皮帶機系統(tǒng)驅(qū)動組改造方案及借鑒意義

【摘要】目前國內(nèi)應用TBM掘進施工項目，一般掘進長度在20km，在施工應用中考慮通風，出渣，進料運輸及施工成本時，采用兩段法掘進；需轉(zhuǎn)移皮帶機系統(tǒng)重新布置。舊設備應用在新項目時，因施工具體條件發(fā)生變化，需重新考慮皮帶機布置及改造應用以節(jié)省成本。本例有借鑒意義。

【關鍵詞】皮帶機；驅(qū)動

有一隧道工程（A），洞徑8m，長度20km，主要用TBM掘進開挖，工程結束后，掘進機撤出后閑置。一年后，我單位中標一新項目，洞徑、長度與A基本相同，兩個隧道工程均采用兩段法開挖，主洞出口到支洞長度布置基本相同。從工程規(guī)模、布置、節(jié)約成本角度出發(fā)，均可以考慮使用閑置的TBM設備。TBM掘進機改造使用方案極其復雜，本文僅從皮帶系統(tǒng)改造利用角度論證其可行性。

一、改造可行性

新項目為TBM掘進施工，地質(zhì)情況較好，少水，施工開挖總長度18.93km，掘進方向為直線（無拐點），逆坡掘進，坡度千分之0.0803，高差1.77m。考慮皮帶機用舊設備改造更新，實際工程施工設計及地質(zhì)情況，與以前相近。經(jīng)測算，第一段可以應用原有舊設備進行驅(qū)動電機900KW編組驅(qū)動。

轉(zhuǎn)場二段施工時情況發(fā)生變化：因支洞長度達到1274米，坡度達6.5%。1#支洞布置在掘進方向主洞的左側(cè)。支洞進口底板與主洞高差84.2m、支洞與主洞平面交角79°。而皮帶機及支架通過支架位置調(diào)整，以直線平順沿6.6%坡度架設。支洞皮帶機一臺皮帶機電機驅(qū)動無法保證功率需要，需改造。因產(chǎn)品更新?lián)Q代原因，原配套產(chǎn)品采購有較大難度，定制采購供貨期達十個月以上，嚴重影響工期。結合施工設計方案。TBM掘進二段主洞需TBM施工掘進不會超過4000米，坡度千分之0.0803。考慮將主洞連續(xù)皮帶機驅(qū)動由三臺編組改為兩臺電機編組驅(qū)動。另外一臺可安裝到洞外與原有的支洞皮帶機電機結合用兩臺編組驅(qū)動。

詳細設計計算過程

AA、第二段4000米主洞連續(xù)皮帶機技術方案

1）工況基本參數(shù)

隧洞開挖直徑：φ8.03m

皮帶機輸送長度：4000m

隧洞坡度： 0.0803‰ 逆坡掘進

TBM掘進速度：最大掘進速度100mm/min

渣石比重：2.6～2.8kg/m3（實方密度）

渣石最大粒度：300mm

2）TBM皮帶機參數(shù)的確定

輸送量的確定

根據(jù)TBM的掘進速度100mm/min，22分鐘一個循環(huán)，每個循環(huán)掘進1.8m，渣石按松散系數(shù)1.7，密度1.5kg/ m3考慮，則連續(xù)皮帶機每小時最大運量為：

Q=（π×8.03^2）/4×6×1.7x1.5 =775（t/h）

正常情況下運量Q=775t/h即可滿足TBM掘進出渣需求，運量按Q=800t/h計算。

帶速的確定

由：Qmax=3600Amax×V×k×ρ

k—傾斜系數(shù)， k =1

ρ—松散密度，ρ=1.44

Amax—物料最大橫截面積，：

Amax=0.06m2

Qmax=800t/h

得：V ≥Qmax/（3600 Amax× k×ρ）=800/（3600×0.06×1×1.5）=2.47m/s

參照后配套皮帶機帶速及相關同類產(chǎn)品的參數(shù)，考慮到膠帶強度（帶速越低、所需帶強越低）及膠帶成槽性（帶強越高、成槽性越差），綜合考慮，選用帶速0～2.8m/s，運行中可根據(jù)實際運量大小當調(diào)整帶速。

帶寬的確定

根據(jù)帶寬、帶速與運量的匹配關系，選擇帶寬914mm的輸送帶。

托輥選型

帶式輸送機承載分支、回程分支托輥的選用取決于帶寬、帶速、托輥間距及輥子的靜載荷、動載荷等各種參數(shù)，根據(jù)各種參數(shù)進行托輥承載能力的校核并選擇合適的托輥規(guī)格，取d=102mm，本項目選用102mm免維護托輥，規(guī)格參數(shù)如下：

