帶式輸送機轉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 內蒙古錫林浩特 026000 2中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司 遼寧沈陽 110015 3東北大學機械工程與自動化學院 遼寧沈陽 110819

在散料輸送與裝卸過程中必然存在物料的轉載環節，轉載設計研究得到了廣泛的關注。轉載設計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生最小的沖擊、磨損、撒料和粉塵現象；避免輸送物料的蛻化 (指物料的破碎或混合其他種類物料，造成產品品質下降和塊度變小)；確保物料卸載至帶式輸送機中心，并與帶式輸送機運行方向一致且具有接近的速度；確保料流連續，不在溜槽中阻塞；控制轉載速度，以減緩粉塵的生成；轉載溜槽的容積可以滿足正常工作，包括滿載啟動和停機等情況。

有關轉載溜槽的設計與應用已經進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計會議，涉及溜槽設計、料流軌跡、物料逃逸、設計實例、控制物料蛻化、襯板選擇及溜槽存在問題等內容。近年來，由于 FEM、DEM、CFD 等軟件的應用，轉載溜槽的研究也成為熱點之一，國內雖然發表了一些轉載溜槽的論文，但大多是針對具體工程項目所存在的問題進行改進，缺乏系統性。葉濤等人以工程轉載系統實例為研究對象，采用 DEM 仿真方法進行了轉載站的結構優化[1]。趙瓊等人通過帶式輸送機卸料軌跡的計算和實際使用中存在的問題，對轉載漏斗進行了改進[2]。

本文是帶式輸送機轉載溜槽設計計算方法研究系列之一，主要涉及轉載溜槽的概念及其應用場合，對現有轉載溜槽的種類、特點及選用進行分析，以期為轉載溜槽的設計選用提供參考。有關轉載溜槽的設計計算方法將另文討論。

1 轉載溜槽的定義及其設計原則

牛津字典中的溜槽定義為“用于將物品轉載到較低高度的傾斜通道或滑道”，轉載溜槽涉及輸送機之間的轉載，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，如果其設計和維護不當，會造成系統每年的停機時間多達 12～16 周，一個轉載溜槽的維護費用多達上百萬元。在轉載溜槽的使用過程中，經常出現的問題包括：給料區物料湍流，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，溜槽和裙板的結構支撐缺陷，加載到過渡段、結構件的腐蝕等等。這些問題的根源在于轉載溜槽的設計缺陷。

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

(1)避免在沖擊點堵塞 要求卸料滾筒到溜槽沖擊點間要有足夠的距離，以避免物料沖擊到溜槽后反彈造成物料向上運動，溜槽要保證有足夠的傾斜角度，在鐵礦石行業普遍要求最小傾斜角度為 65°～70°，設計規范為 55°以上。

(2)確保足夠的截面 一般要求落料管截面為轉載物料所占截面的 3～4 倍。這里存在一對矛盾：截面越大，料流通過越順暢，不易產生堵料；而過大的截面又導致料流發散，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，一般要求物料經過上部導流板后垂直下落，并且保證給料到受料輸送機上應對中給料，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。由于物料經過溜槽時會對襯板產生磨損，襯板表面經過摩擦后會趨于光滑，因而一些設計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，物料通過溜槽時盡量保持穩定的速度，給料到受料輸送機上時與輸送帶運行方向一致，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。

上述設計原則有的存在相互制約的問題，而避免轉載溜槽堵料是首要問題，因為堵塞意味著轉載溜槽的功能失效。

2 轉載溜槽的類型

轉載物料種類繁多，包括很細的氧化鋁粉，大塊的或塊度差較大的原礦，流動性好的糧食，流動性差的黏濕物料，磨琢性強的鐵、銅礦石和球團等。不同類型的物料及不同的工藝條件需要不同結構形式的轉載溜槽，例如配料時的復雜溜槽，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、分叉溜槽，向振動給料機、板式給料機給料的溜槽[6]等。

由于早期的帶式輸送機輸送量小且帶速較低，大多數是將物料直接卸料到轉載溜槽的漏斗中。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 60 年代提出了巖箱形溜槽的概念 (Rock Box，俗稱料打料)，當人們注意到出現物料的蛻化和粉塵問題后，將導流板和曲線溜槽引入到轉載系統中，曲線溜槽的概念已經得到廣泛的認可。針對轉載溜槽的粉塵抑制問題，由于采用風機進行除塵，又造成更多的粉塵，因而又提出了無動力抑塵的概念和工程應用。下面討論各種轉載溜槽的特點與應用條件，為轉載溜槽的選擇提供參考。

2.1 導流板和曲線溜槽

導流板和曲線溜槽是由格蘭斯通港務局的 Alan Huth 設計和開發的，最初用于改善港口裝船。之所以稱為導流板和曲線溜槽是因為在溜槽頂部裝有一個拋物線形狀的碟形罩導流板，底部裝有一個類似勺子的溜槽 (見圖 1)[6]。由于設計原理來自流體力學，將散狀固體物料流看作流體，設計者試圖首先將物料流導流到垂直方向，然后控制引導物料通過轉載溜槽給料到受料輸送機上。由于其對料流的良好控制，有利于減少誘導空氣并降低粉塵的生成，理論上無動力抑塵轉載應該采用此類轉載溜槽。

圖1 導流板和曲線溜槽Fig.1 Hood and scoop chute

這種轉載溜槽盡管已在煤炭工業以外行業廣泛使用，但卻存在以下問題：

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

(2)兩個導流板部件容易磨損，因此在處理磨琢物料時，導流板的壽命可能是一個嚴重的問題。

(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)由于設計依賴于流體流動控制，因此襯板材料的表面粗糙度將影響轉載性能，當處理可能阻礙轉載的黏濕性材料時，應慎重考慮。

