長(zhǎng)距離水平轉(zhuǎn)彎煤灰雙向運(yùn)輸帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)

曹 亮

（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）

火力發(fā)電廠(chǎng)通常有輸煤、輸灰2 套獨(dú)立輸送系統(tǒng)，根據(jù)運(yùn)距、地形、地勢(shì)、氣候等條件，可采用公路、鐵路或帶式輸送機(jī)等運(yùn)輸方式。當(dāng)采用帶式輸送機(jī)運(yùn)灰時(shí)，應(yīng)用圓管帶式輸送機(jī)的案例較多，少數(shù)用封閉式普通槽型帶式輸送機(jī)。如今，長(zhǎng)距離輸送越來(lái)越廣泛，但由同一條帶式輸送機(jī)上帶運(yùn)煤、下帶運(yùn)灰的技術(shù)在電廠(chǎng)輸送系統(tǒng)中還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用。如將電煤和燃燒后的粉煤灰采用同一條帶式輸送機(jī)正反向同時(shí)運(yùn)輸，可節(jié)省單獨(dú)運(yùn)灰工程投資和后期運(yùn)灰成本，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。2019 年8 月，由中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司總承包的勝利一號(hào)露天煤礦至勝利發(fā)電廠(chǎng)輸送系統(tǒng)EPC 工程開(kāi)工建設(shè)，其長(zhǎng)距離水平轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)是我國(guó)第1 條高寒、多風(fēng)地區(qū)上帶運(yùn)煤、下帶運(yùn)灰、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)，具有一定的設(shè)計(jì)難度。工程實(shí)踐為同類(lèi)長(zhǎng)距離水平轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)雙向運(yùn)輸?shù)脑O(shè)計(jì)，提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)概述

勝利一號(hào)露天煤礦至勝利發(fā)電廠(chǎng)輸煤系統(tǒng)由8條帶式輸送機(jī)組成，總長(zhǎng)度約13.8 km，把粒度70～0 mm 的褐煤從露天礦送至2 座電廠(chǎng)，同時(shí)將2 座電廠(chǎng)的粉煤灰利用輸煤帶式輸送機(jī)回程帶面反向輸送至露天礦，再由卡車(chē)排棄至露天礦內(nèi)排灰場(chǎng)。反向運(yùn)灰由4 條帶式輸送機(jī)組成，其中2 條為煤灰共用，總長(zhǎng)度約10 km。該工程地處錫林郭勒盟大草原，線(xiàn)路上有排土場(chǎng)、錫林河、鐵路、村莊、國(guó)道、多條高壓線(xiàn)等，設(shè)計(jì)主導(dǎo)思想為盡量利用既有地形條件、避免影響居民日常生活、少占地原則，主線(xiàn)采用水平轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)[2]。沿途跨越南排土場(chǎng)、上跨錫林河、下穿錫烏鐵路、下穿S307 國(guó)道、上跨多處道路、下穿大唐鐵路及多條高低壓輸電線(xiàn)路等。新建S307 國(guó)道地道橋?qū)? m，長(zhǎng)132 m，與道路夾角為25°；新建的大唐鐵路地道橋?qū)? m，長(zhǎng)30 m，與鐵路夾角為62°。

輸送系統(tǒng)中有1 條水平轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)，水平機(jī)長(zhǎng)8.642 km，提升高度40 m，共有3 處水平轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎段合計(jì)長(zhǎng)度3.153 km。設(shè)計(jì)參數(shù)為：上帶面運(yùn)輸量Qs=3 000 t/h、下帶面運(yùn)輸量Qx=500 t/h、帶寬B=1 600 mm、帶速v=4.5 m/s。輸送系統(tǒng)平面布置示意圖如圖1。

圖1 輸送系統(tǒng)平面布置示意圖

2 主要關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)

水平轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)雙向運(yùn)輸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是確定轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎段托輥的結(jié)構(gòu)形式、上下帶運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)的設(shè)計(jì)等。

2.1 水平轉(zhuǎn)彎半徑

水平轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)是通過(guò)使用特殊托輥組來(lái)實(shí)現(xiàn)用曲線(xiàn)替代多條直線(xiàn)轉(zhuǎn)載。轉(zhuǎn)彎時(shí)，輸送帶會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向心力，使其向圓心側(cè)滑移，這時(shí)需要有一個(gè)反向的外力與之抵消，達(dá)到受力平衡，這就需要通過(guò)改變托輥的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)[3-5]。

