帶式輸送機(jī)拉緊裝置的選用與布置設(shè)計(jì)

宋冠霆

中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110015

拉緊裝置是帶式輸送機(jī)的必備部件，可提供驅(qū)動(dòng)(或制動(dòng)) 裝置所需的最小輸送帶張力，限制托輥組間的輸送帶垂度，補(bǔ)償輸送機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸送帶的塑性或彈性變形，為接頭提供輸送帶行程；還可在輸送機(jī)維護(hù)期間釋放輸送帶張力，避免在傾斜線路低位置停機(jī)時(shí)出現(xiàn)輸送帶低張力折疊問(wèn)題。筆者將分析帶式輸送機(jī)對(duì)拉緊裝置的要求與其存在的問(wèn)題，討論拉緊裝置的類型與布置方式，以期為大型帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 帶式輸送機(jī)拉緊裝置的功能要求與存在的問(wèn)題

1.1 帶式輸送機(jī)拉緊裝置的功能要求

ISO 3870—1976[1]規(guī)定，所有帶式輸送機(jī)必須配備輸送帶拉緊裝置，并具有以下功能：

(1) 確保離開(kāi)驅(qū)動(dòng)滾筒的輸送帶有足夠的張力，以避免輸送帶打滑；

(2) 永久確保在輸送機(jī)的裝載點(diǎn)和其他任何位置都具有足夠的輸送帶張力，以保持槽形輸送帶的形狀并限制輸送帶之間的垂度；

(3) 補(bǔ)償由于物理因素 (瞬時(shí)張力、永久伸長(zhǎng)、外部溫度、被輸送物料的溫度或濕度等) 引起的輸送帶長(zhǎng)度變化；

(4) 必要時(shí)提供足夠的輸送帶長(zhǎng)度，以便重新連接而不必添加輸送帶。

帶式輸送機(jī)的拉緊行程可參考 GB 50431—2020《帶式輸送機(jī)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]設(shè)計(jì)，使用織物芯輸送帶的輸送機(jī)長(zhǎng)度小于 300 m 的拉緊行程值可參考ISO 3870—1976[1]設(shè)計(jì)。

一般來(lái)說(shuō)，拉緊裝置應(yīng)能提供足夠的拉緊力和拉緊行程，且具有快速的響應(yīng)速度。為配合驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)要求拉緊速度為 0.5～1.0 m/s，大型帶式輸送機(jī)啟動(dòng)加速度要求控制在 0.1 m/s2以下。當(dāng)控制啟動(dòng)、停機(jī)的方式時(shí)，拉緊裝置的響應(yīng)速度較容易保證，對(duì)拉緊響應(yīng)速度要求最高的情況是長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的自由停機(jī)。

1.2 拉緊裝置存在的問(wèn)題

采用電動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)方式的拉緊裝置很難滿足系統(tǒng)的要求，主要存在以下問(wèn)題。

(1) 拉緊力過(guò)大 許多帶式輸送機(jī)系統(tǒng)依據(jù) ISO 5048 設(shè)計(jì)，采用 1.3～1.5 倍的穩(wěn)定運(yùn)行張力來(lái)確定拉緊力，導(dǎo)致所選拉緊力偏大，這對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行是不利的。特別在帶式輸送機(jī)的過(guò)渡段、凹弧段，拉緊力過(guò)大可能導(dǎo)致輸送帶過(guò)度伸長(zhǎng)，產(chǎn)生輸送帶邊緣和托輥接觸摩擦的問(wèn)題，將對(duì)滾筒施加額外的力，從而影響軸承壽命，使輸送帶接頭過(guò)早的損壞，增加過(guò)渡段輸送帶邊緣的張力，造成滾筒的不均勻磨損。

(2) 拉緊力不足 在不利條件 (天氣潮濕、高溫、輸送帶滿載等) 下，拉緊力不足會(huì)導(dǎo)致輸送帶打滑，損壞托輥。要加大驅(qū)動(dòng)力，補(bǔ)償因輸送帶垂度增加帶來(lái)的阻力。

(3) 拉緊行程不足 拉緊行程不足，達(dá)到行程極限后，拉緊力會(huì)減小。當(dāng)尾部滾筒小車的約束不充分時(shí)，在某些條件下允許將其抬起并從其軌道上移開(kāi)。

(4) 拉緊系統(tǒng)響應(yīng)速度慢 較長(zhǎng)的越野帶式輸送機(jī)或斷電自由停機(jī)工況下，要特別注意，當(dāng)輸送機(jī)的拉緊裝置與驅(qū)動(dòng)裝置距離相當(dāng)遠(yuǎn)時(shí)，有必要在可能出現(xiàn)問(wèn)題的地方增加拉緊裝置。

