管狀帶式輸送機膠帶特性

彭二英

福建龍凈環保股份有限公司 龍巖 364000

0 引言

帶式輸送機作為散料運輸中解決環保、能源、交通、勞動力和生產安全性最為經濟有效的設備，在煤炭、礦山、冶金、電力、港口、化工和建材等行業得到了廣泛的應用。隨著國家對生態環境保護的重視，用戶對散料輸送中無組織排放愈加重視，敞開式帶式輸送機逐步向封閉式轉化。根據生態環境部《重污染天氣重點行業應急減排措施制定技術指南（2020年修訂版）》，對于可自主采取減排措施的A級企業，廠內散料（如鐵精礦、石灰石等大宗物料及煤、焦粉等燃料）要求采用封閉通廊、密閉皮帶或管狀帶式輸送機（以下簡稱管帶機）等方式密閉輸送。而這其中，管帶機的發展尤為迅速。

1 管帶機的特點

管帶機是在槽形帶式輸送機基礎上發展起來的一類特種輸送機，通過托輥組施加強制力將平狀輸送帶導向成圓管狀，使輸送物料被密閉在圓管內，從而在輸送線路中實現封閉輸送的設備[1]。相比槽形帶式輸送機，管帶機具有如下特點：

1）能密閉輸送物料 除頭尾展開段外，物料被封閉在輸送帶形成的圓管內輸送，沿程沒有物料灑落和異物侵入的風險。

2）路徑能在空間曲線靈活布置 由于輸送帶卷曲成圓管狀，可在復雜地形的空間任意彎曲布置，如繞過建筑物和山丘、跨過河流、公路和鐵路等，并減少中間轉運站。

3）具備大傾角、雙向和長距離輸送物料 由于膠帶形成管狀，運行時增加了物料與輸送帶及物料內部的接觸面積和摩擦力，輸送傾角可由槽形帶式輸送機的18°提高到30°。對于承載段和回程段均采用圓管狀布置的管帶，在回程段加裝受料口即可實現雙向輸送物料。

4）節省占地面積 管帶機的機架寬度較槽形帶式輸送機窄，在同等輸送截面的情況下，采用管帶機在寬度方向上可減為原來的1/3，減少占地面積和單位鋼耗。

2 管帶機對膠帶的要求

管帶機是由機架、滾筒、托輥、輸送帶、張緊裝置、導料槽和清掃器等部分組成。不同之處是在中間輸送段通過六邊形的托輥組，強制將輸送帶擠壓成圓管狀；但不是完全的圓形，膠帶兩端有一定的搭接距離。頭尾過渡段設有不同槽角的托輥組和其他輔助裝置，實現輸送帶在圓管狀與平形帶之間的轉換。

管帶機的技術關鍵是輸送帶圓管狀的形成和穩定，其一方面和機體的結構設計有關，如托輥組的間距和布置形式等；另一方面則取決于所采用膠帶的性質、成圓的難易程度。

管帶機要求輸送帶在各種工況下，無論是直線段或是曲線段，都要保持良好的成管形狀和邊緣緊密搭接；特別是在曲線段，膠帶受到較大的向心力更容易變形。故管帶機的膠帶需滿足：1）膠帶需具有適宜的橫向剛性以保持良好的管狀和密封性，避免出現塌管或阻力過大無法運轉的情形；2）膠帶具有良好的彈性和縱向柔韌性，確保膠帶能反復、長期經受劇烈的彎曲和壓縮；3）膠帶應適應運輸物料的特性，如耐油、耐酸堿、耐熱和耐磨等，同時滿足特定使用環境的要求，如耐寒、阻燃等[2]。

3 管帶機輸送帶的橫向剛性

3.1 橫向剛性對管帶機的影響

膠帶作為管帶機的承載件和牽引構件，應具有良好的抗拉強度、一定的橫向剛性和柔性及抗屈撓疲勞性能。曲線布置的管帶機為維持管狀需要膠帶具有一定的橫向剛性，即在曲線段抵抗膠帶的張力使其圓形發生改變的能力。管帶機張力、轉彎角度越大需要膠帶具備的橫向剛性就越大。膠帶的橫向剛性是管帶機設計計算的基礎，也是管帶機膠帶同槽形帶式輸送機膠帶最本質的區別[3]。

橫向剛性對管帶機的使用性能、功率消耗、運行壽命等產生直接影響，過大或過小都不合適。橫向剛性太大膠帶難以成圓管狀，即使在托輥組強制作用下形成管狀，其搭接密封程度和穩定性也較差，在運行過程尤其是在轉彎或爬坡時，易導致搭接位置錯位，出現散料的情形。同時橫向剛度大的輸送帶對托輥正壓力大，使托輥軸承受的徑向力增大，增大了托輥和輸送帶間的摩擦力，降低了托輥和膠帶的使用壽命，增加了運行電耗，嚴重時會出現無法啟動的情況。橫向剛性太小則容易塌管，無法形成圓管輸送。即使能形成管狀，搭接長度過大也易產生縫隙，引起物料泄漏，甚至出現在運行過程中膠帶卡入托輥間的事故[4]。

3.2 橫向剛性的測試

橫向剛性為管帶橫向兩端搭接重疊單位長度上向外反彈的力，單位為g/75 mm，測試的試驗機示意見圖1[5]。測定方法為：距帶頭端500 mm處截取75 mm全寬度的試樣，迅速卷成標稱圓形，放入橫向剛性測定儀，使重疊搭接口對準安裝傳感器的上托輥，壓下重疊處下層端頭，使上層端頭處于上下層不接觸的空蕩狀態，按壓上層端頭，使其反彈彈壓上托輥的力為橫向剛性值[6]。

