長(zhǎng)距離高帶速帶式輸送機(jī)托輥間距的確定

李晨曦，周 啟

（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）

帶式輸送機(jī)作為重要的散狀物料連續(xù)輸送設(shè)備已廣泛地應(yīng)用于煤礦、冶金、礦山、港口、糧食和化工等領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，帶式輸送機(jī)朝著長(zhǎng)距離、超長(zhǎng)距離的趨勢(shì)發(fā)展。托輥?zhàn)鳛殚L(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的主要部件之一，其作用是支撐輸送帶，減小運(yùn)行阻力，并使輸送帶的垂度不超過(guò)一定限度，以保證輸送帶平穩(wěn)運(yùn)行。托輥的總重約占整機(jī)質(zhì)量的30%～40%。因此，作為長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)“道床”的托輥對(duì)于輸送機(jī)的正常使用、維護(hù)、能耗以及整機(jī)價(jià)格等方面都起著重要作用[1-2]。如何對(duì)托輥間距進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和布置，減少托輥用量，降低整機(jī)價(jià)格、減少營(yíng)運(yùn)及維護(hù)費(fèi)用、降低能耗帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益是大家普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為帶式輸送機(jī)總能耗中，輸送帶與托輥擠壓產(chǎn)生的能耗占總能耗的60%，托輥能耗占10%。文獻(xiàn)[4]則認(rèn)為輸送機(jī)70%的功率消耗在輸送帶覆蓋膠與托輥的壓陷阻力上。托輥組沿輸送機(jī)縱向布置的問(wèn)題就是托輥間距設(shè)計(jì)[5]。為此以新疆準(zhǔn)東經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)帶式輸送機(jī)輸煤廊道工程1條長(zhǎng)為9.96 km的長(zhǎng)距離、高帶速帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)不同托輥間距的設(shè)計(jì)，分析比較托輥數(shù)量、規(guī)格與性能、節(jié)能效果、所需功率的差別等，為我國(guó)長(zhǎng)距離、高帶速帶式輸送機(jī)托輥間距設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 輸送機(jī)托輥間距布置的影響因素

輸送散狀物料的槽型帶式輸送機(jī)托輥間距，無(wú)論國(guó)內(nèi)帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范或DTII（A）型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，還是德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)，均推薦槽型帶式輸送機(jī)承載托輥組間為1.0～1.5 m，回程托輥間距為3.0 m[6-8]。帶式輸送機(jī)整機(jī)功率計(jì)算及張力計(jì)算方法均按此間距進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。隨著帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)不斷發(fā)展，托輥間距也在不斷優(yōu)化，特別是對(duì)于長(zhǎng)距離、高帶速帶式輸送機(jī)，國(guó)外托輥間距設(shè)計(jì)上托輥達(dá)3.0 m，下托輥達(dá)6.0 m。雖然增大托輥間距，可以減少托輥數(shù)量從而使托輥旋轉(zhuǎn)阻力及摩擦阻力減少，但是散料變形阻力和膠帶彎曲阻力增大，需要增大托輥的規(guī)格尺寸，降低了托輥的使用壽命，增加了后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。因此，合理的托輥設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)工程實(shí)際綜合考慮各種因素，使得工程經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1.1 影響帶式輸送機(jī)托輥間距的主要因素

主要因素為：①托輥間距與帶式輸送機(jī)的機(jī)長(zhǎng)、運(yùn)量和帶速相關(guān)；②托輥間距與托輥組承載能力、使用壽命、托輥組結(jié)構(gòu)型式相關(guān)；③托輥間距與帶式輸送機(jī)縱向走線(xiàn)的起伏半徑、角度、平面轉(zhuǎn)彎的半徑及角度相關(guān)；④托輥間距與輸送帶類(lèi)型及輸送帶的特性參數(shù)相關(guān)；⑤托輥間距與帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)、制動(dòng)方式相關(guān)。

上述各因素的作用最終影響的是輸送帶的張力、驅(qū)動(dòng)功率及工程投資成本。因此，針對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)者要在托輥的承載能力與壽命、膠帶張力、設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本、能耗成本、設(shè)備折舊和工程投資成本之間來(lái)綜合權(quán)衡。