2 拉緊裝置的形式及其適用范圍

2.1 拉緊裝置的基本形式

帶式輸送機(jī)的拉緊裝置種類繁多，可以按多種方式進(jìn)行分類。筆者介紹了 5 種拉緊方式，并分別對(duì)拉緊原理、適應(yīng)性、響應(yīng)速度、適用范圍等作了分析，如表1 所列。

表1 5 種拉緊方式Tab.1 Five tension methods

重錘拉緊 (自動(dòng)拉緊) 裝置是帶式輸送機(jī)首選的拉緊裝置，可分為垂直式、尾部車式、塔架式。優(yōu)點(diǎn)為拉緊處的輸送帶張力恒定，很少需要手動(dòng)調(diào)整，無(wú)需控制系統(tǒng)、PLC 編程或拉緊力設(shè)定。但由于需要塔架 (或拉緊井筒) 和配重，價(jià)格比固定拉緊裝置貴。

對(duì)于長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的重錘拉緊裝置，需配備緩沖裝置、限位開(kāi)關(guān)以及防墜裝置來(lái)保證系統(tǒng)安全，并配備絞車以方便維護(hù)。重錘防墜落裝置 (見(jiàn)圖1) 由吊架、彈簧裝置 (見(jiàn)圖2) 及鋼絲繩等組成。吊架與拉緊裝置上方的鋼梁連接，彈簧裝置通過(guò)鋼絲繩與拉緊裝置連接。當(dāng)發(fā)生事故，拉緊裝置突然下落，鋼絲繩能夠吊住拉緊裝置，阻止其下落，同時(shí)彈簧裝置將下落的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，起到緩沖作用[3]。

圖1 重錘防墜落裝置Fig.1 Heavy hammerwith anti-falling unit

圖2 彈簧裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of spring unit

自動(dòng)液壓缸和絞車?yán)o雖然具有較高的響應(yīng)速度，但不適用于長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的限矩型液力偶合器以及啟動(dòng)時(shí)間較短的軟啟動(dòng)方式，尤其是拉緊裝置的驅(qū)動(dòng)功率較小時(shí)。該拉緊方式主要應(yīng)用在因空間限制無(wú)法布置重錘拉緊的煤礦井下。

由于液壓缸長(zhǎng)度 (一般為 6～10 m) 的限制，拉緊液壓缸的拉緊方式不適用于長(zhǎng)度大于 1 500 m 的帶式輸送機(jī)。絞車?yán)o方式能夠?qū)⒗o的鋼絲繩纏繞在卷筒上，可以應(yīng)用于長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)和井下順槽可伸縮帶式輸送機(jī)；但相對(duì)于液壓缸，其響應(yīng)速度較慢，無(wú)法吸收帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)輸送帶松邊的伸長(zhǎng)量。為了保持拉緊，絞車?yán)o裝置通常會(huì)配備制動(dòng)器[4]。

2.2 組合拉緊裝置

組合拉緊裝置是由單一基本拉緊裝置組合而成。帶式輸送機(jī)的拉緊功能：用絞車存儲(chǔ)帶式輸送機(jī)的輸送帶接頭、永久伸長(zhǎng)長(zhǎng)度；用重錘或液壓缸吸收帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程中輸送帶的動(dòng)態(tài)伸長(zhǎng)長(zhǎng)度；用重錘調(diào)節(jié)拉緊力。

(1) 液壓缸和絞車組合 (見(jiàn)圖3) 針對(duì)液壓缸和絞車?yán)o的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了液壓缸和絞車組合拉緊的方式。帶式輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，通過(guò)絞車的慢速運(yùn)行來(lái)調(diào)整拉緊車的位置；啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)時(shí)，由液壓缸來(lái)調(diào)整輸送帶的動(dòng)態(tài)伸長(zhǎng)，保持輸送帶的設(shè)定拉緊力。此裝置已應(yīng)用于多個(gè)井下順槽可伸縮帶式輸送機(jī)。

圖3 電動(dòng)絞車與液壓自動(dòng)拉緊組合Fig.3 Combination of electric winch and hydraulic automatic tension

(2) 重錘車和絞車組合方式 (見(jiàn)圖4) 長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)大多采用這種方式，在停機(jī)狀態(tài)下，用絞車調(diào)整輸送帶的伸長(zhǎng)量；運(yùn)行過(guò)程中，絞車固定，通過(guò)重錘的位移來(lái)適應(yīng)輸送帶張力變化引起的伸長(zhǎng)。