槽型托輥間距 2.29 m

回程托輥間距 4.58 m

皮帶機基本參數(shù)的確定

運量Q：800t/h

帶速v：0-2.8m/s

帶寬B：914mm

膠帶規(guī)格σ：ST1600

膠帶厚度d：15mm

膠帶重量q0：21.5kg/m

物料重量q：Q/3.6v=79.4kg/m

上下膠帶模擬阻力系數(shù)f：0.016

膠帶與傳動滾筒間摩擦系數(shù)：u=0.4

輸送長度L：4000m

膠帶傾角β：0.0803‰=0.0046°

提升高度H：4m

托輥直徑Φ：φ102mm

上托輥間距a0：2.29m （三輥槽型）

下托輥間距au：4.58m （V型）

單位長度上托輥質(zhì)量q1：15kg/m

單位長度下托輥質(zhì)量q2：8kg/m

棍子轉(zhuǎn)速：n=30v/3.14r=523rpm

儲帶長度L：500m

F.連續(xù)皮帶機阻力計算：

1） 膠帶機物料產(chǎn)生的運行阻力：

F1= Lfg（cosa2q0+cosaq+q1+q2）=91288N

2） 物料提升阻力：

F2= Hqg=3115.7N

3） 頭部清渣器對膠帶阻力

F3= 2APμ3=1134.4N

式中：A—清掃器與膠帶接觸面積；

P—清掃器與膠帶之間的壓力；

μ3—清掃器與膠帶之間的摩擦系數(shù)；

4） ATP清渣器對膠帶阻力：

F4=μ3q0Bg=64.2N

5） 曲線段托輥阻力：

F5= CεLeμ0（q+q0）gcosβsinε=0

式中：Cε—槽形系數(shù)；

Le—曲線段長；

ε—托輥傾角；

6） 導料板阻力：

F6=μ2Iv2ρgl/v2b12=109.5N

式中：μ2—皮帶與導料板之間的摩擦系數(shù)；

Iv—物料流量；

b1—導料板內(nèi)部寬度；

7） 給料點處物料附加阻力：

F7= Ivρv=853.2N

8） 膠帶繞過驅(qū)動滾筒附加阻力：

F80=μN（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=3488.5N

膠帶繞過儲帶倉滾筒附加阻力：

F81=μN（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=27981.6N

膠帶繞過改向滾筒附加阻力：

F82=μN（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=872.1N

膠帶繞過ATP滾筒附加阻力：

F83=μN（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=1221N

9） 電動卷揚機阻力：

F9= 3936*9.8=38572N

驅(qū)動滾筒圓周驅(qū)動力（總阻力）：

Fu= F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7+F8+F9=168700.2N

G 電機功率計算：

傳動滾筒軸功率計算

P0= FuV=472.4Kw

電動機功率計算

Pe= P0/η1η2η3η4η5=583Kw

式中： η1--減速器效率；

η2--偶合器效率；

η3--聯(lián)軸器效率；

η4--電壓降系數(shù)；

η5--不平衡系數(shù)；

H 電機選型：總裝機功率為600Kw

AB 、1274米支洞皮帶機技術方案

1） 工況基本參數(shù) 同上

2）TBM皮帶機參數(shù)的確定

輸送量的確定 同上。正常情況下運量Q=775t/h即可滿足TBM掘進出渣需求，運量按Q=800t/h計算。

帶速的確定 同上，綜合考慮，選用帶速0～2.8m/s，運行中可根據(jù)實際運量大小當調(diào)整帶速。

帶寬的確定選擇帶寬914mm的輸送帶。

托輥選型 同上

皮帶機基本參數(shù)的確定重復參數(shù)同上不列，

輸送長度L：1274m

膠帶傾角β：6.6%=3.776°

提升高度H：84m

F.連續(xù)皮帶機阻力計算：

1） 膠帶機物料產(chǎn)生的運行阻力：

F1= Lfg（cosa2q0+cosaq+q1+q2）=29022N

2） 物料提升阻力：

F2= Hqg=65429N

3） 頭部清渣器對膠帶阻力

F3= 2APμ3=1134.4N

式中：A—清掃器與膠帶接觸面積；

P—清掃器與膠帶之間的壓力；

μ3—清掃器與膠帶之間的摩擦系數(shù)；

4） ATP清渣器對膠帶阻力：

F4=μ3q0Bg=64.2N

5） 曲線段托輥阻力：

F5= CεLeμ0（q+q0）gcosβsinε=0

式中：Cε—槽形系數(shù)；

Le—曲線段長；

ε—托輥傾角；

6） 導料板阻力：

F6=μ2Iv2ρgl/v2b12=109.5N

式中：μ2—皮帶與導料板之間的摩擦系數(shù)；

Iv—物料流量；

b1—導料板內(nèi)部寬度；

7） 給料點處物料附加阻力：

F7= Ivρv=853.2N

8） 膠帶繞過驅(qū)動滾筒附加阻力：