工程地處開(kāi)闊的大草原，轉(zhuǎn)彎半徑主要根據(jù)鐵路、村莊的位置和公路的轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)布置，考慮當(dāng)?shù)馗吆臍夂驐l件及煤灰雙向運(yùn)輸?shù)奶厥夤r，為了保證系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎段的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)盡可能選擇大半徑轉(zhuǎn)彎。

水平轉(zhuǎn)彎段最小轉(zhuǎn)彎半徑需同時(shí)滿(mǎn)足力學(xué)平衡條件、輸送帶側(cè)邊應(yīng)力條件和輸送帶外側(cè)不離開(kāi)托輥條件，計(jì)算公式是通用的。以文獻(xiàn)[3]中新疆準(zhǔn)東長(zhǎng)距離空間轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中提到的計(jì)算公式進(jìn)行校核。經(jīng)校驗(yàn)，水平轉(zhuǎn)彎段最小轉(zhuǎn)彎半徑為2.2 km，初選值滿(mǎn)足最小半徑要求。

帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度8.642 km，共設(shè)有3 處轉(zhuǎn)彎段，大體呈現(xiàn)“S”型，曲線(xiàn)長(zhǎng)度3.153 km，占帶式輸送機(jī)總長(zhǎng)度的36.5%。從機(jī)尾開(kāi)始，第1 處水平轉(zhuǎn)彎半徑4 km，圓心角11.972°；第2 處水平轉(zhuǎn)彎半徑3 km，圓心角24.041°；第3 處水平轉(zhuǎn)彎半徑5 km，圓心角12.128°。

2.2 轉(zhuǎn)彎段托輥結(jié)構(gòu)形式

2.2.1 選用大槽角托輥組

托輥組槽角越大轉(zhuǎn)彎效果越好，如“C”型帶、“U”型帶、圓管帶的轉(zhuǎn)彎半徑比槽型帶要小很多，而平帶幾乎不能轉(zhuǎn)彎。以往工程設(shè)計(jì)時(shí)，直線(xiàn)段采用35°槽角托輥組，轉(zhuǎn)彎段采用深槽托輥組，直線(xiàn)段與轉(zhuǎn)彎段間需要設(shè)置過(guò)渡托輥組，工程考慮到回程帶運(yùn)灰，全程采用45°大槽角托輥組，具有一定的防側(cè)風(fēng)作用，45°槽角托輥組也是橫截面積最大、輸送效率最高的結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，相比多槽角設(shè)計(jì)，全程1個(gè)槽角時(shí)運(yùn)行平緩，避免了輸送帶邊緣的張力變化，延長(zhǎng)輸送帶使用壽命。

2.2.2 選用固定抬高角托輥組

水平轉(zhuǎn)彎段輸送帶在運(yùn)行過(guò)程中，靠近圓心側(cè)的曲線(xiàn)稱(chēng)內(nèi)曲線(xiàn)，遠(yuǎn)離圓心側(cè)的稱(chēng)外曲線(xiàn)。將中間托輥軸線(xiàn)與水平面所形成的夾角稱(chēng)為內(nèi)曲線(xiàn)抬高角γ，產(chǎn)生內(nèi)曲線(xiàn)抬高角的目的是為了減小轉(zhuǎn)彎半徑，使輸送帶在轉(zhuǎn)彎段的平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎[6]。雖然增大γ 可使轉(zhuǎn)彎半徑變小，但γ 過(guò)大時(shí)系統(tǒng)運(yùn)力降低，出現(xiàn)撒料、滾料等問(wèn)題。因此，如何確定抬高角γ 尤為重要。

以往工程，轉(zhuǎn)彎段托輥組內(nèi)抬高角為多種角度可調(diào)式，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)施工與設(shè)計(jì)計(jì)算發(fā)生偏離時(shí)，可通過(guò)調(diào)整角度來(lái)彌補(bǔ)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大。

如果采用固定式內(nèi)抬高角度，則須進(jìn)行精密的計(jì)算。通過(guò)查找國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)，進(jìn)行多次對(duì)比計(jì)算，最終確定尾部4 km 轉(zhuǎn)彎段上托輥內(nèi)抬高角3°，下托輥內(nèi)抬高角5°；中部3 km 轉(zhuǎn)彎段上托輥內(nèi)抬高角5°，下托輥內(nèi)抬高角5°；頭部5 km 轉(zhuǎn)彎段上托輥內(nèi)抬高角3°，下托輥內(nèi)抬高角3°。轉(zhuǎn)彎段采用固定式內(nèi)抬高角托輥組打破了常規(guī)設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)制造工序簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)省時(shí)省力，設(shè)備運(yùn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是工程設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。轉(zhuǎn)彎段固定內(nèi)曲線(xiàn)抬高角托輥斷面圖如圖2。

