皮帶機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)組改造方案及借鑒意義

【摘要】目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用TBM掘進(jìn)施工項(xiàng)目，一般掘進(jìn)長(zhǎng)度在20km，在施工應(yīng)用中考慮通風(fēng)，出渣，進(jìn)料運(yùn)輸及施工成本時(shí)，采用兩段法掘進(jìn)；需轉(zhuǎn)移皮帶機(jī)系統(tǒng)重新布置。舊設(shè)備應(yīng)用在新項(xiàng)目時(shí)，因施工具體條件發(fā)生變化，需重新考慮皮帶機(jī)布置及改造應(yīng)用以節(jié)省成本。本例有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】皮帶機(jī)；驅(qū)動(dòng)

有一隧道工程（A），洞徑8m，長(zhǎng)度20km，主要用TBM掘進(jìn)開挖，工程結(jié)束后，掘進(jìn)機(jī)撤出后閑置。一年后，我單位中標(biāo)一新項(xiàng)目，洞徑、長(zhǎng)度與A基本相同，兩個(gè)隧道工程均采用兩段法開挖，主洞出口到支洞長(zhǎng)度布置基本相同。從工程規(guī)模、布置、節(jié)約成本角度出發(fā)，均可以考慮使用閑置的TBM設(shè)備。TBM掘進(jìn)機(jī)改造使用方案極其復(fù)雜，本文僅從皮帶系統(tǒng)改造利用角度論證其可行性。

一、改造可行性

新項(xiàng)目為TBM掘進(jìn)施工，地質(zhì)情況較好，少水，施工開挖總長(zhǎng)度18.93km，掘進(jìn)方向?yàn)橹本€（無拐點(diǎn)），逆坡掘進(jìn)，坡度千分之0.0803，高差1.77m。考慮皮帶機(jī)用舊設(shè)備改造更新，實(shí)際工程施工設(shè)計(jì)及地質(zhì)情況，與以前相近。經(jīng)測(cè)算，第一段可以應(yīng)用原有舊設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)900KW編組驅(qū)動(dòng)。

轉(zhuǎn)場(chǎng)二段施工時(shí)情況發(fā)生變化：因支洞長(zhǎng)度達(dá)到1274米，坡度達(dá)6.5%。1#支洞布置在掘進(jìn)方向主洞的左側(cè)。支洞進(jìn)口底板與主洞高差84.2m、支洞與主洞平面交角79°。而皮帶機(jī)及支架通過支架位置調(diào)整，以直線平順沿6.6%坡度架設(shè)。支洞皮帶機(jī)一臺(tái)皮帶機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)無法保證功率需要，需改造。因產(chǎn)品更新?lián)Q代原因，原配套產(chǎn)品采購(gòu)有較大難度，定制采購(gòu)供貨期達(dá)十個(gè)月以上，嚴(yán)重影響工期。結(jié)合施工設(shè)計(jì)方案。TBM掘進(jìn)二段主洞需TBM施工掘進(jìn)不會(huì)超過4000米，坡度千分之0.0803?？紤]將主洞連續(xù)皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)由三臺(tái)編組改為兩臺(tái)電機(jī)編組驅(qū)動(dòng)。另外一臺(tái)可安裝到洞外與原有的支洞皮帶機(jī)電機(jī)結(jié)合用兩臺(tái)編組驅(qū)動(dòng)。

詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算過程

AA、第二段4000米主洞連續(xù)皮帶機(jī)技術(shù)方案

1）工況基本參數(shù)

隧洞開挖直徑：φ8.03m

皮帶機(jī)輸送長(zhǎng)度：4000m

隧洞坡度： 0.0803‰ 逆坡掘進(jìn)

TBM掘進(jìn)速度：最大掘進(jìn)速度100mm/min

渣石比重：2.6～2.8kg/m3（實(shí)方密度）

渣石最大粒度：300mm

2）TBM皮帶機(jī)參數(shù)的確定

輸送量的確定

根據(jù)TBM的掘進(jìn)速度100mm/min，22分鐘一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)掘進(jìn)1.8m，渣石按松散系數(shù)1.7，密度1.5kg/ m3考慮，則連續(xù)皮帶機(jī)每小時(shí)最大運(yùn)量為：

