各種帶寬、傾角下計算結果均非常接近，可見行業標準中的簡易計算公式取得了較滿意的結果。

(5)美國標準因為計算時忽略傾斜角的影響，所以傾角對計算結果無影響，在固定帶寬下的計算結果是一條水平直線；德國標準的計算結果受傾角的影響最大，計算結果擬合曲線的斜率最大；行業標準與國際標準的計算結果受傾角的影響居中。

(6)盡管德標考慮了φBetr、φSt，在四種標準中計入的物料橫截面面積減小因素最多，但是，德標的計算結果并不總是最小的，當帶寬B=1600 mm、傾角δ＜16°時，德標計算結果甚至大于其余三種標準。從表1、2中可得出如下結論：

(7)排除帶式輸送機計量的出力受上游給料設備出力的影響，仍然可見各標準的計算結果均與計量設備實測的值有一定差距。由于缺乏準確的物料特性等資料，以及每條帶式輸送機的制造水平、安裝條件不同，使得精確計算輸送能力幾乎不可能。

(8)各標準的計算結果普遍比計量設備實測的值要大，建議實際工程設計中，對帶式輸送機額定出力的計算還是應當考慮傾斜系數，條件許可的情況下還可再根據輸送物料的特性、帶式輸送機的運行條件等因素考慮相對于輸送機生產條件的裝滿系數。

(9)各標準的計算結果與帶寬、輸送機傾角的相關關系與圖1得出的結論一致。

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