1.2 增大托輥間距對(duì)帶式輸送機(jī)的影響

理論上，增大托輥間距對(duì)帶式輸送機(jī)既能帶來(lái)優(yōu)勢(shì)也能帶來(lái)劣勢(shì)，其主要影響有：

1）增大托輥間距，使得帶式輸送機(jī)整機(jī)的托輥數(shù)量減少，托輥旋轉(zhuǎn)阻力及摩擦阻力減少，設(shè)備運(yùn)行能耗降低，但需要加大托輥的規(guī)格尺寸或降低托輥壽命。

2）增大托輥間距使得輸送帶縱向下垂度和橫向變形增大，運(yùn)行時(shí)散裝物料變形阻力和膠帶彎曲阻力增大，設(shè)備運(yùn)行能耗增加。

3）增大托輥間距使得輸送帶縱向下垂度增大，被迫提高輸送帶圓周張力，使輸送帶安全系數(shù)降低。

4）增大托輥間距使得輸送帶橫向變形增大，需要適當(dāng)增大托輥組槽角及輸送帶剛性，特別是對(duì)于回程托輥需要由平行托輥或V形托輥改為槽形托輥，增大投資。

2 工程實(shí)例分析

新疆準(zhǔn)東經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)帶式輸送機(jī)輸煤廊道工程105帶式輸送機(jī)機(jī)長(zhǎng)為9.96 km，其提升高度－81.8 m，帶寬1.2 m，運(yùn)量1 600 t/h，帶速4.5 m/s，設(shè)有3處空間轉(zhuǎn)彎，是典型的長(zhǎng)距離、高帶速、空間轉(zhuǎn)彎越野帶式輸送機(jī)。在設(shè)計(jì)之初，該帶式輸送機(jī)在平面直線(xiàn)段承載托輥間距按1.5 m、回程托輥間距3 m；在空間轉(zhuǎn)彎段承載托輥間距1.2 m，回程托輥間距3 m以確保在特殊工況下膠帶在該段不出現(xiàn)跑偏和灑料現(xiàn)象。為了進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)托輥間距進(jìn)行了優(yōu)化分析，對(duì)托輥間距承載托輥1.5 m/回程托輥3.0 m、承載托輥2.0 m/回程托輥4.0 m和承載托輥3.0 m/回程托輥6.0 m 3種情況進(jìn)行了對(duì)比分析，105帶式輸送機(jī)3種托輥間距布置對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 105帶式輸送機(jī)3種托輥間距布置對(duì)比

由表1可知：①托輥間距由1.5 m（承載）/3 m（回程）變?yōu)? m（承載）/4 m（回程）和3 m（承載）/6 m（回程），托輥組數(shù)量分別減少1 576（組）/762（組）和3 250（組）/1 508（組），即托輥質(zhì)量分別減少約141.3 t和288 t，使得帶式輸送機(jī)投資成本降低；②托輥間距由1.5 m（承載）/3 m（回程）變?yōu)? m（承載）/4 m（回程），承載托輥軸承規(guī)格加大，投資成本會(huì)略增；回程托輥組結(jié)構(gòu)不變；托輥壽命減低32%／47%；③托輥間距由1.5 m（承載）/3 m（回程）變?yōu)? m（承載）/6 m（回程），承載托輥軸承規(guī)格加大，投資成本增大，回程托輥組V型（二節(jié)輥）變?yōu)椴坌停ㄈ?jié)輥），投資成本增大，托輥壽命減低68 %/88 %，托輥壽命呈急劇下降；④托輥間距由1.5 m（承載）/3 m（回程）變?yōu)? m（承載）/4 m（回程）和3 m（承載）/6 m（回程），托輥運(yùn)行阻力能耗分別降低69～87 kW和145～181.4 kW，散料彎曲阻力能耗由阻力分析可知，能耗略增，但是隨著托輥間距的增大，輸送帶的壓陷阻力會(huì)大幅度增加。

2.1 帶式輸送機(jī)阻力分析

帶式輸送機(jī)阻力成分比例的比較如圖1。圖1來(lái)源于德國(guó)DIN 22101輸送散料的帶式輸送機(jī)計(jì)算與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，圖示了長(zhǎng)距離散狀物料帶式輸送機(jī)的水平運(yùn)輸（左側(cè)）和5%傾斜運(yùn)輸（右側(cè)）的阻力分布情況。105帶式輸送機(jī)更接近圖1左側(cè)近于水平運(yùn)輸?shù)膸捷斔蜋C(jī)。其中，散狀物料的彎曲阻力和膠帶彎曲阻力所占比例遠(yuǎn)大于托輥運(yùn)行阻力，所以散狀物料和膠帶的彎曲阻力不可小覷。據(jù)國(guó)內(nèi)外使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試資料顯示，加大托輥間距對(duì)減小輸送機(jī)運(yùn)行能耗效果不明顯。