Q=（π×8.03^2）/4×6×1.7x1.5 =775（t/h）

正常情況下運(yùn)量Q=775t/h即可滿足TBM掘進(jìn)出渣需求，運(yùn)量按Q=800t/h計(jì)算。

帶速的確定

由：Qmax=3600Amax×V×k×ρ

k—傾斜系數(shù)， k =1

ρ—松散密度，ρ=1.44

Amax—物料最大橫截面積，：

Amax=0.06m2

Qmax=800t/h

得：V ≥Qmax/（3600 Amax× k×ρ）=800/（3600×0.06×1×1.5）=2.47m/s

參照后配套皮帶機(jī)帶速及相關(guān)同類產(chǎn)品的參數(shù)，考慮到膠帶強(qiáng)度（帶速越低、所需帶強(qiáng)越低）及膠帶成槽性（帶強(qiáng)越高、成槽性越差），綜合考慮，選用帶速0～2.8m/s，運(yùn)行中可根據(jù)實(shí)際運(yùn)量大小當(dāng)調(diào)整帶速。

帶寬的確定

根據(jù)帶寬、帶速與運(yùn)量的匹配關(guān)系，選擇帶寬914mm的輸送帶。

托輥選型

帶式輸送機(jī)承載分支、回程分支托輥的選用取決于帶寬、帶速、托輥間距及輥?zhàn)拥撵o載荷、動(dòng)載荷等各種參數(shù)，根據(jù)各種參數(shù)進(jìn)行托輥承載能力的校核并選擇合適的托輥規(guī)格，取d=102mm，本項(xiàng)目選用102mm免維護(hù)托輥，規(guī)格參數(shù)如下：

