帶式輸送機(jī)額定出力計(jì)算研究

劉國瑞，邵文杰

(上海電氣電站工程公司，上海 201612)

帶式輸送機(jī)是現(xiàn)代最重要的散狀物料輸送設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、礦山和港口等領(lǐng)域。在燃煤電廠中，帶式輸送機(jī)系應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力煤輸送設(shè)備。帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝等都影響著燃煤電廠運(yùn)煤系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其中，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)又起著決定性的作用。帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)主要包括：額定出力計(jì)算；頭尾部標(biāo)高、最大傾角的確定；帶寬、帶速與出力的關(guān)系匹配；功率計(jì)算；受力計(jì)算；幾何計(jì)算等。其中額定出力的計(jì)算至關(guān)重要，決定著帶式輸送機(jī)設(shè)備參數(shù)的選擇。本文著重對(duì)通用固定帶式輸送機(jī)額定出力的計(jì)算進(jìn)行一些探討。

1 不同標(biāo)準(zhǔn)中帶式輸送機(jī)額定出力的計(jì)算方法

有關(guān)帶式輸送機(jī)額定出力、功率、受力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)有：電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠運(yùn)煤設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DLGJ1－93，已作廢)、《火力發(fā)電廠運(yùn)煤設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程第1部分：運(yùn)煤系統(tǒng)》(DL/T 5187.1－2016)；國家標(biāo)準(zhǔn)《連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備 帶承載托輥的帶式輸送機(jī) 運(yùn)行功率和張力的計(jì)算》(GB/T17119－1997)、《帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50431－2008) ；國際標(biāo)準(zhǔn)《連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備—帶承載托輥的帶式輸送機(jī)—運(yùn)行功率和張力的計(jì)算》(ISO5048－1989)；其他的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和資料有德國標(biāo)準(zhǔn)《連續(xù)輸送機(jī).松散物料用皮帶輸送機(jī).計(jì)算和參數(shù)選定的根據(jù)》(DIN22101－2002)、美國輸送設(shè)備制造商協(xié)會(huì)(CEMA)編寫的《散狀物料帶式輸送機(jī)(第二版)》、我國的《DTⅡ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)》等。

1.1 電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《火力發(fā)電廠運(yùn)煤設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DLGJ1－93)，帶式輸送機(jī)的額定運(yùn)輸量可按下式計(jì)算：

式中：Q為帶式輸送機(jī)的額定運(yùn)輸量(t/h)；K為斷面系數(shù)；B為帶寬(m)；V為帶速(m/s)；γ為煤的散狀密度(t/m3)。

根據(jù)《火力發(fā)電廠運(yùn)煤設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程第1部分：運(yùn)煤系統(tǒng)》(DL/T 5187.1－2016)，帶式輸送機(jī)的最大輸送能力的簡易計(jì)算可按式(2)計(jì)算：

式中：Q為帶式輸送機(jī)的最大輸送能力(t/h)；K為斷面系數(shù)；B為帶寬(m)；v為帶速(m/s)；ρ為物料的松散密度(t/m3)。

1.2 國家標(biāo)準(zhǔn)及國際標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn)《連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備 帶承載托輥的帶式輸送機(jī) 運(yùn)行功率和張力的計(jì)算》(GB/T17119－1997)與國際標(biāo)準(zhǔn)《連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備－帶承載托輥的帶式輸送機(jī)－運(yùn)行功率和張力的計(jì)算》(ISO5048 －1989)對(duì)于帶式輸送機(jī)最大出力、功率、受力等的計(jì)算相同，GB /T17119－ 1997等同采用 ISO5048 － 1989。因此，后文僅將國際標(biāo)準(zhǔn)與其他標(biāo)準(zhǔn)作比較。

國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)帶式輸送機(jī)的最大輸送能力計(jì)算公式如下：

當(dāng)在輸送帶的傾斜段加料時(shí)，確定輸送機(jī)的傾斜系數(shù)k要計(jì)入截面S1減小的因素。k計(jì)算如下：

式中：Q為帶式輸送機(jī)最大輸送能力(t/h)；S為輸送帶上物料最大橫截面面積(m2)；v為帶速(m/s)；k為輸送機(jī)的傾斜系數(shù)；ρ為物料的松散密度(t/m3)；S1為輸送帶上部物料最大橫截面面積(m2)；S2為輸送帶下部物料最大橫截面面積(m2)；13中間輥長度(三輥槽形)(m)；b為輸送帶的可用寬度(m)；B為帶寬(m)；λ為槽形托輥側(cè)輥軸線與水平線間的夾角(o)；θ為被輸送物料的運(yùn)行堆積角(o)；k1為截面S1的減小系數(shù)；δ為輸送機(jī)在運(yùn)行方向上的傾斜角(o)。