圖1 管帶橫向剛性試驗機

為了避免橫向剛性測試過程中受限于測試人員、測試機器不同等因素，葉聰等提出在剛性試驗機上，采用連續長時間周期性測試，得到管帶橫向剛性值的衰減數據[7]。T/CPCIF 0022—2018《管狀輸送帶橫向剛性和屈撓疲勞性能試驗方法》指出初始橫向剛性和重復橫向剛性的概念，前者是指試驗開始后，上托輥對試樣施加循環曲撓至第50次結束前5次橫向剛性值的中位數。后者是指試驗開始后，上托輥對試樣施加循環曲撓至第10 000次結束前5次橫向剛性值的中位數[5]。這對于指導、預測管帶的應用情況、成管狀況、使用壽命等具有重要意義。

針對目前的測試系統只能測試靜態時正常力，不能測試管帶轉彎時的剛性值，李東良等提出了一種新的管狀帶橫向剛性測試系統，包括水平段剛性測試系統和轉彎段剛性測試系統，通過增加側向力的配重來增減轉彎時的力，可以模擬管帶運行轉彎時的剛性變化[8]。

3.3 不同輸送帶的橫向剛性

根據骨架材料的不同，管帶可分為織物芯管狀輸送帶和鋼絲繩芯管狀輸送帶。對于織物芯管狀輸送帶，纖維特性、織物結構和層數、覆蓋膠厚度是影響輸送帶物理性能的重要因素。目前最常用的骨架材料是以高模量、低伸長率和低收縮的滌綸為經向織物，模量低、高伸長率的錦綸為緯向織物，簡稱EP帶[9]。通過選擇合適系列的經緯線纖維、編織工藝和層數，以及調整覆蓋膠的厚度，可得到不同橫向剛性要求的輸送帶。

對于鋼絲繩芯管狀輸送帶，為了調節其橫向剛性，通常是在上（下）覆蓋膠和中膠之間設置橫向剛性增強內（外）層，橫向剛性增強層與上下覆蓋膠、中膠交聯硫化連接為一體實現，如圖2所示，增強層可選用合適系列的帆布或鋼絲網。馬培瑜等公開了一種橫向剛性可控的管帶制作工藝，橫向剛性增強層采用橫向取向短纖維，通過調整短纖維的參數有效調控橫向剛性增強層的彈性模量，有效調控管狀輸送帶橫向剛性，彌補現有管狀帶橫向剛性鋼絲網系列短、選擇范圍窄、精確選擇受限的缺陷[10]。徐志軍等公開了一種通過調節骨架鋼絲繩間距調節橫向剛性的管狀輸送帶。大直徑（Φ8～Φ12mm）的鋼絲繩非均勻縱向排布在帶體中部，小直徑（Φ3～Φ5mm）的鋼絲繩均勻排布在帶體兩端，合計占帶體橫向總寬度的18%～30%[11]。

圖2 鋼絲繩芯管帶結構示意圖

3.4 橫向剛性的取值

管帶的橫向剛性值根據試驗機測試數據和實際運行累積的經驗確定。橫向剛性與輸送帶使用的環境、轉彎及爬坡角度、速度、管徑和長度等條件均有關系，常規管帶機膠帶的橫向剛性可按表1選擇。

表1 不同管徑的管帶橫向剛性

4 管帶機輸送帶彈性體的選擇

對于管帶機的輸送帶而言，膠帶兩邊搭接部分要比中間部分撓性好，使輸送帶成圓管狀后有較好的密封性和圓度。管帶的彈性體成階梯狀，邊緣A處芯層薄（見圖3），從而具有較好的柔性，保證邊緣搭接部分有較好的密封性。

圖3 管帶機輸送帶結構示意圖

根據運輸物料的性質，管帶的覆蓋膠層除了具有耐磨、耐撕裂和耐沖擊性能外，還應具有耐寒、耐熱、耐油、耐酸堿、阻燃等性能。覆蓋膠的配方設計原理和加工工藝與普通帶式輸送機膠帶基本相同。如耐寒膠帶可選用順丁橡膠和天然橡膠[12]，耐油膠帶可選用含15%～20%丙烯腈的丁腈橡膠[13]，阻燃膠帶可選用氯丁膠[14]，耐熱及耐化學藥品要求較高時可選用三元乙丙橡膠和硅橡膠[15]等。并可參照相應的標準，如HG/T 3647—1999《耐寒輸送帶》、HG/T 3714—2014《耐油輸送帶》、GB/T 33510—2017《耐熱橡膠覆蓋層輸送帶覆蓋層的耐熱性 要求和試驗方法》等對輸送帶進行驗收。

5 展望

隨著清潔輸送要求的提高，管帶機在越來越多的行業得到了應用，逐步向長距離、大運量、大傾角、高速度、低功耗的方向發展，除了對管帶機機體的設計提出個性化的精細設計要求外，還要求輸送帶向高強度、輕量化、低伸長率、多品種的方向前進。

輸送帶作為管帶機的核心部件之一，在運行過程中受力是極其復雜的，除受縱向的拉伸應力外，還受經過滾筒和托輥組的彎曲應力、落料點物料的沖擊力等，并隨著環境、帶速、運量等變化。合理選擇輸送帶的骨架材料、橡膠配方，優化設計輸送帶的結構對管帶機的平穩、低阻經濟、長壽命運行十分重要。橫向剛性作為管帶機膠帶區別于普通輸送帶的特性，在設計中應引起高度重視。