圖4 帶式輸送機(jī)組合拉緊裝置布置Fig.4 Layout of combined tension devices for belt conveyor

北方重工為印度電廠提供的 14 200 m 帶式輸送機(jī)，采用車式重錘拉緊組合，滿足拉緊行程及可靠性要求。該拉緊組合主要包括拉緊車、托帶小車、塔架、重錘箱、電動(dòng)絞車、軌道、拉力傳感器、滑輪組等。勝利露天礦至勝利發(fā)電廠輸煤系統(tǒng) 8 600 m(M705) 帶式輸送機(jī)也采用了該拉緊方式。

津巴布韋 ZISCO 公司的 15 600 m 帶式輸送機(jī)，采用塔架式重錘拉緊方式，拉緊系統(tǒng)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。輸送帶計(jì)算拉緊長(zhǎng)度約為 60 m，拉緊行程約為30 m，拉緊塔架高約為 50 m。雖然系統(tǒng)中采用了絞車，但絞車不參與拉緊工作。電動(dòng)絞車可將平衡重錘置于適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行位置或方便維修的位置，當(dāng)輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置或拉緊裝置需要維修時(shí)，將平衡重錘放到地面[5]。

(3) 重錘和制動(dòng)盤(pán)組合 (見(jiàn)圖5、6) 該方式是基于重錘拉緊方式進(jìn)行改進(jìn)，使重錘拉緊方式的拉緊力可調(diào)。將制動(dòng)盤(pán)設(shè)置在重錘拉緊的滑輪上，利用制動(dòng)盤(pán)上制動(dòng)摩擦力的雙向作用，使重錘作用的拉緊力在一定范圍內(nèi)變化。

圖5 使用盤(pán)式制動(dòng)器的絞盤(pán)Fig.5 Winch with disc brake

圖6 重錘和制動(dòng)盤(pán)組合方式Fig.6 Combination of heavy hammer and brake disc

輸送帶的拉緊力

式中：F為輸送帶的張力；F1為與拉緊滾筒相連的鋼絲繩的張力；F2為重錘作用到鋼絲繩的張力；FB為制動(dòng)盤(pán)提供的最大制動(dòng)力；mg為重錘的重力。

由式 (1) 可得，該拉緊裝置能夠提供的拉緊力變化范圍為

(4) 絞車、重錘和液壓缸組合 Henderson 礦PC2 帶式輸送機(jī)采用絞車、重錘和液壓缸組合拉緊方式[6]，如圖7 所示。PC2 帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度為 16 800 m，提升高度為 471 m，帶寬為 1 200 mm，帶速為 6.1 m/s，驅(qū)動(dòng)功率為 4×2 000 kW，采用頭部雙滾筒驅(qū)動(dòng)。由于提升高度較大，對(duì)采用頭部拉緊的電動(dòng)機(jī)斷電工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)尾部輸送帶的張力極低?？紤]了 3 種布置方案，最終選定方案為電動(dòng)機(jī)斷電時(shí)將重錘布置在輸送機(jī)頭部，由一個(gè)位于重錘和地面間的液壓缸組成鎖定機(jī)構(gòu)。正常情況下，輸送機(jī)的電源關(guān)閉時(shí)間約為 150 s。斷電期間，前端拉緊裝置的鎖定可防止輸送帶被送入系統(tǒng)。如果發(fā)生電源故障，兩個(gè)液壓缸腔之間的閥關(guān)閉，防止重錘移動(dòng)?；謴?fù)電源后，閥門將緩慢打開(kāi)，以使輸送帶恢復(fù)正常工作張力。這樣，會(huì)消除向尾部傳播的低張力波，從而產(chǎn)生低張力問(wèn)題。該方案缺點(diǎn)在于拉緊裝置必須能承受比正常預(yù)期更高的輸送帶張力，但是，在這種情況下，該方案仍被證明是最可行的解決方案。

圖7 絞車、重錘和液壓缸組合Fig.7 Combination of winch,heavy hammer,and hydraulic cylinder

3 拉緊裝置的布置設(shè)計(jì)

3.1 拉緊裝置布置的基本原則

(1) 對(duì)于簡(jiǎn)單布置的輸送機(jī)，為減小輸送帶最大張力，上運(yùn)和水平帶式輸送機(jī)將拉緊裝置布置在頭部，下運(yùn)帶式輸送機(jī)將拉緊裝置布置在尾部。

(2) 對(duì)于較長(zhǎng)的帶式輸送機(jī)，需要考慮將拉緊裝置布置在靠近驅(qū)動(dòng)裝置處，以保證驅(qū)動(dòng)滾筒在啟動(dòng)過(guò)程中不打滑。