槽型托輥間距 2.29 m

回程托輥間距 4.58 m

皮帶機(jī)基本參數(shù)的確定

運(yùn)量Q：800t/h

帶速v：0-2.8m/s

帶寬B：914mm

膠帶規(guī)格σ：ST1600

膠帶厚度d：15mm

膠帶重量q0：21.5kg/m

物料重量q：Q/3.6v=79.4kg/m

上下膠帶模擬阻力系數(shù)f：0.016

膠帶與傳動(dòng)滾筒間摩擦系數(shù)：u=0.4

輸送長(zhǎng)度L：4000m

膠帶傾角β：0.0803‰=0.0046°

提升高度H：4m

托輥直徑Φ：φ102mm

上托輥間距a0：2.29m （三輥槽型）

下托輥間距au：4.58m （V型）

單位長(zhǎng)度上托輥質(zhì)量q1：15kg/m

單位長(zhǎng)度下托輥質(zhì)量q2：8kg/m

棍子轉(zhuǎn)速：n=30v/3.14r=523rpm

儲(chǔ)帶長(zhǎng)度L：500m

F.連續(xù)皮帶機(jī)阻力計(jì)算：

1） 膠帶機(jī)物料產(chǎn)生的運(yùn)行阻力：

F1= Lfg（cosa2q0+cosaq+q1+q2）=91288N

2） 物料提升阻力：

F2= Hqg=3115.7N

3） 頭部清渣器對(duì)膠帶阻力

F3= 2APμ3=1134.4N

式中：A—清掃器與膠帶接觸面積；

P—清掃器與膠帶之間的壓力；

μ3—清掃器與膠帶之間的摩擦系數(shù)；

4） ATP清渣器對(duì)膠帶阻力：

F4=μ3q0Bg=64.2N

5） 曲線段托輥?zhàn)枇Γ?/p>

F5= CεLeμ0（q+q0）gcosβsinε=0

式中：Cε—槽形系數(shù)；

Le—曲線段長(zhǎng)；

ε—托輥傾角；

6） 導(dǎo)料板阻力：

F6=μ2Iv2ρgl/v2b12=109.5N

式中：μ2—皮帶與導(dǎo)料板之間的摩擦系數(shù)；

Iv—物料流量；

b1—導(dǎo)料板內(nèi)部寬度；

7） 給料點(diǎn)處物料附加阻力：

F7= Ivρv=853.2N

8） 膠帶繞過驅(qū)動(dòng)滾筒附加阻力：

F80=μN(yùn)（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=3488.5N

膠帶繞過儲(chǔ)帶倉(cāng)滾筒附加阻力：

F81=μN(yùn)（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=27981.6N

膠帶繞過改向滾筒附加阻力：

F82=μN(yùn)（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=872.1N

膠帶繞過ATP滾筒附加阻力：

F83=μN(yùn)（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=1221N

9） 電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)阻力：

F9= 3936*9.8=38572N

驅(qū)動(dòng)滾筒圓周驅(qū)動(dòng)力（總阻力）：

Fu= F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7+F8+F9=168700.2N

G 電機(jī)功率計(jì)算：

傳動(dòng)滾筒軸功率計(jì)算

P0= FuV=472.4Kw

電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

Pe= P0/η1η2η3η4η5=583Kw

式中： η1--減速器效率；

η2--偶合器效率；

η3--聯(lián)軸器效率；

η4--電壓降系數(shù)；

η5--不平衡系數(shù)；

H 電機(jī)選型：總裝機(jī)功率為600Kw

AB 、1274米支洞皮帶機(jī)技術(shù)方案

1） 工況基本參數(shù) 同上

2）TBM皮帶機(jī)參數(shù)的確定

輸送量的確定 同上。正常情況下運(yùn)量Q=775t/h即可滿足TBM掘進(jìn)出渣需求，運(yùn)量按Q=800t/h計(jì)算。

帶速的確定 同上，綜合考慮，選用帶速0～2.8m/s，運(yùn)行中可根據(jù)實(shí)際運(yùn)量大小當(dāng)調(diào)整帶速。

帶寬的確定選擇帶寬914mm的輸送帶。

托輥選型 同上

皮帶機(jī)基本參數(shù)的確定重復(fù)參數(shù)同上不列，

輸送長(zhǎng)度L：1274m

膠帶傾角β：6.6%=3.776°

提升高度H：84m

F.連續(xù)皮帶機(jī)阻力計(jì)算：

1） 膠帶機(jī)物料產(chǎn)生的運(yùn)行阻力：

F1= Lfg（cosa2q0+cosaq+q1+q2）=29022N

2） 物料提升阻力：

F2= Hqg=65429N

3） 頭部清渣器對(duì)膠帶阻力

F3= 2APμ3=1134.4N

式中：A—清掃器與膠帶接觸面積；

P—清掃器與膠帶之間的壓力；

μ3—清掃器與膠帶之間的摩擦系數(shù)；

4） ATP清渣器對(duì)膠帶阻力：

F4=μ3q0Bg=64.2N

5） 曲線段托輥?zhàn)枇Γ?/p>

F5= CεLeμ0（q+q0）gcosβsinε=0

式中：Cε—槽形系數(shù)；

Le—曲線段長(zhǎng)；

ε—托輥傾角；

6） 導(dǎo)料板阻力：

F6=μ2Iv2ρgl/v2b12=109.5N

式中：μ2—皮帶與導(dǎo)料板之間的摩擦系數(shù)；

Iv—物料流量；

b1—導(dǎo)料板內(nèi)部寬度；

7） 給料點(diǎn)處物料附加阻力：

F7= Ivρv=853.2N

8） 膠帶繞過驅(qū)動(dòng)滾筒附加阻力：

F80=μN(yùn)（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=3488.5N

膠帶繞過儲(chǔ)帶倉(cāng)滾筒附加阻力：

F81=μN(yùn)（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=0N

膠帶繞過改向滾筒附加阻力：

F82=μN(yùn)（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=872.1N

膠帶繞過ATP滾筒附加阻力：

F83=μN(yùn)（F軸承阻力+0.01F1/B）d/D=0N

9） 電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)阻力：

F9= 0N

驅(qū)動(dòng)滾筒圓周驅(qū)動(dòng)力（總阻力）：

Fu= F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7+F8+F9=100973N

G 電機(jī)功率計(jì)算：

傳動(dòng)滾筒軸功率計(jì)算

P0= FuV=283Kw

電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

Pe= P0/η1η2η3η4η5=315Kw

式中： η1--減速器效率；

η2--偶合器效率；

η3--聯(lián)軸器效率；

η4--電壓降系數(shù)；

η5--不平衡系數(shù)；

H 電機(jī)選型：總裝機(jī)功率為600Kw

二、皮帶機(jī)系統(tǒng)改造面臨的問題

原來配置方案中支洞皮帶機(jī)系統(tǒng)中只有一臺(tái)300KW電機(jī)驅(qū)動(dòng)。必須相對(duì)應(yīng)的增加一套裝置與此配套。包括電機(jī)，減速機(jī)，支架，變頻驅(qū)動(dòng)裝置等，相應(yīng)的機(jī)械部分也要改造：支洞皮帶機(jī)增加改向滾筒，下料槽，驅(qū)動(dòng)滾筒，皮帶漲緊裝置。滾筒軸在考慮布置方式時(shí)有兩種方式，一是采用兩個(gè)單側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)組安裝兩個(gè)帶陶瓷包膠滾筒；另一種方式是，一根通軸，在兩側(cè)安裝兩個(gè)單側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)組驅(qū)動(dòng)一個(gè)帶陶瓷包膠滾筒。兩種方式對(duì)空間要求不同，因坡度達(dá)到6.5%，在洞口布置的改向滾筒的角度要與出洞時(shí)的皮帶機(jī)支架及皮帶平順一致，對(duì)支撐架需改造。考慮增大摩擦力減少空間占用采用兩臺(tái)電機(jī)一側(cè)布置，分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)陶瓷包膠滾筒。