圖1 帶式輸送機(jī)阻力成分比例的比較

2.2 托輥間距對(duì)輸送帶的性能與制造精度的影響

1）輸送帶橫向剛性。當(dāng)托輥間距拉大后，輸送帶縱向下垂和橫向變形量將增大，運(yùn)行時(shí)散料彎曲阻力和膠帶彎曲阻力相應(yīng)增大。為了避免產(chǎn)生過(guò)大的二次附加阻力，需要減小輸送帶的變形量。對(duì)與該105條帶式輸送機(jī)來(lái)說(shuō)，由于帶式輸送機(jī)尾部高于頭部81.8 m的特殊性，在額定負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)，輸送帶縱向下垂變形量是容易克服的，而輸送帶的橫向變形（即橫向剛性）需要由輸送帶制造商增加措施來(lái)控制。

2）輸送帶覆蓋膠厚度。為了降低輸送帶的彎曲阻力，降低能耗。需要調(diào)整輸送帶的上、下覆蓋膠厚度，上蓋膠厚度由8 mm減少至7 mm，下蓋膠厚度由6 mm減少至5 mm，同時(shí)提高覆蓋膠的剛度特性和耐磨性能，以達(dá)到減小運(yùn)行阻力、降低能耗的效果。但輸送帶的節(jié)能效果受環(huán)境溫度、帶速和運(yùn)量等多種因素影響，當(dāng)環(huán)境溫度降低到10 ℃以下后，效果呈現(xiàn)出非線(xiàn)性大幅度降低狀態(tài)，而項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)晝夜溫差極大，不會(huì)有明顯效果。

3）輸送帶的覆蓋膠制造精度。當(dāng)托輥間距拉大后，托輥與輸送帶的下覆蓋膠的擠壓應(yīng)力增大，下覆蓋膠原料的配制和成品的加工需要更高的精度，避免覆蓋膠中存有空氣，以避免托輥與下蓋膠擠壓時(shí)覆蓋膠起泡或脫層，以保證輸送帶的使用壽命。

隨著托輥間距增大能減少帶式輸送機(jī)整機(jī)的托輥數(shù)量，降低托輥運(yùn)行阻力，但是物料彎曲阻力，輸送帶彎曲阻力和壓陷阻力都將增大；與此同時(shí)帶式輸送機(jī)的托輥軸承壽命大幅降低，從而增加了帶式輸送機(jī)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。托輥間距越大，輸送帶的覆蓋膠制造精度要求越高。該工程現(xiàn)場(chǎng)具有極寒、極熱的氣候特點(diǎn)，而且晝夜溫差大。綜合對(duì)比分析，最終105帶式輸送機(jī)托輥間距在不增加托輥規(guī)格尺寸的前提下?。撼休d段2.0 m/回程段4.0 m時(shí)工程經(jīng)濟(jì)效益最佳，較承載段1.5 m/回程段3.0 m托輥投資有所降低，避免了采用承載段3.0 m/回程段6.0 m而回程段托輥改為槽形托輥的形式。

3 結(jié)語(yǔ)

合理的托輥間距對(duì)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)尤為重要，特別是對(duì)于長(zhǎng)距離、高帶速帶式輸送機(jī)，設(shè)計(jì)不應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦的等托輥間距布置，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際，綜合考慮各種因素的影響，通過(guò)對(duì)比分析，權(quán)衡利弊，確定出最合理的托輥間距。以新疆準(zhǔn)東經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)帶式輸送機(jī)輸煤廊道工程1條長(zhǎng)為9.96 km的長(zhǎng)距離、高帶速帶式輸送機(jī)為工程實(shí)例，對(duì)不同托輥間距布置從托輥數(shù)量、托輥規(guī)格型號(hào)、托輥組結(jié)構(gòu)形式、托輥軸承壽命、功率消耗、阻力分析等進(jìn)行對(duì)比分析，確定了最佳的托輥間距。