圖2 轉(zhuǎn)彎段固定內(nèi)曲線(xiàn)抬高角托輥斷面圖

直線(xiàn)段與轉(zhuǎn)彎段的切點(diǎn)是普通托輥組變更為轉(zhuǎn)彎段托輥組的鏈接處，在此處轉(zhuǎn)彎段前后均設(shè)有過(guò)渡段，即內(nèi)抬高角由0°逐漸過(guò)渡到3°或5°，轉(zhuǎn)彎段過(guò)渡段長(zhǎng)度按所在弧長(zhǎng)的10%布置，帶式輸送機(jī)的內(nèi)曲線(xiàn)抬高角度布置見(jiàn)表1。

表1 帶式輸送機(jī)的內(nèi)曲線(xiàn)抬高角度布置（°）

2.2.3 托輥架前后可調(diào)

托輥組底板與中間架間采用螺栓連接，底板為加大長(zhǎng)圓孔，增大調(diào)整量。設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓位置實(shí)現(xiàn)托輥組的傾斜安裝。當(dāng)輸送帶向內(nèi)側(cè)跑偏時(shí)，將內(nèi)側(cè)托輥前傾安裝，反之后傾，以此來(lái)克服轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的向心力和物料的離心力。對(duì)本工程來(lái)說(shuō)，內(nèi)曲線(xiàn)抬高角增大1°僅能減小轉(zhuǎn)彎半徑100 m，對(duì)于轉(zhuǎn)彎半徑3～ 5 km 的帶式輸送機(jī)來(lái)講，因此托輥組前傾安裝是解決輸送帶跑偏的最有效方法。

2.3 正反轉(zhuǎn)運(yùn)輸轉(zhuǎn)載方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中有M705、M706 2 條帶式輸送機(jī)是上帶運(yùn)煤、下帶運(yùn)灰，轉(zhuǎn)載點(diǎn)距下穿大唐鐵路橋涵處不足30 m，這意味著M706 機(jī)尾不能抬高。上帶運(yùn)煤時(shí)，二者搭接方法與普通帶式輸送機(jī)相同，要使M706下帶的灰同時(shí)轉(zhuǎn)載給M705 下帶，需要有足夠的轉(zhuǎn)載空間。提出2 種設(shè)計(jì)方案：①方案1：不增加任何設(shè)備，煤、灰在同一個(gè)轉(zhuǎn)載站進(jìn)行轉(zhuǎn)載；②方案2：增加1 條帶式輸送機(jī)，煤、灰在不同轉(zhuǎn)載站進(jìn)行轉(zhuǎn)載。

方案1 的特點(diǎn)是同點(diǎn)轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載點(diǎn)布置在地下，轉(zhuǎn)載站地上部分建筑物體積小，總平面布置規(guī)整，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)載站地下部分工程量巨大，帶式輸送機(jī)需要設(shè)置1 段暗道，輸送帶纏繞方式過(guò)于復(fù)雜，設(shè)備檢修受限等；方案2 的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)載點(diǎn)布置在地上，輸送帶纏繞方式簡(jiǎn)單，設(shè)備容易檢修，缺點(diǎn)是需增加1 座轉(zhuǎn)載站和1 條短帶輸送轉(zhuǎn)載，總平面布置不太規(guī)整。

綜合對(duì)比方案1 和方案2，從設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、檢修維護(hù)等方面考慮，選用方案2 的轉(zhuǎn)載設(shè)計(jì)，帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載關(guān)系如圖3。

