港區(qū)鐵路裝車系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

高廣恒 李 醒 張 京

1 中交機(jī)電工程局有限公司 2 滄州黃驊港礦石港務(wù)有限公司

1 引言

優(yōu)化設(shè)計是在一定的約束條件下對目標(biāo)值求極值的過程，而在具體工程應(yīng)用中，優(yōu)化設(shè)計是一個尋求相對合理解決方案的過程。對于一個具體工程的優(yōu)化設(shè)計，可以分為系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計和單機(jī)部件的優(yōu)化設(shè)計。其中，系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計是3類優(yōu)化設(shè)計的核心和前提，系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計和單機(jī)部件的優(yōu)化設(shè)計作為系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計的細(xì)化和補(bǔ)充。

在裝車系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方面，劉海濱[1]通過延長管帶機(jī)的作業(yè)時間(即降低管帶機(jī)的額定輸送能力)來減小管徑，從而達(dá)到降低管帶機(jī)投資的目的；周明峰[2]通過運用ANSYS優(yōu)化工具箱對管帶機(jī)桁架的角鋼截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，減小了鋼材用量從而減小單機(jī)投資；朱立平等[3]通過給帶式輸送機(jī)設(shè)置中部驅(qū)動的方式，降低了輸送帶的選型。這些研究主要集中在系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計和單機(jī)部件的優(yōu)化設(shè)計，并未對系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計作深入研究。故以唐山港鐵路疏港裝車系統(tǒng)的方案設(shè)計為例，探索工程的系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計。

2 工程概況

唐山港位于唐山市東南80 km處的唐山海港開發(fā)區(qū)境內(nèi)，位于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈中心地帶，是大北京戰(zhàn)略的重要組成部分，是國家確定的沿海重要港口。港口后方交通便利，京山、京秦、大秦三大鐵路干線橫貫唐山市，并有唐遵、漢張、卑水、遵潘4條鐵路相輔。依托豐富的鐵路網(wǎng)絡(luò)，鐵路運輸成為主要的大宗散貨疏港運輸方式。為解決本港進(jìn)口鐵礦石的疏港內(nèi)運問題，擬新建鐵路裝車系統(tǒng)，包括4座火車裝車樓，單座火車裝車樓額定裝車能力為3 600 t/h，年裝車能力2 000萬t。本工程起點位于礦石堆場西北角的轉(zhuǎn)接機(jī)房S，擬建裝車樓分別位于Z1、Z2、Z3和Z4位置(見圖1、2)。

圖1 裝車樓布局方案一

圖2 裝車樓布局方案二

建設(shè)方的功能需求為系統(tǒng)優(yōu)化提供了方向和約束條件。本系統(tǒng)功能需求是實現(xiàn)轉(zhuǎn)接機(jī)房S內(nèi)的4條現(xiàn)有帶式輸送機(jī)(S1～S4)可分別向4個裝車樓(Z1～Z4)供料，共可實現(xiàn)16種工藝流程；并且要求輸送機(jī)棧橋廊道跨越公路處最小凈空為4.5 m，跨越鐵路處距離軌頂最小凈空為6.55 m，單線鐵路橋隧建筑限界為鐵路中心線兩側(cè)2.40 m并滿足相應(yīng)的國家規(guī)范[4]；同時要求礦石堆場以外的所有槽型帶式輸送機(jī)設(shè)置在封閉廊道內(nèi)。

3 輸送系統(tǒng)路由規(guī)劃設(shè)計

根據(jù)本工程的地理環(huán)境條件和建設(shè)方的功能需求，初步選定采用管帶機(jī)與槽型帶式輸送機(jī)組合的系統(tǒng)方案。要完成物料從礦石堆場運輸至各裝車樓需要跨越湖林河、濱海大道和港興大街以及規(guī)劃鐵路線。根據(jù)現(xiàn)場實地考察情況，濱海大道東側(cè)緊鄰湖林河，且湖林河作為重要的泄洪河，河床上或河邊坡上均不具備工程建設(shè)條件；濱海大道西南側(cè)與既有鐵路線之間的區(qū)域地勢平坦，地質(zhì)條件較好，且濱海大道可作為施工物資運輸?shù)缆罚?jié)省施工過程中材料二次倒運費用，具備較好的工程建設(shè)條件。

3.1 制定跨河跨路方案

規(guī)劃設(shè)置機(jī)房A1、機(jī)房A2和機(jī)房B 3處中轉(zhuǎn)點，制定了2種工藝流程方案。

方案一：加寬轉(zhuǎn)接機(jī)房S并在S1～S4帶式輸送機(jī)頭部各設(shè)置1臺四工位伸縮裝置，在轉(zhuǎn)接機(jī)房S以北跨越規(guī)劃鐵路后設(shè)置轉(zhuǎn)接機(jī)房A1及機(jī)房間連接輸送機(jī)X1～X4；然后依次垂直跨越湖林河、濱海大道后設(shè)置轉(zhuǎn)接機(jī)房A2及機(jī)房間連接輸送機(jī)Y1～Y4。轉(zhuǎn)接機(jī)房A2作為管帶機(jī)的起始點(見圖3)。

圖3 工藝流程方案一

方案二：將現(xiàn)有S1～S4帶式輸送機(jī)延長，使其依次跨越湖林河、濱海大道，在港興大街以南和濱海大道西側(cè)區(qū)域設(shè)置轉(zhuǎn)接機(jī)房B并在輸送機(jī)頭部各設(shè)置1臺四工位伸縮裝置，轉(zhuǎn)接機(jī)房B作為管帶機(jī)的起始點(見圖4)。