當(dāng)δ等于θ時(shí)，上部截面面積S1不存在，只有下部截面面積S2在起作用。

但 是，GB/T17119－1997與ISO5048－1989均未對(duì)帶式輸送機(jī)額定出力的計(jì)算給出詳細(xì)說明。

1.3 德國標(biāo)準(zhǔn)

德國標(biāo)準(zhǔn)《連續(xù)輸送機(jī).松散物料用皮帶輸送機(jī).計(jì)算和參數(shù)選定的根據(jù)》(DIN22101－2002)對(duì)帶式輸送機(jī)的最大出力(標(biāo)準(zhǔn)中稱為“理論輸送量”)及額定出力均作了說明。德標(biāo)中帶式輸送機(jī)的理論輸送量計(jì)算如下：

式中：Qth為帶式輸送機(jī)的理論輸送量(t/h)；Ath為理論裝料斷面的面積(m2)；V為帶速(m/s)；ρ為物料的松散密度(t/m3)。

A1,th為理論裝料斷面中水平部分以上三角形部分的面積(m2)；A2,th為當(dāng)β=0o時(shí)的理論裝料斷面的面積(水平斷面面積)(m2)；

式中：lM為三托輥布置時(shí)中間托輥殼體長度(m)；b為可利用的帶寬(m)；λ為上分支或下分支輸送帶的槽角(o)；β為計(jì)算部分?jǐn)嗝娣eA1,th用的等效堆積角 (o)；可利用的帶寬b取決于帶式輸送機(jī)帶寬B：

額定出力用如下公式計(jì)算：

φ為有效裝料系數(shù)；

式中：φBetr為相對(duì)于輸送機(jī)生產(chǎn)條件的裝滿系數(shù)；φSt為傾斜輸送時(shí)對(duì)于理論總斷面積Ath的裝滿系數(shù)的縮減系數(shù)；φBetr取決于輸送物料的特性、塊度、最大邊長、堆積角βdyn(標(biāo)志實(shí)際動(dòng)態(tài)堆積特性)、帶式輸送機(jī)的運(yùn)行條件、加料均勻性、輸送帶的直線性、輸送能力的儲(chǔ)備。當(dāng)加料均勻和輸送帶直線運(yùn)行時(shí)，水平直線輸送機(jī)的理論裝料斷面可以被充分利用，即φ=φBetr=1。φSt由A1,th決定：

當(dāng)輸送機(jī)對(duì)中良好并均勻加載塊度小的物料時(shí)，可將δmax≤βdyn代入式中：

式中 ：δmax為輸送機(jī)的最大傾角 (o)；βdyn為被輸送物料的實(shí)際動(dòng)堆積角(o)。

在應(yīng)用公式(19)、(20)時(shí)，應(yīng)注意傾斜輸送時(shí)的傾角最大只能等同于βdyn，且此時(shí)僅斷面積A2,th用于輸送物料。

DIN22101－2002中對(duì)φSt給出了詳細(xì)的計(jì)算公式，但對(duì)φBetr僅給出了其影響因素和取值范圍(0.7～1.1)，并未給出φBetr的計(jì)算公式和取值方法。

1.4 美國標(biāo)準(zhǔn)

美國輸送設(shè)備制造商協(xié)會(huì)(CEMA)編寫的《散狀物料帶式輸送機(jī)(第二版)》中對(duì)帶式輸送機(jī)額定出力的計(jì)算時(shí)忽略傾斜角的影響。CEMA中帶式輸送機(jī)額定出力計(jì)算如下：

式中：Qm為額定出力(t/h)；At為總橫斷面積(in2)；As為動(dòng)堆積面積(in2)；Ab為梯形面積(in2)；V為帶速(in/s)；ρ為物料的松散密度 (t/in3)；b為帶寬 (in)；α為動(dòng)堆積角 (o)；β為托輥組槽角(o)；

學(xué)生成績考核評(píng)價(jià)是教學(xué)過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。課程考核要以過程性考核為主，重在考查學(xué)生在工作任務(wù)中表現(xiàn)出來的能力。教師要面向?qū)W生對(duì)課程主要項(xiàng)目開展實(shí)際操作、口頭描述等形式，增加對(duì)學(xué)生完成項(xiàng)目的過程和結(jié)果的評(píng)價(jià)。過程性考核在總成績中所占比例為70%。過程性考核包括學(xué)生完成項(xiàng)目的結(jié)果和質(zhì)量、出勤情況以及在完成項(xiàng)目中體現(xiàn)出來的職業(yè)道德、思想品德水平、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