F80=μN（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=3488.5N

膠帶繞過儲帶倉滾筒附加阻力：

F81=μN（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=0N

膠帶繞過改向滾筒附加阻力：

F82=μN（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=872.1N

膠帶繞過ATP滾筒附加阻力：

F83=μN（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=0N

9） 電動卷揚機阻力：

F9= 0N

驅(qū)動滾筒圓周驅(qū)動力（總阻力）：

Fu= F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7+F8+F9=100973N

G 電機功率計算：

傳動滾筒軸功率計算

P0= FuV=283Kw

電動機功率計算

Pe= P0/η1η2η3η4η5=315Kw

式中： η1--減速器效率；

η2--偶合器效率；

η3--聯(lián)軸器效率；

η4--電壓降系數(shù)；

η5--不平衡系數(shù)；

H 電機選型：總裝機功率為600Kw

二、皮帶機系統(tǒng)改造面臨的問題

原來配置方案中支洞皮帶機系統(tǒng)中只有一臺300KW電機驅(qū)動。必須相對應的增加一套裝置與此配套。包括電機，減速機，支架，變頻驅(qū)動裝置等，相應的機械部分也要改造：支洞皮帶機增加改向滾筒，下料槽，驅(qū)動滾筒，皮帶漲緊裝置。滾筒軸在考慮布置方式時有兩種方式，一是采用兩個單側(cè)驅(qū)動電機減速機組安裝兩個帶陶瓷包膠滾筒；另一種方式是，一根通軸，在兩側(cè)安裝兩個單側(cè)驅(qū)動電機減速機組驅(qū)動一個帶陶瓷包膠滾筒。兩種方式對空間要求不同，因坡度達到6.5%，在洞口布置的改向滾筒的角度要與出洞時的皮帶機支架及皮帶平順一致，對支撐架需改造。考慮增大摩擦力減少空間占用采用兩臺電機一側(cè)布置，分別驅(qū)動兩臺陶瓷包膠滾筒。

三、變頻驅(qū)動部分改造

驅(qū)動電機為300KW，400V，皮帶帶速為2.8m/s。啟動過程中要求從零到一定速度，中間停止一定時間，后再啟動緩慢達到工頻狀態(tài)。保證傳動系統(tǒng)在工頻狀態(tài)下能達到要求的皮帶帶速。

原入口傳送帶電機用變頻器型號為日本三菱電機公司生產(chǎn)的FR-A540L-G280K-NA，該型號變頻器已停產(chǎn)多年，相應的零部件和周邊設備三菱公司已不再提供。需用替代或改造相應的通訊及控制部分，增加一套PLC控制系統(tǒng)，參照原設備采用三菱Q系列PLC控制系統(tǒng)，對變頻器進行控制方式依舊采用通信方式（三菱的CC-Link），新增加的一臺變頻器FR-A740-280K-CHT與現(xiàn)使用的一臺可正常使用的變頻器實現(xiàn)自動控制，保證兩變頻同步驅(qū)動兩臺滾筒。支洞皮帶系統(tǒng)控制箱部分使用原設備自有的箱體，在其內(nèi)部進行配線改造，新增電源模塊，CPU，輸出模塊，基板，主站模塊，通訊模塊，數(shù)據(jù)電纜等；新增一臺800A主斷路器；內(nèi)部元器件的使用，盡量使用原設備自帶的元器件。增加一臺電控箱體，用于安裝新增斷路器、接觸器與變頻器；增加的電控箱體單獨安裝。主洞內(nèi)兩臺驅(qū)動編組，支洞用兩臺驅(qū)動編組。兩套系統(tǒng)之間互相通訊，解決順序啟動問題。單組之間兩臺電機要實際同步驅(qū)動，需進行測試，通訊及控制程序重寫。

同步調(diào)試過程中需進行多次嘗試，在不同轉(zhuǎn)速，負載下測量輸出電流，保證同步。

特別是在采用兩個電機單側(cè)布置時，因陶瓷滾筒包膠可能直徑不完全相同。當雙側(cè)布置時也要保證同步避免輸出功率不一致，另一臺變?yōu)樨撦d。需多次進行測試，在不同頻率輸出下測試，最后找到最佳輸出頻率，也就是兩臺電機輸出轉(zhuǎn)速乘以滾筒直徑等于皮帶線速度。實際測試中一臺頻率輸出設定在50HZ，另一臺滾筒直徑略小，輸出頻率稍高。剎車電阻也要經(jīng)過測試，在本例中由于電機減速機組帶逆止器，未考慮皮帶有料時下坡在電機停機時會反轉(zhuǎn)。而經(jīng)測試電阻在瞬間產(chǎn)生，而新的配置的變頻器上有相應的補償裝置，抵消一部分，減少對電網(wǎng)沖擊，對供電網(wǎng)絡中基本沒有影響。而不考慮剎車電阻。

山區(qū)施工，現(xiàn)場電網(wǎng)防雷設計要考慮，接入的皮帶機系統(tǒng)電源防雷也應考慮。

四、改造效果

電機及減速機如采購供貨期達10個月，嚴重影響工期。采用改造方案既保證了工期。又不必新購電機，減速機等設備，同時在主洞電機驅(qū)動減少一臺，整個工程施工期間節(jié)約電費可觀。

參考文獻：

[1]羅賓斯公司連續(xù)皮帶機操作說明手冊。

[2]羅賓斯公司TBM服務手冊。