圓管帶式輸送機設計要素探究

張廣生，常小林

(太重集團向明智能裝備股份有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

圓管帶式輸送機基于普通皮帶機發展而來,作為一種環保散料輸送設備越來越多地應于地面集運站、冶金、港口和礦山開采中,輸送過程中膠帶在頭、尾過渡段打開,中間部分膠帶包裹全程封閉,物料無揚塵、無灑落,實現了綠色輸送。伴隨圓管帶式輸送機技術的日益成熟,其未來發展趨勢是:①無人自動巡檢機器人的應用;②芳綸帶接頭強度問題若能突破,圓管帶式輸送機的驅動及鋼結構設計上將發生質的變化。圓管帶式輸送機工作過程中會遭遇低溫、雨雪、滿載啟停機、緊急制動停機等各種工況,設計時必須考慮這些工況的存在,以保證圓管帶式輸送機安全正常工作。為此,本文對圓管帶式輸送機的設計要素進行了探究。

1 圓管帶式輸送機的組成及特點

圓管帶式輸送機在尾部受料,經尾部過渡段逐漸將膠帶卷成圓管狀進行物料封閉輸送,經過頭部過渡段再逐步將膠帶展開至卸料。圓管帶式輸送機由驅動滾筒、改向滾筒、機頭過渡段、機身桁架及立柱、機尾過渡段、驅動裝置、拉緊裝置、六邊型托輥、中部走道、翻帶裝置及膠帶組成,如圖1所示。

圖1 圓管帶式輸送機組成

圓管帶式輸送機的主要特點是物料全封閉輸送、運輸線路可以沿地形水平及垂直面彎曲、可實現雙向物料輸送、運行過程無膠帶跑偏。

2 圓管帶式輸送機設計要素

2.1 選擇合適的線路地形

圓管帶式輸送機需要依據起點與終點之間的地形選擇合適的線路進行設計,線路地形選擇的合適與否直接影響圓管帶式輸送機的裝機功率、膠帶選型、鋼結構用鋼量和后期設備安裝等。圓管帶式輸送機線路應避讓沿線村莊、廠區、自然保護區和采礦坍陷區,盡量避免占用基本農田、跨越省級公路、高速公路、寬闊河流,山區內盡量避免開隧道。

北方工礦企業大多在山區,地形起伏蜿蜒,線路通常在平、立面起伏拐彎。線路小曲率半徑必須滿足設計要求,平面線路最小曲率半徑根據膠帶類型須滿足表1規定要求,立面線路最小曲率半徑根據膠帶類型須滿足表2規定要求[1]。聚酯和聚氨酯織物芯輸送帶水平轉彎段對應的最大圓心角不宜超過100°,鋼絲繩芯輸送帶水平轉彎對應的最大圓心角不宜超過90°。

表1 平面線路最小曲率半徑Rmin與輸送帶類型、管徑及曲線段圓心角的關系

表2 立面線路最小曲率半徑Rmin與輸送帶及曲線類型的關系

當凸弧與凹弧相鄰布置時,兩曲線段間應通過直線段連接,直線段的最小長度LS按以下公式計算:

(1) 聚酯織物芯和聚氨酯織物芯輸送帶:LS≥50dg。

(2) 鋼絲繩芯輸送帶:LS≥100dg。

2.2 膠帶特性的選取

膠帶是圓管帶式輸送機的核心組成部分,占整機投資的30%～45%,膠帶的特性選取對于圓管帶式輸送機至關重要。膠帶的強度是輸送帶的主要技術指標,主要包括兩部分:①縱向拉伸強度,即通常所說的帶強;②橫向剛性,由于測試方法和測試結果的復雜性,其橫向剛度值一直沒有在國家標準中提出,一般都是由膠帶廠家根據自己實際生產工藝給定。目前關于膠帶的橫向剛性,只有石油化工行業內標準T/CPCIF 0022-2018《管狀帶式輸送橫向剛性和屈撓疲勞性能實驗方法》規定的一種測試實驗方法[2]。

圓管帶式輸送機膠帶橫向剛性是影響膠帶成型的一個重要參數值,其剛性過大或過小都會對膠帶的使用性能、功率消耗、使用壽命產生直接影響。膠帶橫向剛性值大小對圓管帶式輸送機的主要影響如下:

橫向剛性太大,難以成管,直接導致前期圓管帶式輸送機的安裝穿帶過程比較困難。穿帶完成后,由于膠帶反彈力使桁架上托輥受到的徑向力增大,開機運行托輥與膠帶摩擦阻力增大,導致托輥磨損嚴重、使用壽命降低、電機運行功率增大。橫向剛性太小,則容易出現塌管現象,如圖2所示。塌管后六邊形托輥無法全部有效支撐膠帶,導致膠帶在運行過程中扭轉。當膠帶扭轉嚴重出現膠帶反包,引起膠帶搭接處出現縫隙造成圓管帶式輸送機沿線撒料。

圖2 膠帶成管后出現塌管現象

設計圓管帶式輸送機時,選擇合適的膠帶是非常重要的,如果膠帶的特性已確定,則圓管帶式輸送機的可靠性也就確定了。所以設計選定膠帶后,必須讓膠帶廠家提供選定膠帶的橫向剛性值實驗數據,以便于進行復核計算。

2.3 環境氣候對圓管帶式輸送機的影響

圓管帶式輸送機在設計前期必須考慮設備所屬地區環境氣候,如多雨雪、溫差、常年多風等因素的影響。

(1) 圓管帶式輸送機在運行過程遭遇雨雪時,當膠帶面被雨雪水打濕后,雨水在膠帶與托輥之間形成水膜,導致膠帶與托輥摩擦力變小,在線路轉彎段由于膠帶內物料離心力易造成膠帶滑移扭轉,影響圓管帶式輸送機運行安全。因此,在多雨雪的地區必須考慮在桁架上加裝防雨罩,覆蓋桁架及行人走道兩側,以減少雨雪對圓管帶式輸送機運行過程的影響。

(2) 圓管帶式輸送機在設計過程中選擇膠帶應考慮地區溫度因素。當工作環境溫度低于-25 ℃時,宜選擇耐寒膠帶;當輸送物料溫度高于60 ℃時,宜選用耐熱膠帶。圓管帶式輸送機主要用于地面輸送系統,工作地區冬季晝夜溫差對運行功率的影響較大[3],溫度修正系數見表3。

表3 溫度修正系數

圓管帶式輸送機主要阻力計算模擬摩擦因數f為:

f=f0f1f2f3.

其中:f0為基準模擬摩擦因數;f1為管徑修正系數;f2為膠帶拉伸強度修正系數;f3為溫度修正系數。

例如:某工程案例DG300圓管帶式輸送機選用鋼絲繩芯膠帶,線路長度為1 921.3 m,運量為500 t/h,帶速為3.15 m/s,設計時選取電機功率為710 kW,工作環境溫度分別在-10 ℃和-20 ℃時的計算結果如圖3、圖4所示。

圖3 -10 ℃計算結果

圖4 -20 ℃計算結果

由圖3和圖4可以看出:滿載工況下,當工作環境溫度為-10 ℃時,啟動功率為613 kW(見圖3),工作環境溫度為-20 ℃時啟動功率為732 kW,設計功率不滿足使用要求,張緊力也不滿足,必須增加13 kN張緊力(見圖4),否則驅動滾筒處易打滑;膠帶啟動安全系數隨溫度的變化由-10 ℃時的10.01變為-20 ℃時的9.07。由此可見,溫度對圓管帶式輸送機的影響遠遠不止是運行功率,所以在圓管帶式輸送機設計時溫度是一個重要的設計參照要素。

(3) 圓管帶式輸送機安裝后桁架、立柱構成一個整體,當風載作用于整體鋼結構上,鋼結構的剛度和強度須滿足設計要求。在風載動態環境下,即脈動風壓作用下,圓管帶式輸送機整體鋼結構易產生失穩。

作用于鋼結構上的風載荷計算公式為:

Pf=CKhqA.

其中:C為風壓系數;Kh為風壓高度變化系數;q為計算風壓;A為鋼結構垂直于風向的迎風面積。

在多風環境下盡量減小鋼結構迎風面積,可有效減小對桁架的作用載荷。設計時通常在最大風載工況下對桁架與立柱進行整體受力加載分析。在滿足鋼結構剛度和強度的要求下,應盡量優化桿件選型,減少用鋼量。

3 結語

圓管帶式輸送機是依據地形起伏敷設于地面的輸送系統,在設計過程中除了考慮膠帶的粘彈特性,還需考慮線路選擇、地區自然環境因素、物料特性等多種因素。設計過程綜合考量確保圓管帶式輸送機安全、可靠及穩定運行有著非常重要的意義。