三、變頻驅(qū)動(dòng)部分改造

驅(qū)動(dòng)電機(jī)為300KW，400V，皮帶帶速為2.8m/s。啟動(dòng)過程中要求從零到一定速度，中間停止一定時(shí)間，后再啟動(dòng)緩慢達(dá)到工頻狀態(tài)。保證傳動(dòng)系統(tǒng)在工頻狀態(tài)下能達(dá)到要求的皮帶帶速。

原入口傳送帶電機(jī)用變頻器型號(hào)為日本三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的FR-A540L-G280K-NA，該型號(hào)變頻器已停產(chǎn)多年，相應(yīng)的零部件和周邊設(shè)備三菱公司已不再提供。需用替代或改造相應(yīng)的通訊及控制部分，增加一套PLC控制系統(tǒng)，參照原設(shè)備采用三菱Q系列PLC控制系統(tǒng)，對(duì)變頻器進(jìn)行控制方式依舊采用通信方式（三菱的CC-Link），新增加的一臺(tái)變頻器FR-A740-280K-CHT與現(xiàn)使用的一臺(tái)可正常使用的變頻器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，保證兩變頻同步驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)滾筒。支洞皮帶系統(tǒng)控制箱部分使用原設(shè)備自有的箱體，在其內(nèi)部進(jìn)行配線改造，新增電源模塊，CPU，輸出模塊，基板，主站模塊，通訊模塊，數(shù)據(jù)電纜等；新增一臺(tái)800A主斷路器；內(nèi)部元器件的使用，盡量使用原設(shè)備自帶的元器件。增加一臺(tái)電控箱體，用于安裝新增斷路器、接觸器與變頻器；增加的電控箱體單獨(dú)安裝。主洞內(nèi)兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)編組，支洞用兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)編組。兩套系統(tǒng)之間互相通訊，解決順序啟動(dòng)問題。單組之間兩臺(tái)電機(jī)要實(shí)際同步驅(qū)動(dòng)，需進(jìn)行測(cè)試，通訊及控制程序重寫。

同步調(diào)試過程中需進(jìn)行多次嘗試，在不同轉(zhuǎn)速，負(fù)載下測(cè)量輸出電流，保證同步。

特別是在采用兩個(gè)電機(jī)單側(cè)布置時(shí)，因陶瓷滾筒包膠可能直徑不完全相同。當(dāng)雙側(cè)布置時(shí)也要保證同步避免輸出功率不一致，另一臺(tái)變?yōu)樨?fù)載。需多次進(jìn)行測(cè)試，在不同頻率輸出下測(cè)試，最后找到最佳輸出頻率，也就是兩臺(tái)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速乘以滾筒直徑等于皮帶線速度。實(shí)際測(cè)試中一臺(tái)頻率輸出設(shè)定在50HZ，另一臺(tái)滾筒直徑略小，輸出頻率稍高。剎車電阻也要經(jīng)過測(cè)試，在本例中由于電機(jī)減速機(jī)組帶逆止器，未考慮皮帶有料時(shí)下坡在電機(jī)停機(jī)時(shí)會(huì)反轉(zhuǎn)。而經(jīng)測(cè)試電阻在瞬間產(chǎn)生，而新的配置的變頻器上有相應(yīng)的補(bǔ)償裝置，抵消一部分，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)中基本沒有影響。而不考慮剎車電阻。

山區(qū)施工，現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)要考慮，接入的皮帶機(jī)系統(tǒng)電源防雷也應(yīng)考慮。

四、改造效果

電機(jī)及減速機(jī)如采購(gòu)供貨期達(dá)10個(gè)月，嚴(yán)重影響工期。采用改造方案既保證了工期。又不必新購(gòu)電機(jī)，減速機(jī)等設(shè)備，同時(shí)在主洞電機(jī)驅(qū)動(dòng)減少一臺(tái)，整個(gè)工程施工期間節(jié)約電費(fèi)可觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅賓斯公司連續(xù)皮帶機(jī)操作說明手冊(cè)。

[2]羅賓斯公司TBM服務(wù)手冊(cè)。