圖4 工藝流程方案二

3.2 系統(tǒng)方案詳細(xì)設(shè)計

本工程轉(zhuǎn)接機(jī)房及棧橋廊道的工藝布置基于以下原則：

(1)封閉廊道內(nèi)并行帶式輸送機(jī)兩側(cè)檢修通道按1.5 m設(shè)計，空間受限處按不小于1.2 m設(shè)計。

(2)機(jī)房內(nèi)設(shè)備的周圍至少應(yīng)有1.5 m通行與維修的空地。

(3)機(jī)房內(nèi)設(shè)備上方的凈空一般不小于2.5 m～3.0 m，須滿足設(shè)備維修時吊裝(吊裝越過設(shè)備)的要求。

(4)槽型帶式輸送機(jī)凹弧段的圓弧半徑需滿足在不設(shè)置壓帶裝置的情況下，設(shè)備在空載啟動、滿載啟動、空載運行、滿載運行等使用工況下均不發(fā)生“飄帶”。

(5)管帶機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)按理論計算最大允許值設(shè)計，即盡量選擇大半徑轉(zhuǎn)彎。

基于以上原則完成了2種方案下的工藝系統(tǒng)布置圖和輸送機(jī)工藝布置圖(見圖5～9)，并據(jù)此采用“逐點張力法”詳細(xì)計算了每種方案下的輸送帶強(qiáng)度值、驅(qū)動滾筒軸功率并選取了驅(qū)動電動機(jī)功率值(見表1)。

圖5 方案一工藝流程系統(tǒng)布置圖

圖6 方案一X1～X4工藝流程系統(tǒng)布置圖

圖7 方案一Y1～Y4工藝流程系統(tǒng)布置圖

圖8 方案二工藝流程系統(tǒng)布置圖

圖9 方案二S1～S4工藝布置圖

表1 不同方案下工藝設(shè)備主機(jī)主要技術(shù)參數(shù)匯總表

根據(jù)表1內(nèi)容可知：

(1)方案一中管帶機(jī)較方案二中管帶機(jī)長度縮短16.8%，總提升高度增加69.9%，但兩方案驅(qū)動功率僅相差1.7%，輸送帶最大張力相差0.8%，說明本工程中管帶機(jī)的功率受長度影響較大。

(2)方案一較方案二增加了1個中轉(zhuǎn)機(jī)房，屬于“多條布置”[5]形式，因此消耗了更多的功率。

(3)方案二中由于輸送機(jī)S1～S4總提升高度的增加導(dǎo)致既有的輸送帶強(qiáng)度不能滿足設(shè)計要求，需整機(jī)更換輸送帶。

(4)方案二中輸送機(jī)S1～S4改造后采用2∶1雙滾筒三電機(jī)驅(qū)動，目的是盡可能降低輸送帶強(qiáng)度和利用既有驅(qū)動單元，減少設(shè)備投資。

兩種方案的用鋼量統(tǒng)計見表2，通過對比表2中數(shù)據(jù)可知：

表2 不同方案下用鋼量統(tǒng)計匯總表

(1)兩種方案設(shè)備本體重量比較接近，約占系統(tǒng)用鋼量的17%～21%，(382/2192≈17.4%，374/1759≈21.3%)。

(2)方案二中封閉廊道和轉(zhuǎn)接機(jī)房的用鋼量均比方案一小，且方案二中設(shè)備本體重量占系統(tǒng)用鋼量比例較高，說明管帶機(jī)在節(jié)約系統(tǒng)用鋼量上比槽型帶式輸送機(jī)更有優(yōu)勢。

4 方案比選

通過以上數(shù)據(jù)可知，方案一中B1200-ST800輸送帶長度為：712.8×2+728×2=2 881.6 m，B1850-ST1600輸送帶長度為：1 320×2=2 640 m。

方案二中B1200-ST1600輸送帶長度為：4×(718+220)×2=7 504 m，B1850-ST1600輸送帶長度為：1 588×2=3 176 m。

依據(jù)輸送帶長度、裝機(jī)功率和用鋼量對2個方案進(jìn)行成本對比，見表3。

表3 不同方案下綜合投資對比表

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)論：

(1)通過增加中間轉(zhuǎn)接點，可降低系統(tǒng)輸送帶強(qiáng)度級別，該方法可運用在長距離帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中。

(2)增加中間轉(zhuǎn)接點必定會導(dǎo)致系統(tǒng)裝機(jī)功率的增加，不利于節(jié)約能源。

(3)輸送帶和用鋼量屬于一次性固定投資，而裝機(jī)功率直接影響生產(chǎn)單位的使用成本，對于長期型生產(chǎn)單位，選擇方案二更為有利。

5 結(jié)語

以唐山港某鐵路裝車帶式輸送機(jī)系統(tǒng)為研究對象，提出了2種解決方案，繪制了工藝系統(tǒng)布置圖和具體設(shè)備工藝布置圖，并對具體設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)選型，從輸送帶規(guī)格型號、系統(tǒng)裝機(jī)功率和鋼材用量3個方面詳細(xì)地研究了2種方案的優(yōu)缺點，本研究方法可以為類似工程提供參考。