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方向，這是最早的改變料流方向的轉載方式。這種方法造成在沖擊時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上。使用沖擊板可能會導致某些產品的蛻化，還會產生粉塵和噪聲，并使物料在受料輸送機的裙邊周圍溢出。

沖擊板易受塊料的磨蝕及沖擊磨損 (某些礦物的細粒組分可能有很強的磨琢性)，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。這種類型轉載的優點是顯而易見的，價格便宜且易于設計及建造。

2.3 導流板

導流板實際上是沖擊板的擴展，或更準確地說是沖擊板的自然演變。隨著輸送機速度的增加，物料可能從沖擊板的表面反彈，在轉載溜槽內產生不受控制的物料流，繼而導致在受料輸送機上的不良承載，并因此造成跑偏問題。正是出于這些考慮，對沖擊板進行了修改，使沖擊板成為導流板，從而控制輸送頂端的物料流。設計導流板的關鍵是要了解物料軌跡，并隨之進行調整，因此最早的導流板是由現場工程師設計和建造的，以解決現場轉載中出現的問題。

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，以免損壞產品或導致受料輸送帶撕裂。它設計成開放箱式的巖石壁架，使得礦石可以流入巖箱并且當它填充時溢出才會到受料輸送機上。一些早期設計是清空巖箱中礦石，而現在大多數設計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小的凸緣。35°～45°之間的來料將呈現一個自然堆積角，礦石從該表面開始導流到受料輸送機上。存在問題：由于物料流通過轉載站時速度顯著減慢，因此會限制輸送機能力；當帶速超過 2.5 m/s，必須注意轉載能力與輸送量相匹配；會產生物料的蛻化，造成粉塵和噪聲問題；當處理黏濕物料時容易阻塞，因此需要定期清理；產品落在受料輸送機上的水平速度很小或沒有，必須通過受料輸送機來進行加速，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很常見。設計的關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量，同時允許物料和螺旋溜槽表面產生摩擦，使物料在整個轉載中得到完全引導。缺點有：所處理的物料必須相對自由流動，黏性物料會迅速阻塞螺旋；螺旋可分離物料中的塊料和細料，細粒傾向于減速并流向螺旋的側面，而塊狀物傾向于加速并在螺旋溜槽中心運動；如果存在自由水，物料可能會以不受控制的方式向下流動；由于物料流動的導向特性，襯板磨損是一個問題；對于沒有經驗的設計師來說，設計成本相對較高，建造成本相對較低，但維護成本很高。落差高度應適中，特別是物料給料速度較低時，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，則高度也會增加。由于不會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，從帶式輸送機卸下的物料沿直的、傾斜的、反向的導料溜槽下滑到料倉，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與倉壁或料倉的物料相遇時不會揚塵。這種倉式下降溜槽能消除揚塵，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的物料分級。

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

2.7 積料階梯

許多規范規定帶式輸送機向料堆輸送石塊時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卸料點下面安設一個積料階梯 (見圖 4)，實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 工程公司設計的 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 轉載系統可處理轉運點的散狀物料，物料流通過瀑布溜槽從一個溜槽落到另一個溜槽，就像瀑布一樣。瀑布溜槽為巖箱結構的變形，因為它是由多個壁架而不是一個或兩個壁架組成 (見圖 5)。瀑布溜槽有 2 種用途：一種用于控制通過轉載站的物料速度；另一種用于推動礦石流中的礦石，因此在處理高磨蝕性物料時大大延長了維護周期。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]設計的，圖 7 所示為其基本設計。這種溜槽內部是由多個可調角度的漏斗級聯起來，以控制料流的落料速度，其外側采用可伸縮的護罩進一步避免粉塵的逃逸。伸縮段通常由鋼絲繩與一臺卷揚機相聯接，卷揚機將伸縮段陸續地提升起來，使溜槽底部與儲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，盡管價格相對昂貴，但是鑒于它是針對特定的應用開發的，因此在粉塵和物料蛻化的情況下應予以考慮。從實際使用情況看，特別適用于化肥、氧化鋁粉和煤炭等易產生粉塵的物料轉載。

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

2.10 復雜轉載溜槽

當在一個轉載點有多個給料或受料輸送機時轉載難度更大，在很多實例中，可能有一個給料輸送機為二三個甚至多個受料輸送機供料，這時上面溜槽要增加閘門或轉向料斗，才能將料流導到下面的溜槽上，相應地也需要分流裝載，同時轉載到幾條輸送機上，或者在輸送系統運行過程中在輸送機間開閉 (在線分流和在線開閉)，這種情況不能使用傳統的閘門，而采用轉向料斗是較好的解決方案 (見圖 8)。盡管復雜轉載溜槽存在多個轉載路徑，但各個轉載路徑的基本構成與前面介紹的溜槽結構相同。

圖8 復雜的分叉漏斗Fig.8 Complex branching chute

3 各種溜槽的對比及故障原因分析

根據以上所分析的各種溜槽的特點，將各種溜槽性能對比如表 1 所列，可作為選用轉載溜槽時的參考。

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

4 結語

對轉載溜槽的定義和設計原則進行了介紹，分析了轉載溜槽的結構型式和特點，對比了各種轉載溜槽的成本、維護費用、適用帶速和物料種類、控制料流能力、卸料高度及設計復雜度等方面。盡管導流板和曲線溜槽結構復雜，維護費用較高，但在轉載站的適用性方面具有優勢，特別是在轉載站要求較高的情況下可以采用；沖擊板為導流板的簡化形式，在一些導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載。在設計選擇轉載溜槽時可參考表 1，轉載溜槽故障的快速查找指南可用于轉載溜槽的故障分析與維護。

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

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