1.5 我國的《DTⅡ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)》

DTⅡ(A)與GB/T17119－1997計(jì)算公式相同，但僅說明系“輸送能力”，ISO5048－1989及GB/T17119－1997均明確此公式系帶式輸送機(jī)的最大輸送能力。建議在DTⅡ(A)的今后修編中遵從GB/T17119－1997的寫法，注明是“最大輸送能力”。

《DTⅡ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)》中明確關(guān)于帶式輸送機(jī)輸送能力的計(jì)算，系執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)《連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備 帶承載托輥的帶式輸送機(jī) 運(yùn)行功率和張力的計(jì)算》(GB/T17119－1997)。同時(shí)，在DTⅡ(A)中也非?？陀^的指出，“…值得注意的是，由于缺乏準(zhǔn)確的物料特性—特別是不同帶速下的運(yùn)行堆積角等相關(guān)資料，使得精確計(jì)算輸送能力幾乎不可能…因而該標(biāo)準(zhǔn)提供的計(jì)算方法，其精度是有限的…”，這些說明是在GB/T17119－1997中未予提及的。

為了最大程度體現(xiàn)工具書的特點(diǎn)，《DTⅡ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)》中為避免對(duì)輸送帶上最大截面積S的復(fù)雜公式計(jì)算，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)《松散物料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備槽形帶式輸送機(jī)(攜帶式輸送機(jī)除外) 托輥》(ISO1537－1975)中的中間輥長度(三輥槽形)計(jì)算并列表了在不同托輥槽角λ和運(yùn)行堆積角θ下的輸送帶上的最大截面積S，以便查閱?！禗TⅡ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)》中表2－3，系在運(yùn)行堆積角θ為20°、托輥槽角λ為35°、帶式輸送機(jī)傾斜角為0°情況下計(jì)算得到的帶速v、帶寬B與最大輸送能力Q(m3/h)的關(guān)系。

2 各標(biāo)準(zhǔn)的比較

無論是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)、德國標(biāo)準(zhǔn)或美國CEMA標(biāo)準(zhǔn)等，都是按輸送帶上物料橫截面面積來計(jì)算帶式輸送機(jī)輸送能力。以下對(duì)幾種標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法作比較。

2.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、DTⅡ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)與國際標(biāo)準(zhǔn)的比較

從公式(7)、(8)可見，可利用的帶寬b是帶寬B的函數(shù)，在固定的λ、θ值條件下， 輸送帶上物料最大橫截面面積S也是帶寬B的函數(shù)，S=F(B2)。為了避免國際標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)橫截面面積的復(fù)雜計(jì)算，或像《DTⅡ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中那樣針對(duì)不同的λ、θ、B開列繁雜的最大截面積數(shù)值的表格，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T5187.1 － 2016 中，在固定的λ(35o)、θ(20o)下，對(duì)這個(gè)F(B2)折算并圓整成了斷面系數(shù)K，以方便計(jì)算。也正基于此，DL/T 5187.1－2016對(duì)原技規(guī)DLGJ1－93中的該公式作了保留。但要注意的是，這里的斷面系數(shù)K與國際標(biāo)準(zhǔn)中的輸送機(jī)傾斜系數(shù)k是完全不同的，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的最大輸送能力計(jì)算公式(2)是未考慮帶式輸送機(jī)斜升布置的影響的，這在老版本的《火力發(fā)電廠運(yùn)煤設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DLGJ1－93)的“條文說明”中有明確的敘述。

2.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)、德國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果比較