(3) 拉緊裝置盡可能布置在輸送帶張力最小處，以便減小其結(jié)構(gòu)尺寸，工作時(shí)減小輸送帶附加力。

幾種典型的拉緊裝置布置位置如圖8 所示[7]。圖8(d) 中，將拉緊裝置布置于兩傳動(dòng)滾筒間，并在傳動(dòng)滾筒上設(shè)置制動(dòng)器，可以得到較小的拉緊力[8]。

圖8 典型的拉緊裝置布置位置Fig.8 Typical layout position of tension device

拉緊裝置實(shí)際布置時(shí)，在張力計(jì)算基礎(chǔ)上，還需進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。例如：一條長(zhǎng)為 1 000 m、提升高度為 150 m、輸送量為 1 500 t/h 的輸送機(jī)，若布置在頭部，斷電停機(jī)時(shí)，輸送機(jī)尾部張力降低，有可能出現(xiàn)輸送帶疊帶的問(wèn)題。對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析可知，將拉緊裝置布置在尾部可保證輸送機(jī)的可靠運(yùn)行[9]。

在大型中等長(zhǎng)度距離的帶式輸送機(jī)中，也可根據(jù)滾筒所受張力導(dǎo)致的阻力確定拉緊位置。巴西 VALE公司 CLN 項(xiàng)目 TR-313K-84 帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)中，用戶提出了頭部、尾部拉緊的設(shè)計(jì)方案。計(jì)算輸送機(jī)張力后，確定了頭部拉緊的方案。

3.2 拉緊裝置的多點(diǎn)布置

拉緊裝置的多點(diǎn)布置一般是兩點(diǎn)布置方式。將拉緊裝置進(jìn)行功能分解，采用單獨(dú)的絞車?yán)o裝置吸收輸送帶的溫度變化伸長(zhǎng)量、永久伸長(zhǎng)量、接頭長(zhǎng)度，而將用于吸收動(dòng)態(tài)伸長(zhǎng)量的重錘拉緊裝置布置在輸送機(jī)不同位置，如圖9 所示。

圖9 拉緊裝置兩點(diǎn)布置Fig.9 Two layouts of tension device

大柳塔煤礦主井帶式輸送機(jī)是國(guó)內(nèi)較早采用拉緊裝置兩點(diǎn)布置的帶式輸送機(jī)，機(jī)尾采用固定絞車?yán)o，機(jī)頭采用垂直重錘拉緊。

Barfoot 和 Gauvin 研究了拉緊裝置兩點(diǎn)布置問(wèn)題[10]，將靠近驅(qū)動(dòng)的拉緊裝置稱為主拉緊裝置，設(shè)置在輸送機(jī)線路上低點(diǎn)的拉緊裝置稱為次拉緊裝置，次拉緊裝置采用重錘加鋼絲繩緩沖和機(jī)械限位裝置，分析了采用雙拉緊裝置的可能性，但沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用。因?yàn)檩斔蛶У膹埩κ沁B續(xù)變化的，當(dāng)采用 2 個(gè)重錘拉緊時(shí)，需要 2 個(gè)重錘拉緊具有很好的配合，否則將出現(xiàn)振蕩問(wèn)題。Barfoot[6]認(rèn)為，這種拉緊方式調(diào)試?yán)щy，在 Henderson 礦 PC2 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也未能采用此雙拉緊方案。

南非 Sasol 煤礦 26 700 m 長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)采用了拉緊裝置兩點(diǎn)布置方案[11]，在頭部布置拉緊行程為38 m 帶制動(dòng)盤(pán)的重錘拉緊裝置，對(duì)啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程的拉緊行程和拉緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)；在中間驅(qū)動(dòng)位置布置拉緊行程為 30 m 的絞車?yán)o裝置，以吸收輸送帶的接頭長(zhǎng)度和永久伸長(zhǎng)量。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，大型帶式輸送機(jī)使用拉緊組合越來(lái)越多，但設(shè)計(jì)人員對(duì)組合拉緊的作用尚不清晰。筆者對(duì)帶式輸送機(jī)拉緊裝置的作用和存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析；總結(jié)了螺旋拉緊、固定絞車、自動(dòng)絞車、自動(dòng)液壓缸、重錘式拉緊裝置的拉緊原理與適用性；分析了液壓缸和絞車組合、重錘車和絞車組合、絞車重錘和液壓缸組合、重錘和制動(dòng)盤(pán)組合等多種組合拉緊方式的特性，有助于拉緊裝置的選用；給出了拉緊裝置位置布置的原則；分析了雙拉緊帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中各拉緊的作用，可為大型帶式輸送機(jī)及其拉緊裝置的設(shè)計(jì)提供參考。