圖3 帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載關(guān)系

2.4 多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的布置

上運(yùn)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置通常安裝在帶式輸送機(jī)頭部，而對(duì)長(zhǎng)距離上運(yùn)帶式輸送機(jī)來(lái)說(shuō)，只在頭部設(shè)置驅(qū)動(dòng)時(shí)輸送帶帶強(qiáng)會(huì)很大，相應(yīng)滾筒、結(jié)構(gòu)件、轉(zhuǎn)載站等選型加大，導(dǎo)致投資增大。因此，大多數(shù)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)都是多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)布置，常見(jiàn)的有頭尾驅(qū)動(dòng)、頭中尾驅(qū)動(dòng)等，多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)可以大大降低輸送帶張力。經(jīng)計(jì)算，長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)頭尾驅(qū)動(dòng)時(shí)輸送帶選型為ST4000，頭中尾驅(qū)動(dòng)時(shí)輸送帶選型為ST2500，增加中部驅(qū)動(dòng)后，帶強(qiáng)下降效果非常明顯。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用高壓變頻軟啟動(dòng)技術(shù)，同步柜實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功率平衡。在頭部拉緊鋼絲繩、中部驅(qū)動(dòng)、尾部驅(qū)動(dòng)處安裝張力傳感器，通過(guò)測(cè)量不同驅(qū)動(dòng)處輸送帶的張力值，由PLC 控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制多點(diǎn)變頻驅(qū)動(dòng)單元啟停，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 驅(qū)動(dòng)功率

經(jīng)過(guò)靜態(tài)計(jì)算，此長(zhǎng)距離水平轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)的軸功率為5 × 1 050 kW。采用變頻軟啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)富余系數(shù)取1.1，每臺(tái)電機(jī)選型功率為1 250 kW，考慮當(dāng)?shù)貒?yán)寒的氣候條件，最終確定的電機(jī)功率為1 400 kW。空載調(diào)試初期發(fā)現(xiàn)電機(jī)電流達(dá)到額定設(shè)計(jì)電流160 A，隨著時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)電流逐漸下降到90 A。由此可以看出，初期電流高是因?yàn)樘鞖夂?，各部件?rùn)滑不夠靈活，阻力大，輸送帶初始張力也很大，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，輸送帶張力得到釋放，電機(jī)負(fù)載逐漸降低，系統(tǒng)趨于正常運(yùn)行。

實(shí)踐表明，高寒地區(qū)、長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的初始阻力很大，甚至超過(guò)了滿(mǎn)載設(shè)計(jì)阻力，在電機(jī)選型時(shí)，其功率要保守選擇。

2.6 拉緊裝置的選擇

拉緊裝置是帶式輸送機(jī)中重要的部件組成，保證輸送帶不打滑、減小輸送帶垂度。帶式輸送機(jī)常見(jiàn)的拉緊裝置有很多，其中重錘拉緊可隨輸送帶張力的變化靠自身重力自動(dòng)補(bǔ)償輸送帶的伸長(zhǎng)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好、可靠性高，是帶式輸送機(jī)首選的拉緊形式[7-8]。

長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)采用垂直重錘拉緊時(shí)，拉緊行程為30 m。受工藝布置影響帶式輸送機(jī)因提升高度較低，不具備安裝垂直重錘拉緊的條件。設(shè)計(jì)采用“絞車(chē)＋重錘塔架式”車(chē)式拉緊方式，既縮短拉緊行程，又實(shí)現(xiàn)拉緊力恒定控制，集常規(guī)拉緊形式優(yōu)點(diǎn)為一體，具有重錘和絞車(chē)的雙重優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，由于輸送帶垂度、硫化輸送帶處堆帶等原因，輸送帶拉緊后拉緊車(chē)行走約15 m。運(yùn)行時(shí)，拉緊小車(chē)行走距離5 m，系統(tǒng)降頻停車(chē)時(shí)拉緊車(chē)非常穩(wěn)定。證明了長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)使用逆止器的必要性，即使計(jì)算時(shí)沒(méi)有逆止力。調(diào)試階段，逆止器可以防止輸送帶因?yàn)閺椥陨扉L(zhǎng)造成驅(qū)動(dòng)滾筒反轉(zhuǎn)、拉緊車(chē)快速回撤，避免重錘箱沖頂而發(fā)生事故。

3 結(jié)語(yǔ)

勝利一號(hào)露天煤礦至勝利發(fā)電廠(chǎng)輸煤系統(tǒng)帶式輸送機(jī)于2021 年1 月進(jìn)行重載聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，水平轉(zhuǎn)彎段輸送帶實(shí)現(xiàn)“零”跑偏，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)彎段托輥組采用固定式內(nèi)曲線(xiàn)抬高角是可行的，加裝逆止器是必要的，為調(diào)試節(jié)省了大量時(shí)間。該系統(tǒng)的成功運(yùn)用，為在高寒、多風(fēng)地區(qū)長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、水平轉(zhuǎn)彎、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)、多點(diǎn)轉(zhuǎn)載、上下帶同時(shí)運(yùn)輸帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。