掘進機后配套帶式輸送機小轉彎技術研究

夏 茜

（中國鐵建重工集團股份有限公司，長沙 410100）

0 引言

隨著隧道工程的大力發展，采用掘進機進行隧道開挖已得到廣泛的推廣應用，伴隨該工法而來的有效出渣問題被更多關注。掘進機后配套帶式輸送機一般為直線布置，可減小輸送距離，避免跑偏。由于隧道施工工況越來越復雜，小轉彎工程逐漸增多，現有技術遇到瓶頸，尤其是超小轉彎時，輸送帶跑偏、撒料等問題的出現，直接影響設備運行，對掘進機施工形成了極大制約[1]。

1 帶式輸送機轉彎方式

帶式輸送機的曲線布置一般通過串聯搭接、強制改向和自然轉彎三種方法來實現[2]。

（1）串聯搭接。由多條直線輸送機頭尾搭接，完成物料輸送，由于掘進機后配套帶式輸送機的安裝空間有限，該方法明顯不適用，且多次搭接增加了故障點。

（2）強制改向。即通過滾筒等轉向裝置，讓輸送帶強行沿預設路線運行，但隧道施工路線復雜，掘進過程中可能存在多個不同半徑的轉彎，轉彎方向也不一致，此時強制改向就不適用了。

（3）自然轉彎。讓輸送帶在沒有安裝強制措施的前提下自己能夠轉彎，這樣的轉彎不局限于固定半徑，可大大減小輸送帶磨損，降低成本和維修費用，因此在目前工程上較受歡迎。

2 平面自然轉彎理論計算與影響因素

在未采取任何措施的情況下，轉彎段輸送帶單元兩端的張力、托輥阻力以及托輥與輸送帶間橫向摩擦力的合力將充當向心力，輸送帶在此作用下向內側偏移，所以要實現平面轉彎，需施加一個力與向心力平衡[3

]。

當存在水平轉彎時，應先計算出理論最小轉彎半徑，在計算轉彎半徑時須分別依照受力平衡條件、側邊應力條件及側邊位置條件[4]。

（1）符合受力平衡條件

轉彎段輸送帶在向心方向所受合力為零，即輸送帶受力平衡：

式中Sy為轉彎段起點處張力；qt為承載托輥旋轉部分單位質量；qb為輸送帶單位質量；ω′為運行阻力系數；θ為轉彎角度；μ1為導來摩擦系數。

（2）符合側邊應力條件

轉彎段輸送帶的側邊應力不應超過其許用值：

B為帶寬；Se為輸送帶許用應力；S1為轉彎段終點處張力；E0為輸送帶拉伸剛度。

（3）符合側邊位置條件

轉彎段輸送帶外緣不得飄起：

式中Sm為轉彎段張力峰值；λ為輸送帶外緣與水平面夾角。

帶式輸送機的理論轉彎半徑取上述三種結果的最大值。

依照平面轉彎基本原理，調整轉彎段托輥組以使輸送帶受到抵消向心力的離心推力，可采用以下措施：

（1）改變托輥安裝支撐角。應用托輥組前傾原理，使輸送帶向轉彎內曲線偏移時，產生向外的導向摩擦力。

（2）增大托輥成槽角。目前掘進機帶式輸送機選用的基本是三托輥形式，槽角一般為30°～ 45°。

（3）增大內曲線抬高角。使輸送帶和物料的重力產生離心分力，以平衡由輸送帶張力產生的向心力。

（4）回程輸送帶增設壓輥，以增加托輥給予輸送帶的橫向摩擦力。

（5）輸送帶內曲線側加裝立輥，能夠有效限制輸送帶的跑偏。

3 某工程掘進機后配套帶式輸送機轉彎分析

根據式1，為了減小轉彎半徑，可增大導來摩擦系數μ1。

式中K1、K2、K3為重力分配系數；μ為托輥與輸送帶之間的橫摩擦系數。

圖1 中列出了在不同內曲線抬高角和成槽角時的導來摩擦系數值。

圖1 不同內曲線抬高角與槽角對應的導來系數

可以看出，導來系數基本隨內曲線抬高角和槽角的增大而線性增加。針對某掘進機隧道施工項目，后配套帶式輸送機帶寬800 mm，槽角45°，轉彎時帶速2 m/s，轉彎段長60 m，目標半徑40 m，根據三個條件計算其轉彎半徑（表1）。

表1 槽角45°時的計算轉彎半徑

當內曲線不變時，最小轉彎半徑取R=R1=90 m，當內曲線抬高至5°時，最小轉彎半徑取R=R1=57m，顯然無法滿足工程需求。

因此，在既有措施的基礎上，需增加其他輔助措施，以順利實現小轉彎。本項研究中采用三項措施：

①繼續加大內曲線抬高角，出于防撒料考慮，目前普遍認為抬高角不超過5°，在此將抬高角加大至8°，并通過實驗驗證其可行性。

②在曲線中段外側增加上部擋邊裝置，通過增大上壓力的方式增加摩擦，緩解輸送帶的翻邊和跑偏。

③在充分考慮安裝空間的前提下，增大內移距δ，即通過移動帶式輸送機支架，改變原始轉彎半徑，盡可能使半徑加大。

④針對轉彎時輸送帶內外兩側弧長的差值造成輸送帶的單側浪涌，在內側輸送帶處分段設置壓帶輥。

4 平面自然轉彎實驗驗證

4.1 實驗設備

帶式輸送機1套（長度60 m）、底部工裝一套、不同粒徑（≤ 200 mm）組成的渣石5方。

其中帶式輸送機技術參數如表2：

4.2 實驗工況與結果

分析實驗結果表3可知，各項轉彎措施對實際轉彎效果起到了不同的影響，其中，在確保不出現撒料的情況下，可以適當增加內曲線抬高角；在轉彎中段的外側增設擋邊裝置起到了很好的防翻帶作用。

表3 后配套帶式輸送機試驗結果

通過托輥支架在模擬拖車的工裝上移動，一定程度上增大了原有的轉彎半徑；曲線內側下壓輥緩解了輸送帶的浪涌情況。該復合式調偏技術應用在模擬試驗中圖2，實現了最小曲率半徑30m的突破。實際工程中，該項技術也已經應用在豐陽煤礦等項目，工程實際最小轉彎半徑為35m。

圖2 30m轉彎

5 結語

本文對掘進機后配套帶式輸送機的轉彎影響因素進行分析，并通過實驗加以驗證，得到結論：適當增大內曲線抬高角、曲線外側增加擋邊裝置、增大內移距、輸送帶內側設置單側壓輥等措施能夠實現掘進機后配套帶式輸送機的平面自然小轉彎，有效解決了小轉彎半徑隧道的出渣問題，此外，對于隧道連續帶式輸送機的轉彎設計也同樣起到了指導作用。