根據(jù)以上各標(biāo)準(zhǔn)公式，我們對(duì)各公式計(jì)算出的帶式輸送機(jī)額定出力做散點(diǎn)圖比較見圖1。為便于比較，λ統(tǒng)一取為35o，運(yùn)行堆積角θ統(tǒng)一取為20o，帶速V統(tǒng)一取為2.5 m/s，帶寬取B=1600 mm、1200 mm、800 mm三個(gè)檔次，輸送機(jī)傾角δ按2o～20o區(qū)間以每2o一個(gè)間隔取值。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)帶式輸送機(jī)傾斜角，取用GB/T17119－1997的傾斜系數(shù)k作為DL/T 5187.1－2016中有效裝料系數(shù)的近似值，圖中額定出力用Q_DL表示；國家標(biāo)準(zhǔn)及國際標(biāo)準(zhǔn)中采用公式(3)的計(jì)算結(jié)果作為額定運(yùn)輸量，l3系查閱《松散物料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備 槽形帶式輸送機(jī)(攜帶式輸送機(jī)除外) 托輥》(ISO1537－1975)所得，圖中額定出力用Q_ISO表示；德國標(biāo)準(zhǔn)φSt根據(jù)公式(19)計(jì)算，因?yàn)闊o法根據(jù)不同的物料特性等來計(jì)算φBetr，所以將φBetr取值為0.7～1.1的中間值0.9，三托輥布置時(shí)中間托輥殼體長度lM系查閱《連續(xù)輸送機(jī).松散物料皮帶輸送機(jī)的支承輥.主要尺寸》(DIN 22107－1984)所得，圖中額定出力用Q_DIN表示；CEMA標(biāo)準(zhǔn)中，取用B=60 in、48 in、30 in作為國標(biāo)B=1600 mm、1200 mm、800 mm的對(duì)應(yīng)帶寬系列，取用V=492ft/ min作為國標(biāo)V=2.5 m/s的對(duì)應(yīng)帶速，圖中額定出力用Q_CEMA表示。

圖1 各標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果比較

2.3 各標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行出力的比較

筆者針對(duì)幾個(gè)電廠的帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)額定出力與實(shí)際運(yùn)行出力進(jìn)行了調(diào)研。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，著重調(diào)研了安裝有皮帶秤的入廠煤計(jì)量帶式輸送機(jī)及入爐煤計(jì)量帶式輸送機(jī)。并采用以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述幾個(gè)電廠的帶式輸送機(jī)額定出力分別計(jì)算，并與實(shí)際運(yùn)行出力進(jìn)行比較，見表1、表2。計(jì)算中采用的λ、θ等參數(shù)依據(jù)與圖1中一致。

表1 入廠煤計(jì)量帶式輸送機(jī)的實(shí)際計(jì)量出力與計(jì)算出力的比較

表2 入爐煤計(jì)量帶式輸送機(jī)的實(shí)際計(jì)量出力與計(jì)算出力的比較

3 結(jié)論

從圖1中可得出如下結(jié)論：

(2)在帶寬較小(B＜1200 mm)且傾角δ＜16°時(shí)，各標(biāo)準(zhǔn)的額定輸送能力基本相當(dāng)。

(3)帶寬較大(B≥1200 mm)時(shí)，各標(biāo)準(zhǔn)在各種傾角下的額定輸送能力有所差異；且?guī)捲酱?，?jì)算結(jié)果差異越大。

(4)四種標(biāo)準(zhǔn)中，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)在各種帶寬、傾角下計(jì)算結(jié)果均非常接近，可見行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的簡易計(jì)算公式取得了較滿意的結(jié)果。

(5)美國標(biāo)準(zhǔn)因?yàn)橛?jì)算時(shí)忽略傾斜角的影響，所以傾角對(duì)計(jì)算結(jié)果無影響，在固定帶寬下的計(jì)算結(jié)果是一條水平直線；德國標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果受傾角的影響最大，計(jì)算結(jié)果擬合曲線的斜率最大；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果受傾角的影響居中。

(6)盡管德標(biāo)考慮了φBetr、φSt，在四種標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)入的物料橫截面面積減小因素最多，但是，德標(biāo)的計(jì)算結(jié)果并不總是最小的，當(dāng)帶寬B=1600 mm、傾角δ＜16°時(shí)，德標(biāo)計(jì)算結(jié)果甚至大于其余三種標(biāo)準(zhǔn)。從表1、2中可得出如下結(jié)論：

(7)排除帶式輸送機(jī)計(jì)量的出力受上游給料設(shè)備出力的影響，仍然可見各標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果均與計(jì)量設(shè)備實(shí)測的值有一定差距。由于缺乏準(zhǔn)確的物料特性等資料，以及每條帶式輸送機(jī)的制造水平、安裝條件不同，使得精確計(jì)算輸送能力幾乎不可能。

(8)各標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果普遍比計(jì)量設(shè)備實(shí)測的值要大，建議實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對(duì)帶式輸送機(jī)額定出力的計(jì)算還是應(yīng)當(dāng)考慮傾斜系數(shù)，條件許可的情況下還可再根據(jù)輸送物料的特性、帶式輸送機(jī)的運(yùn)行條件等因素考慮相對(duì)于輸送機(jī)生產(chǎn)條件的裝滿系數(shù)。

(9)各標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果與帶寬、輸送機(jī)傾角的相關(guān)關(guān)系與圖1得出的結(jié)論一致。

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